基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统自标定方法

摘要

本发明公开了一种基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统的自标定方法，其标定过程是首先对测量基站中信标节点的信标节点电磁波收发点完成粗略自标定，再利用粗略自标定的标定结果引导激光绝对距离测量系统完成对绝对零位和信标节点电磁波收发点的精确自标定。本发明在硬件上简单，可在测量过程中进行标定，且各测量基站的标定结果具有同等精度。

主权项

一种基于无线传感网络引导的超大几何参量测量系统自标定方法，其特征是：设置测量系统中的测量基站是由无线传感网络的信标节点(1)、安装在二维旋转台(7)上的激光绝对距离测量系统(5)和安装在二维旋转台(7)上的直角靶镜(3)组成，所述激光绝对距离测量系统(5)中激光器的激光发射点被设定为绝对零位(6)；所述信标节点(1)是由电源模块、控制模块、通信模块、无线电磁波收发模块和计时模块构成，所述控制模块通过通信模块与上位机进行通信并控制无线电磁波收发模块的收发，所述无线电磁波收发模块的收发端点被设定为信标节点电磁波收发点(2)，计时模块的开启或结束可由无线电磁波收发模块接收到脉冲信号后触发或受控制模块的控制；信标节点电磁波收发点(2)、绝对零位(6)和直角靶镜（3）的直角靶镜顶点（4）三者空间位置关系为已知；各测量基站被分别标记为C1、C2、…、Cn，其中n为测量基站个数，且n≥6；自标定方法为：首先对测量基站中信标节点(1)的信标节点电磁波收发点(2)完成粗略自标定，再利用粗略自标定的标定结果引导激光绝对距离测量系统(5)完成对绝对零位(6)和信标节点电磁波收发点(2)的精确自标定；所述粗略自标定是：第一轮测量，上位机以固定时间间隔依照C1、C2、…、Cn的次序向各测量基站发送控制命令，测量基站C1接收到控制命令后开启计时模块，其余测量基站接收到控制命令后通过信标节点（1）向测量基站C1发送脉冲信号，由计时模块记录下各脉冲信号的到达时间，各脉冲信号的到达时间包含了测量基站C1与其余测量基站之间的粗略距离信息；第二轮测量，上位机以固定时间间隔依照C2、C3、…、Cn、C1的次序向各测量基站发送控制命令，测量基站C2接收到控制命令后开启计时模块，其余测量基站接收到控制命令后通过信标节点（1）向测量基站C2发送脉冲信号，由计时模块记录下各脉冲信号的到达时间，各脉冲信号的到达时间包含了测量基站C2与其余测量基站之间的粗略距离信息；以同样的方式继续测量直至第n轮测量结束，获得所有测量基站之间的粗略距离信息；采用原点循环标定法解算出各测量基站中信标节点电磁波收发点（2）的空间坐标；所述精确自标定是：在由粗略自标定获得无线传感网络信标节点电磁波收发点(2)的空间坐标后，利用各测量基站中已知的信标节点电磁波收发点(2)、绝对零位(6)和直角靶镜顶点（4）三者空间位置关系，解算出各测量基站中激光绝对测距系统（5）瞄准其余测量基站中直角靶镜（3）所需转动的水平方向角度和垂直方向角度以及各测量基站中直角靶镜（3）对准其余测量基站中激光绝对测距系统（5）所需转动的水平方向角度和垂直方向角度；第一轮测量，上位机通过分别控制测量基站C2、C3、…、Cn中的二维旋转台使测量基站C2、 C3、…、Cn中的激光绝对测距系统（5）同时瞄准测量基站C1中的直角靶镜（3），上位机再通过控制测量基站C1中的二维旋转台（7）使测量基站C1中的直角靶镜（3）逐个对准测量基站C2、C3、…、Cn中的激光绝对测距系统（5），由激光绝对测距系统（5）获得测量基站C1与其余测量基站之间的精确距离信息；第二轮测量，上位机通过分别控制测量基站C1、C3、…、Cn中的二维旋转台使测量基站C1、C3、…、Cn中的激光绝对测距系统（5）同时瞄准测量基站C2中的直角靶镜（3），上位机再通过控制测量基站C2中的二维旋转台使测量基站C2中的直角靶镜逐个对准测量基站C1、C3、…、Cn中的激光绝对测距系统(5)，由激光绝对测距系统(5)获得测量基站C2与其余测量基站之间的精确距离信息；以同样的方法继续测量直至第n轮测量结束，获得所有测量基站之间的精确距离信息；采用原点循环标定法解算出各测量基站中绝对零位(6)的空间坐标，再利用各测量基站中信标节点电磁波收发点(2)和绝对零位(6)已知的空间位置关系，解算出信标节点电磁波收发点（2）的空间坐标；所述原点循环标定法是：n个测量基站C1、C2、…、Cn中，任意两个测量基站之间的距离可由激光测距或无线测距方法获得，第一次标定将测量基站C1设定为空间坐标系的原点，并由此次测得任意两个测量基站之间的距离，再按式（10）解算出各测量基站的坐标，且设定由它们构成坐标向量 a 1 = ( ( x 1 1 , y 1 1 , z 1 1 ) , ( x 2 1 , y 2 1 , z 2 1 ) , . . . , ( x n 1 , y n 1 , z n 1 ) ) ; x k = 0 y k = 0 z k = 0 ( x s - x t ) 2 + ( y s - y t ) 2 + ( z s - z t ) 2 = d st 2 - - - ( 10 ) 式(10)中：dst=(dij+dij)/2，i=s，j=t且t>s，s=1,2,...,n‑1，t=2,3,..,n；dij为第i个测量基站与第j个测量基站之间的距离，i=1,2,…，n；j=1,2,…，n,n为测量基站个数；i≠j；(xs,ys,zs)和(xt,yt,zt)分别为第s个测量基站的空间坐标和第t个测量基站的空间坐标，且t>s，s=1,2,...,n‑1，t=2,3，..,n,n为测量基站个数；(xk,yk,zk)为第k个测量基站被设为的空间坐标系的原点，k＝1,2,…,n，n为测量基站个数；第二次标定将测量基站C2设定为空间坐标系的原点，由此次测得任意两个测量基站之间的距离，再按式（10）解算出各测量基站的坐标，且设定由它们构成坐标向量 a 2 = ( ( x 1 2 , y 1 2 , z 1 2 ) , ( x 2 2 , y 2 2 , z 2 2 ) , . . . , ( x n 2 , y n 2 , z n 2 ) ) ; 重复上述操作过程直至第n次标定结束， 即解算出以测量基站Cn为原点下的各测量基站的坐标，且设定由它们构成坐标向量 a n = ( ( x 1 n , y 1 n , z 1 n ) , ( x 2 n , y 2 n , z 2 n ) , . . . , ( x n n , y n n , z n n ) ) ; 将所述n次标定所得到的所有坐标向量分别变换到以测量基站C1为空间坐标系的原点下的坐标向量，再对所有经变换后得到的坐标向量取平均值作为最终标定结果。