激光跟踪测量系统误差分析与补偿方法研究.pdfVIP

摘要

激光跟踪测量系统是大型装备制造装配的关键辅助工具，它可以大范围且

高精度的对运动目标进行跟踪与三维坐标测量。然而，由于仪器构造复杂，难

以避免的光机几何误差会导致百微米至毫米量级的坐标测量误差，建立误差补

偿模型对系统进行误差补偿是研制激光跟踪仪的必备关键技术，也是核心商业

机密。当前，未有推导过程详细且参数辨识算法明确的误差补偿模型被公开，

其已经成为国产高端激光跟踪仪研发的技术瓶颈之一。

本文针对有跟踪转镜式激光跟踪测量系统的几何误差分析与补偿方法展开

研究，旨在搭建一套激光跟踪测量系统并提升系统的坐标测量精度，主要内容

如下：

针对现有激光跟踪测量系统误差补偿模型的误差机理描述不全面、分析推

导过程未公开的问题，基于单项分析法全面分析推导有跟踪转镜式激光跟踪测

量系统的光机几何误差模型，结果与经典Leica-KL模型吻合。并以此为基础对

影响系统坐标测量误差的各个光机几何误差参数进行定量仿真分析，以仿真分

析结果指导系统的光机结构设计，严格约束光机结构的机械公差参数，有效限

制了圆光栅、跟踪转镜、回转轴系和激光束的偏移和倾斜误差。

针对PSD跟踪探测合作靶标位移出现测量耦合的问题，利用旋转坐标系法

建立合作靶标运动与跟踪的理论模型，并设计相关控制电路实现合作靶标位移

的解耦运算，最终集成研制完整的激光跟踪测量系统，系统可在距离0.2~10m、

偏摆角0~360°、俯仰角45°~130°的范围内对合作靶标实现稳定跟踪，验证了合

作靶标运动测量解耦模型的正确性。

针对圆光栅转角测量误差是制约三维坐标测量精度的关键问题，利用对径

安装双读数头有效抑制转角测量误差。设计双路绝对式圆光栅Biss-C读数头数

据融合电路，确保双读数头测量后的运算结果可被电机控制器单路角度反馈接

口所读取，并利用多面棱体与自准直仪标定圆光栅测角误差，采用谐波拟合建

立测量误差补偿模型，有效抑制圆光栅的高阶误差，将圆光栅的角度测量误差

从18.5″降低至1.3″以内。

针对系统几何误差参数多、辨识难度高的问题，借助长度稳定的短标尺完

成测量点直线约束方程的建立，基于信赖域反射最小二乘法对本文所研制的激

光跟踪测量系统进行几何误差参数辨识，完整建立了系统的误差补偿模型。

最后，基于上述内容搭建了激光跟踪测量系统并进行性能测试，点对点长

度测量误差实验结果表明系统的坐标测量误差低于100μm+60μm/m。

关键词：激光跟踪测量；单项分析法；直线约束；参数辨识

Abstract

Lasertrackingmeasurementsystemisakeyauxiliarytoolforlarge-scale

equipmentmanufacturingandassembly,whichcantrackmovingtargetsandmeasure

three-dimensionalcoordinatesinalargerangeandwithhighaccuracy.However,due

tothecomplexstructureoftheinstrument,unavoidableopticalandmechanical

geometricerrorscanleadtocoordinatemeasurementerrorsrangingfromhundreds

ofmicrometerstomillimeters.Establishinganerrorcompensationmodelforsystem

errorcompensationisanessentialkeytechnologyinthedevelopmentoflasertrackers

andacoretradesecret.Currently,noerrorcompensationmodelwithdetailed

derivationprocessandclearparameteridentificationalgorithmhasbeenpub