1 绪论
1.1 课题研究背景
激光扫描式大空间动态测量定位技术是一种用于工业、工程等测量定位现场的大尺寸空间三维坐标测量技术，其具备智能化、网络化、自动化的特性，专门针对现场应用中3m 至 20m 甚至百余米范围的定位、测量任务需求而设计，是激光扫描式大空间静态测量定位技术的迭代升级。
动态测量定位技术应用在被测对象随时间推移而产生空间位置变化的场景中，作为静态测量技术的迭代升级，动态测量定位技术的指标实现难度更大，技术综合性更强。目前，动态测量定位技术已经涉及精密机械设计技术、电气自动化技术、多传感器融合技术、大数据分析与图像处理技术等诸多专业领域，且涵盖范围仍然在随技术革新的潮流而不断扩张。伴随着我国大型装备制造业的发展，大空间动态测量定位技术在刺激国民经济发展的工业装备需求中体现出重要的战略地位[1-3]。
在众多大尺寸三坐标测量技术中，全站式技术和分布式技术成为现今的主流分类，两种技术都分别发展出了针对动态应用场景的测量方法。但是，随着大型装备制造业对大空间测量定位系统的动态性能需求日渐增长，具有动态定位、测量、跟踪、导航功能需求，特别是自动化定位加工、数字化装配对接、多目标多产线同时工作等要求的任务逐渐增多，全站式测量系统因为测量原理、适用场景等因素的限制逐渐无法满足使用需求，因而分布式测量系统开始占据重要市场地位。
典型的动态测量定位应用场景有：航空航天器的动态装配对接、大型船舶构件的自动化生产制造、工业移动机器人编队与定位导航等，面临的问题如下文所述。
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1.2 课题研究意义
中国的经济发展要维持中高速增长的长期势态，必须尽快迈向中高端技术领域，必须加速全面推进“中国制造 2025”进程。国家总理李克强在 2015 年 6 月召开的工业和信息化部座谈会上说：“‘中国制造 2025’核心，应该是主打‘中国装备’”。由此可见，在我国应对德国“工业 4.0”发展进程的长期策略制定上，即“中国制造 2025”计划安排中，“中国装备”的大力研发将占据主要的发展地位，“国产替代，自主创新”将是未来我国制造业装备发展的新特性与新标杆。
党的十八大以来，习近平总书记把创新摆在国家发展全局的核心位置，高度重视科技创新，扎实推动国家创新驱动发展战略。2020 年的中央经济工作会议上，总书记提出了“尽快解决一批‘卡脖子’问题”的要求，号召各行业“尽快突破关键核心技术”。
在大尺寸测量领域，我国一直缺少先进的国产测量设备，国内制造业的大量设备需求只能依赖进口。在我国制造业飞速发展的当下，许多国外高端设备对中国设置了重重限制，禁售、禁运的消息不断发出，这其中就包含大尺寸空间动态测量定位设备。面对关键测量设备被“卡脖子”的痛苦境遇，本课题积极研制 ALPS 测量系统是对大尺寸测量定位技术的原始积累，意图是研发重要的国产替代产品来应对国外的高端技术出口封锁，这项课题的最终成果能够推动我国科技创新的发展进程，具有重要的理论与现实意义。
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2 大空间测量场动态测量定位原理与误差分析
2.1 ALPS 测量定位原理
精密激光定位系统(ALPS)是在旋转激光经纬仪[56] (Rotary-laser automatic theodolites, R-LATs)的基础上发展的一种更加完备的定位测量系统，两者都是基于旋转激光扫描交会测量原理研发的，同属于大尺寸测量技术中分布式测量定位技术的分类中。ALPS 的系统构成如图 2-1 所示。
图 2-1 ALPS 系统构成
在激光扫描交会式大空间测量定位技术中，ALPS 发射机负责在工作空间内建立测量场，最少需要两台发射机即可建立 40m 直径范围的测量场空间，现场应用中一般使用多台发射机组合建场以获得更加稳定的测量性能。每台 ALPS 发射机都有旋转头机构，其中垂直安装两个扇面激光器，系统启动后旋转头旋转，整个工作空间内有多束激光扇面循环扫描，构成了 ALPS 激光扫描测量场。
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2.2 ALPS 动态测量误差机理分析
ALPS 系统是一种空间多位置点、多观测量的三维坐标测量系统，在并行测量能力与测量空间拓展能力上性能优势极为突出。但是，基于旋转激光交会测量原理同样导致它易受到反射光、环境光、载体运动等因素的干扰。在动态测量中，单台发射机两个激光扇面的异步关系以及多台发射机之间的时间基准异步关系成为主要的误差因素。
图 2-6 静态场景特征角提取 图 2-7 动态场景特征角提取
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3 ALPS/IMU 融合系统的标定技术与定位方法研究...................................... 27
3.1 ALPS/IMU 融合系统的动态测量定位原理 ................................... 27
3.2 ALPS 单帧数据快速解算方法 ........................................... 28
3.3 ALPS/IMU 融合测量的标定技术 .......................................... 31
4 基于 ZYNQ 的动态定位数据处理硬件平台设计 .................................... 45
4.1 基于 ZYNQ 的数据处理硬件电路板卡设计 ..................................... 45
4.1.1 Zynq-7000 SoC 体系结构简介 ...................................... 45
4.1.2 硬件平台框架设计 .................................... 47
5 ALPS/IMU 动态测量定位系统性能验证实验 .................................. 55
5.1 ALPS 测量系统部署与初始化 ......................................... 55
5.2 ALPS 单帧解算精度与速度性能验证实验 ................................... 56
5.3 ALPS/IMU 融合系统标定实验 ......................... 59
5 ALPS/IMU 动态测量定位系统性能验证实验
5.1 ALPS 测量系统部署与初始化
ALPS 系统相关的测量定位功能都是基于 ALPS 测量场实现的，因此实验环境搭建的基础即为合理的测量场建立。对于分布式测量系统而言，测站的合理分配部署方法是极为重要的，然而本文的实验条件有限，现有的 ALPS 发射机无法满足 4 台测站综合建立测量场的要求，因此挑选两台性能稳定（旋转头转动误差在±5″内的旋转周期占比达到 95%）的发射机进行实验环境的搭建。
如图 5-2 所示，在实验空间内部署两台 ALPS 发射机，分别称为 0 号与 1 号发射机，确保两台发射机间的相对距离大于 2m，发射机与接收器之间没有障碍物阻挡；使用遮光毯覆盖测量场中易反光的物体，如瓷砖地面、金属工具架等；启动发射机，待旋转稳定后使用 ALPS 标定杆进行现场外参数标定，以其中一台发射机的测量坐标系作为测量场的坐标系，以确定测量场的固有参数；等待外参数标定，调整遮光毯的展开位置，确保没有反光、折射等因素的干扰，直至标定过程完成；移除 ALPS 标定杆，使用测量线缆分别连接 ALPS 光电接收器与 Zynq 处理平台，以及 Zynq 处理平台与上位机，确保 Zynq 处理平台硬件板卡的供电电池安装正确，启动后供电正常；使用上位机解算获取 Zynq 处理平台解算的接收器点位特征角数据而得到接收器的空间位置，再次观察单个光电接收器的测量数据，确认空间位置数据稳定输出无跳变，可认为 ALPS 空间测量场部署完成。
图 5-2 ALPS 系统测量场部署
6 结论与展望
6.1 课题结论
本文在分析 ALPS 系统特性与测量定位原理的基础上，研究了 ALPS 在动态测量定位场景中单测站、多测站系统测量误差的组成与补偿方法。通过推导 IMU 在惯性导航系统应用中的速度、位置与姿态的算法方程，研究了 IMU 在 ALPS 测量场坐标系下的数据补偿方法。
本文研究了 ALPS 系统与 IMU 融合的初始对准与坐标系统一标定过程，借助 PTC Creo 三维建模软件建立物理模型，提取标定参数的理论空间坐标和转换关系，利用MATLAB 建模生成多组理论数据对系统融合的标定过程进行数据仿真。通过 PTC Creo 物理建模与 MATLAB 数据仿真共同验证了 ALPS 系统与 IMU 融合的初始对准和坐标系统一的原理正确性。
本文以松耦合-直接法列写了 ALPS 与 IMU 融合系统的状态方程，使用扩展卡尔曼滤波的理论设计了一种量测信息融合的方法。该方法使用 ALPS 坐标结果作为融合系统后验过程的量测修正值，以此修正值定期更新基于 IMU 测量数据的融合系统状态估计。在室内装配对接等速度平缓的动态场景下，通过融合系统的测量轨迹拟合仿真验证了算法实现性，得到松耦合-直接法的扩展卡尔曼滤波即可满足使用需求的结论。
为在板级实现利用 ALPS 坐标数据修正融合系统后验过程中的状态估计，本文设计了一种可嵌入的 ALPS 单帧数据解算方法，并设计了基于 Zynq 的高性能数据采集处理前端，实现了 ALPS 与 IMU 融合系统采集处理前端的驱动程序固化，完成了处理器硬件板卡的结构封装，形成了一款与 ALPS 系统配套的硬件设备。
最后，文章设计了融合系统的标定与轨迹拟合实验，使用数据采集处理前端对数据进行快速解算输出给上位机，获得了系统标定与直线拟合的真实数据，进一步验证，采用空间旋转轴线约束的系统坐标系统一方法与基于扩展卡尔曼滤波的数据融合方法分别可以达到测量误差±0.537°与±2.388mm 的技术水平，验证了文章理论的可行性。
参考文献（略）