網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，提供一種使用二維標(biāo)定桿以線性和非線性結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局標(biāo)定，具體步驟為：(1)建立發(fā)射機(jī)模型；(2)布置發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置轉(zhuǎn)速；(3)放置光電傳感器，并建立發(fā)射機(jī)坐標(biāo)系；(4)劃分標(biāo)定單元，并采集標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)；(5)建立發(fā)射機(jī)透視投影模型，并進(jìn)行點(diǎn)集坐標(biāo)變換；(6)計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣和單位平移矢量；(7)確定比例因子，計(jì)算平移矩陣；(8)進(jìn)行全局優(yōu)化，得到最終旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。本發(fā)明操作過程簡(jiǎn)單可行，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度和工作效率，并降低了系統(tǒng)成本。
【專利說明】
網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及大尺寸空間測(cè)量方法設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體地，設(shè)及一種網(wǎng)絡(luò)化大尺寸 空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空、航天、船舶W及汽車等大型產(chǎn)品部件裝配及大部件對(duì)接裝配對(duì)精度定 位、位置實(shí)時(shí)測(cè)控的要求日益提高，大尺寸空間數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用技術(shù)受到工業(yè)界 和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前在國(guó)際上應(yīng)用比較成熟的大尺寸測(cè)量技術(shù)主要包括激光跟蹤儀 測(cè)量系統(tǒng)、大視場(chǎng)視覺測(cè)量系統(tǒng)W及經(jīng)締儀測(cè)量系統(tǒng)等。
[0003] 網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型大尺寸測(cè)量技術(shù)，其主要由 多個(gè)測(cè)量基站構(gòu)成，可同時(shí)監(jiān)測(cè)大型被測(cè)物的各個(gè)部件，實(shí)時(shí)性高，并行性好，通過增加基 站的方式協(xié)調(diào)了測(cè)量精度與大空間的矛盾，應(yīng)用前景廣泛。在進(jìn)行測(cè)量之前，需要對(duì)該系統(tǒng) 進(jìn)行標(biāo)定，而現(xiàn)有的標(biāo)定方法通常使用其它輔助測(cè)量設(shè)備，操作過程較繁瑣，而且會(huì)增加成 本，不利于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法， 其特征是，包括如下步驟：
[0006] (1)在勻速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝兩個(gè)線性激光器形成發(fā)射機(jī)，所述線性激光器發(fā)出兩 道具有固定角度的扇形激光平面和LED脈沖信號(hào)，所述LED脈沖信號(hào)作為所述扇形激光平面 旋轉(zhuǎn)的初始時(shí)刻；
[0007] (2)在測(cè)量空間布置若干個(gè)如步驟(1)中的所述發(fā)射機(jī)形成發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)，給第一臺(tái) 發(fā)射機(jī)分別設(shè)置一個(gè)起始轉(zhuǎn)速，其它發(fā)射機(jī)增加一個(gè)轉(zhuǎn)速增量，并對(duì)每臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行編號(hào)； [000引（3)在所述發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)前方放置一個(gè)光電傳感器，建立各發(fā)射機(jī)坐標(biāo)系，所述坐標(biāo) 系W激光平面在旋轉(zhuǎn)軸上的交點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，沿發(fā)射機(jī)旋轉(zhuǎn)軸向下為Y軸正向，W第一 個(gè)激光平面掃過所述光電傳感器時(shí)與水平面的交線為Z軸正向，通過右手定則確定X軸方 向；
[0009] (4)將所述發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)的每?jī)膳_(tái)發(fā)射機(jī)作為一個(gè)標(biāo)定單元，并W-號(hào)發(fā)射機(jī)坐標(biāo) 系作為世界坐標(biāo)系，用固定長(zhǎng)度的標(biāo)定桿采集標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)；
[0010] (5)建立發(fā)射機(jī)透視投影模型，計(jì)算標(biāo)定點(diǎn)在投影平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行點(diǎn) 集坐標(biāo)變換，模型如下：
[0011] Mn =SnTsn 和 Mn = SnTsn
[0012] 其中，Pn:第n臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)變換之前發(fā)射機(jī)投影平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)；
[0013] Pn' ：第n臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)變換之后發(fā)射機(jī)投影平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)；
[0014] Mn:第n臺(tái)發(fā)射機(jī)的點(diǎn)集坐標(biāo)變換矩陣；
[001引Sn:第n臺(tái)發(fā)射機(jī)的坐標(biāo)縮放變換矩陣
[0016] do是點(diǎn)集中各點(diǎn)到圖像原點(diǎn)的平均距離；
[0017] Tsn:第n臺(tái)發(fā)射機(jī)的坐標(biāo)平移變換矩陣：
（Tx Ty)T是點(diǎn)集質(zhì)屯、坐 標(biāo)；
[0018] (6)計(jì)算第(5)得到的點(diǎn)集質(zhì)屯、矩陣，并分解該矩陣，利用物理篩選和Sampson距離 最小約束剔除偽解，得到旋轉(zhuǎn)矩陣和單位平移矢量；
[0019] (7)根據(jù)第(6)步篩選得到的正確的旋轉(zhuǎn)矩陣和單位平移矢量，并W標(biāo)定桿長(zhǎng)度為 約束，確定平移矢量的比例因子，得到平移矩陣；
[0020] (8) W第(4)~（7)步依次計(jì)算每臺(tái)發(fā)射機(jī)與一號(hào)發(fā)射機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣， 并用該旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣作為初值，W非線性優(yōu)化的方法得到最終的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩 陣，優(yōu)化模型如下：
[0021]
[0022] 其中，N:標(biāo)定桿采集數(shù)據(jù)次數(shù)；
[0023] Li:標(biāo)定桿長(zhǎng)度計(jì)算值；
[0024] ^標(biāo)定桿長(zhǎng)度真實(shí)值；
[0025] 優(yōu)選地，所述第(2)步中的起始轉(zhuǎn)速為2000r/min，轉(zhuǎn)速增量為l(K)r/min。
[0026] 優(yōu)選地，所述勻速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
[0027] 優(yōu)選地，其特征在于，所述勻速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)W逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0029] 線性與非線性相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全局標(biāo)定，保證了求解參數(shù)為全局最 優(yōu)，且求解速度快，保證了系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定精度；
[0030] 操作簡(jiǎn)單，提高了工作效率。
【附圖說明】
[0031] 通過閱讀參照W下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0032] 圖1為發(fā)射機(jī)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2為發(fā)射機(jī)的俯視示意圖；
[0034] 圖3為發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)系示意圖；
[0035] 圖4為發(fā)射機(jī)透視投影模型示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。W下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不W任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可W做出若干變形和改進(jìn)。運(yùn)些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0037] 參見附圖1至4,網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，包括W下步驟：
[0038] (1)在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部安裝兩個(gè)紅色線性激光器，并在交流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞旋 轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)，工作時(shí)向空間內(nèi)發(fā)出兩道具有固定角度的扇形激光平面和Lm)脈沖 信號(hào)，LED脈沖信號(hào)作為激光平面旋轉(zhuǎn)的初始時(shí)刻；
[0039] (2) W四臺(tái)發(fā)射機(jī)為例，根據(jù)測(cè)量空間布置發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)，給各臺(tái)發(fā)射機(jī)分別設(shè)置一 個(gè)轉(zhuǎn)速，分別是2000以111111、210化/111111、220化/111111、230化/111111，并對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行編號(hào)分別是 一號(hào)發(fā)射機(jī)1、二號(hào)發(fā)射機(jī)2、=號(hào)發(fā)射機(jī)3、四號(hào)發(fā)射機(jī)4;
[0040] (3)在發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)前方放置一個(gè)光電傳感器，建立各發(fā)射機(jī)坐標(biāo)系，具體方法是W 激光平面在旋轉(zhuǎn)軸上的交點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，沿發(fā)射機(jī)旋轉(zhuǎn)軸向下為Y軸正向，W激光平面1 掃過光電傳感器時(shí)與水平面的交線為Z軸正向，通過右手定則確定X軸方向；
[0041] (4) W-號(hào)發(fā)射機(jī)坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系，每?jī)膳_(tái)發(fā)射機(jī)作為一個(gè)標(biāo)定單元，分別 是:一號(hào)發(fā)射機(jī)和二號(hào)發(fā)射機(jī)為標(biāo)定單元i，一號(hào)發(fā)射機(jī)和=號(hào)發(fā)射機(jī)為標(biāo)定單元ii，一號(hào) 發(fā)射機(jī)和四號(hào)發(fā)射機(jī)為標(biāo)定單元i i i，用固定長(zhǎng)度的標(biāo)定桿采集標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)；
[0042] (5) W標(biāo)定單元i為例，建立發(fā)射機(jī)透視投影模型，計(jì)算標(biāo)定點(diǎn)在投影平面上的投 影點(diǎn)坐標(biāo)，并通過平移變換和縮放變換進(jìn)行投影點(diǎn)集坐標(biāo)變換，W-號(hào)發(fā)射機(jī)為例，模型如 下：
[0043] Pi'=化Pi 和化=SiTsi
[0044] 其中，Pi:進(jìn)行坐標(biāo)變換之前發(fā)射機(jī)投影平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)；
[0045] Pi' ：進(jìn)行坐標(biāo)變換之后發(fā)射機(jī)投影平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)；
[0046] Mi:發(fā)射機(jī)的點(diǎn)集坐標(biāo)變換矩陣；
[0047] Si:發(fā)射機(jī)的坐標(biāo)縮放變換矩陣
[0048] do是點(diǎn)集中各點(diǎn)到圖像原點(diǎn)的平均距離；
[0049] Tsi:發(fā)射機(jī)的坐標(biāo)平移變換矩[ (Tx Ty)T是 9
[(K)加]點(diǎn)集質(zhì)屯、坐標(biāo)；
[0051 ]因此，對(duì)于第n臺(tái)發(fā)射機(jī)：
[0化2] Mn =SnTsn 和 Mn = SnTsn
[0053] (6)計(jì)算本質(zhì)矩陣，并分解本質(zhì)矩陣，利用物理篩選和Sampson距離最小約束剔除 偽解，得到正確的旋轉(zhuǎn)矩陣和單位平移矢量，具體步驟如下：
[0054] I.根據(jù)第5步中得到的經(jīng)過點(diǎn)集坐標(biāo)變換的投影點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算系數(shù)矩陣；
[0055] II.利用奇異值分解分解系數(shù)矩陣，得到經(jīng)過點(diǎn)集坐標(biāo)變換后的本質(zhì)矩陣，并通過 點(diǎn)集坐標(biāo)逆變換之前的本質(zhì)矩陣；
[0056] III.利用奇異值分解分解II中得到的坐標(biāo)變換前的本質(zhì)矩陣，得到旋轉(zhuǎn)矩陣和單 位平移矢量；
[0化7] IV.通過物理篩選和Sampson距離最小約束剔除III中的偽解，得到正確的旋轉(zhuǎn)矩 陣和單位平移矢量，模型如下：
[0化引物理篩選:保證標(biāo)定點(diǎn)在兩臺(tái)發(fā)射機(jī)的前方，即幻>0且Z2>0;
[0059] Sampson距離最小約束:保證在透視投影模型中，投影點(diǎn)到極線。和1^2的距離最?。?br>[0060] (7)根據(jù)第6步篩選得到的正確的旋轉(zhuǎn)矩陣和單位平移矢量，并W標(biāo)定桿長(zhǎng)度為約 束，確定平移矢量的比例因子，得到平移矩陣；
[0061] (8) W第4~7步依次計(jì)算每個(gè)標(biāo)定單元的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，并用該旋轉(zhuǎn)矩陣 和平移矩陣作為初值，W非線性優(yōu)化的方法得到最終的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，優(yōu)化模型如 下：
[0062；
[0063] 其中，N:標(biāo)定桿采集數(shù)據(jù)次數(shù)；
[0064] 標(biāo)定桿長(zhǎng)度計(jì)算值；
[0(?日]^標(biāo)定桿長(zhǎng)度真實(shí)值。
[0066] W上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可W在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，運(yùn)并不影 響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 在勻速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝兩個(gè)線性激光器形成發(fā)射機(jī)，所述線性激光器發(fā)出兩道具 有固定角度的扇形激光平面和LED脈沖信號(hào)，所述LED脈沖信號(hào)作為所述扇形激光平面旋轉(zhuǎn) 的初始時(shí)刻； (2) 在測(cè)量空間布置若干個(gè)如步驟（1)中的所述發(fā)射機(jī)形成發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)，給第一臺(tái)發(fā)射 機(jī)分別設(shè)置一個(gè)起始轉(zhuǎn)速，其它發(fā)射機(jī)增加一個(gè)轉(zhuǎn)速增量，并對(duì)每臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行編號(hào)； (3) 在所述發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)前方放置一個(gè)光電傳感器，建立各發(fā)射機(jī)坐標(biāo)系，所述坐標(biāo)系以 激光平面在旋轉(zhuǎn)軸上的交點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)，沿發(fā)射機(jī)旋轉(zhuǎn)軸向下為Y軸正向，以第一個(gè)激光 平面掃過所述光電傳感器時(shí)與水平面的交線為Z軸正向，通過右手定則確定X軸方向； (4) 將所述發(fā)射機(jī)網(wǎng)絡(luò)的每?jī)膳_(tái)發(fā)射機(jī)作為一個(gè)標(biāo)定單元，并以一號(hào)發(fā)射機(jī)坐標(biāo)系作 為世界坐標(biāo)系，用固定長(zhǎng)度的標(biāo)定桿采集標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)； (5) 建立發(fā)射機(jī)透視投影模型，計(jì)算標(biāo)定點(diǎn)在投影平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行點(diǎn)集坐 標(biāo)變換，模型如下： Mn = SnTsn 和 Mn=SnTsn 其中，Pn :第η臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)變換之前發(fā)射機(jī)投影平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)； Ρ、:第η臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)變換之后發(fā)射機(jī)投影平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)； Μη:第η臺(tái)發(fā)射機(jī)的點(diǎn)集坐標(biāo)變換矩陣： Sn:第η臺(tái)發(fā)射機(jī)的坐標(biāo)縮放變換矩陣- -j - 9 do是點(diǎn)集中各點(diǎn)到圖像原點(diǎn)的平均距離； TSnjn臺(tái)發(fā)射機(jī)的坐標(biāo)平移變換矩陣（Tx Ty)T是點(diǎn)集質(zhì)心坐標(biāo)； (6) 計(jì)算第(5)得到的點(diǎn)集質(zhì)心矩陣，并分解該矩陣，利用物理篩選和Sampson距離最小 約束剔除偽解，得到旋轉(zhuǎn)矩陣和單位平移矢量； (7) 根據(jù)第(6)步篩選得到的正確的旋轉(zhuǎn)矩陣和單位平移矢量，并以標(biāo)定桿長(zhǎng)度為約 束，確定平移矢量的比例因子，得到平移矩陣； (8) 以第(4)~（7)步依次計(jì)算每臺(tái)發(fā)射機(jī)與一號(hào)發(fā)射機(jī)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，并用 該旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣作為初值，以非線性優(yōu)化的方法得到最終的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣， 優(yōu)化模型如下：其中，N:標(biāo)定桿采集數(shù)據(jù)次數(shù)； U:標(biāo)定桿長(zhǎng)度計(jì)算值； L:標(biāo)定桿長(zhǎng)度真實(shí)值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其特征在于，所 述第(2)步中的起始轉(zhuǎn)速為2000r/min，轉(zhuǎn)速增量為100r/min。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其特征在于，所 述勻速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的網(wǎng)絡(luò)化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法，其 特征在于，所述勻速旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G01C15/00GK105953755SQ201610049354
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年1月25日
【發(fā)明人】方紅根, 郭立杰
【申請(qǐng)人】上海航天設(shè)備制造總廠