一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法，包括如下步驟：1)建立全局坐標(biāo)系OGXGYGZG，在待測的大尺度部件上設(shè)置一個局部坐標(biāo)系OLXLYLZL；2)在待測的大尺度部件上設(shè)置N個位姿測量目標(biāo)點(diǎn)；3)根據(jù)部件的理論三維模型提取出在全局坐標(biāo)系下部件的理論位姿與目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)理論值；4)利用數(shù)字化測量系統(tǒng)對N個位姿測量目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測量，得到它們在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)實(shí)測值及測量不確定度；5)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)理論值與實(shí)測值及測量不確定度計(jì)算出部件的理論位姿與實(shí)測位姿間的偏差；6)根據(jù)部件在全局坐標(biāo)系下的理論位姿以及其與實(shí)測位姿間的偏差計(jì)算得到部件的實(shí)測位姿，實(shí)現(xiàn)大尺度部件實(shí)測位姿的擬合。
【專利說明】一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及部件位姿擬合方法，尤其涉及一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在航空、航天、船舶等復(fù)雜產(chǎn)品制造領(lǐng)域，為完成產(chǎn)品裝配并保證質(zhì)量，需要對飛機(jī)機(jī)身、衛(wèi)星艙段、船體分段等大尺度部件進(jìn)行位姿精確調(diào)整；通過測量大尺度部件結(jié)構(gòu)上的特征點(diǎn)坐標(biāo)并擬合得到部件實(shí)測位姿，是實(shí)現(xiàn)大尺度部件位姿調(diào)整的前提。傳統(tǒng)的大部件對接裝配過程中，通常在部件結(jié)構(gòu)上設(shè)置幾個關(guān)鍵特征點(diǎn)，對這些特征點(diǎn)進(jìn)行測量，通過比較它們之間的相對位置確定部件姿態(tài)的偏移形式和調(diào)整方向。以飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼對接裝配為例，在機(jī)身和機(jī)翼上分別設(shè)置有多個水平測量點(diǎn)，在對接之間，采用經(jīng)緯儀測量各水平測量點(diǎn)的高度，基于它們之間的高度差計(jì)算機(jī)翼的上反角、安裝角等參數(shù)是否滿足要求，并確定機(jī)身與機(jī)翼當(dāng)前位姿，進(jìn)而通過手動調(diào)整工裝將機(jī)身與機(jī)翼調(diào)至水平，最終實(shí)現(xiàn)對接。顯然，上述過程不僅效率低下，而且準(zhǔn)確度難以保證，通常需要多次重復(fù)調(diào)整，才能保證對接質(zhì)量滿足產(chǎn)品要求。隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和裝配技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜產(chǎn)品大部件裝配也朝著數(shù)字化的方向發(fā)展。
[0003]國外先進(jìn)數(shù)字化裝配技術(shù)的一個主要特征就是，在裝配階段越來越多地采用數(shù)字化測量技術(shù)，以獲取特征點(diǎn)在三維空間的坐標(biāo)，進(jìn)而基于這些特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)求解大尺度部件實(shí)測位姿?；跀?shù)字化測量數(shù)據(jù)求解部件位姿，不僅具有高效率高精度的特點(diǎn)，而且便于與自動化裝配系統(tǒng)進(jìn)行集成，是復(fù)雜產(chǎn)品裝配技術(shù)發(fā)展的趨勢。在國外，波音、空客等公司已廣泛采用基于數(shù)字化測量的自動裝配技術(shù)，以提高裝配質(zhì)量，縮短裝配周期(于勇，陶劍，范玉青，航空制造技術(shù)，2009年14期)；國內(nèi)航空航天制造企業(yè)也逐步引進(jìn)類似技術(shù)，在產(chǎn)品研制過程中展開應(yīng)用探索(雷源忠，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009年第5期)。
[0004]針對基于目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)字化測量數(shù)據(jù)的部件位姿擬合方法，文獻(xiàn)“基于鞍點(diǎn)規(guī)劃理論的機(jī)翼水平位姿評估方法”(張斌，姚寶國，柯映林，浙江大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版，2009年第10期)綜合運(yùn)用奇異值分解法和單純形法實(shí)現(xiàn)了位姿求解；文獻(xiàn)“飛機(jī)大部件對接中的位姿計(jì)算方法”(羅芳，鄒方，周萬勇，航空制造技術(shù)，2011年第3期)對比了奇異值分解法、三點(diǎn)法和最小二乘法，并提出了以三點(diǎn)法的計(jì)算結(jié)果為初值，采用最小二乘法迭代求解位姿的方法；文獻(xiàn)“基于去離群點(diǎn)策略提高目標(biāo)位姿測量精度”(趙汝進(jìn)，張啟衡，左顥睿等，光學(xué)學(xué)報(bào)，2009年第9期)提出了一種去離群點(diǎn)策略，以提高位姿求解結(jié)果的精度。
[0005]已有的大尺度部件位姿擬合方法通常將特征點(diǎn)在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)測量值與其在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)理論值進(jìn)行比較以直接得到實(shí)測位姿，因此要求首先確定部件的局部坐標(biāo)系，然后進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)測量，并需要采用坐標(biāo)系變換將其測量數(shù)據(jù)從全局坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到部件局部坐標(biāo)系下，不僅增加了計(jì)算過程，帶來額外的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換誤差，而且一旦部件局部坐標(biāo)系發(fā)生變化，需要重新進(jìn)行全部計(jì)算過程；另一方面，傳統(tǒng)位姿擬合方法等同對待各個目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)測量結(jié)果，而沒有考慮了在大尺度范圍內(nèi)，各個目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)測量不確定度不完全相同，即各個目標(biāo)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)可信性不同，對于不確定度大的目標(biāo)點(diǎn)，其測量數(shù)據(jù)異常的概率較大，將給位姿擬合結(jié)果帶來無法預(yù)估的影響。針對傳統(tǒng)方法存在的問題，需要研究并實(shí)現(xiàn)了一種新的基于目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)及測量不確定度的大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法。
[0007]本發(fā)明的具體技術(shù)方案是:一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法，包括如下步驟:I)建立全局坐標(biāo)系OeXeYeZe,在待測的大尺度部件⑴上設(shè)置一個局部坐標(biāo)系
[0008]2)在待測的大尺度部件⑴上設(shè)置N個位姿測量目標(biāo)點(diǎn)⑵；
[0009]3)根據(jù)部件(I)的理論三維模型提取出在全局坐標(biāo)系下部件(I)的理論位姿與目標(biāo)點(diǎn)⑵的坐標(biāo)理論值；
[0010]4)利用數(shù)字化測量系統(tǒng)對N個位姿測量目標(biāo)點(diǎn)⑵進(jìn)行測量，得到它們在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)實(shí)測值及測量不確定度；
[0011]5)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)(2)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)理論值與實(shí)測值及測量不確定度計(jì)算出部件(I)的理論位姿與實(shí)測位姿間的偏差；
[0012]6)根據(jù)部件(I)在全局坐標(biāo)系下的理論位姿以及其與實(shí)測位姿間的偏差計(jì)算得到部件(I)的實(shí)測位姿，實(shí)現(xiàn)大尺度部件實(shí)測位姿的擬合。
[0013]所述的根據(jù)部件(I)的理論三維模型提取出在全局坐標(biāo)系下部件(I)的理論位姿與目標(biāo)點(diǎn)(2)的坐標(biāo)理論值的步驟:
[0014]I)用部件⑴的局部坐標(biāo)系OJJA相對于全局坐標(biāo)系OeXeYeZe的旋轉(zhuǎn)向量和平移向量所構(gòu)成的4X4的矩陣來表示部件(I)的位姿，見式(I):
【權(quán)利要求】
1.一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法，包括如下步驟: 1)建立全局坐標(biāo)系OeXeYeZe,在待測的大尺度部件(I)上設(shè)置一個局部坐標(biāo)系； 2)在待測的大尺度部件⑴上設(shè)置N個位姿測量目標(biāo)點(diǎn)⑵； 3)根據(jù)部件(I)的理論三維模型提取出在全局坐標(biāo)系下部件(I)的理論位姿與目標(biāo)點(diǎn)(2)的坐標(biāo)理論值； 4)利用數(shù)字化測量系統(tǒng)對N個位姿測量目標(biāo)點(diǎn)(2)進(jìn)行測量，得到它們在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)實(shí)測值及測量不確定度； 5)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)(2)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)理論值與實(shí)測值及測量不確定度計(jì)算出部件(I)的理論位姿與實(shí)測位姿間的偏差； 6)根據(jù)部件(I)在全局坐標(biāo)系下的理論位姿以及其與實(shí)測位姿間的偏差計(jì)算得到部件(I)的實(shí)測位姿，實(shí)現(xiàn)大尺度部件實(shí)測位姿的擬合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法，其特征在于，所述的根據(jù)部件(I)的理論三維模型提取出在全局坐標(biāo)系下部件(I)的理論位姿與目標(biāo)點(diǎn)(2)的坐標(biāo)理論值的步驟: 1)用部件(I)的局部坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系OeXeYeZe的旋轉(zhuǎn)向量和平移向量所構(gòu)成的4X4的矩陣來表示部件(I)的位姿，見式(I):
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法，其特征在于，所述的根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)(2)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)理論值與實(shí)測值及測量不確定度計(jì)算出部件(I)的理論位姿與實(shí)測位姿間的偏差的步驟: 1)將目標(biāo)點(diǎn)(2)坐標(biāo)理論值構(gòu)成的點(diǎn)集稱為理論點(diǎn)集，將實(shí)測值構(gòu)成的點(diǎn)集稱為實(shí)測點(diǎn)集，兩個點(diǎn)集中的點(diǎn)一一對應(yīng)； 2)從點(diǎn)集中任意選取不共線的三對點(diǎn)，根據(jù)這三對點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)對兩個點(diǎn)集進(jìn)行粗配準(zhǔn)，計(jì)算出使理論點(diǎn)集通過平移和旋轉(zhuǎn)與實(shí)測點(diǎn)集大致重合的變換矩陣Ttl ； 3)建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)minF(T)，根據(jù)兩個點(diǎn)集中每一對目標(biāo)點(diǎn)的位置距離計(jì)算兩個點(diǎn)集間的重合程度； 4)考慮各個目標(biāo)點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)的測量不確定度，計(jì)算各個目標(biāo)點(diǎn)的相對權(quán)重，在目標(biāo)函數(shù)中引入相對權(quán)重因子；5)對兩個點(diǎn)集間的變換矩陣進(jìn)行迭代優(yōu)化，直至目標(biāo)函數(shù)的值Fk符合終止條件或迭代次數(shù)符合終止條件；6)根據(jù)初始變換矩陣和每次迭代所得到的變換矩陣計(jì)算兩個點(diǎn)集間的最終變換矩陣,、/ 11/； I
A-O7)AT即為部件(I)從理論位姿變換到實(shí)測位姿的變換矩陣，也就是它們之間的偏差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大尺度部件實(shí)測位姿擬合方法，其特征在于，所述的根據(jù)部件(I)在全局坐標(biāo)系下的理論位姿以及其與實(shí)測位姿間的偏差計(jì)算得到部件(I)的實(shí)測位姿步驟: 1)部件(I)在全局坐標(biāo)系下的理論位姿為Te，由理論位姿變換到實(shí)測位姿的變換矩陣為ΛΤ，則部件(I)在全局坐標(biāo)系下的實(shí)測位姿Tm可計(jì)算得到，見式(3):
Tm= AT.Tg(3) 2)根據(jù)部件(I)的實(shí)測位姿矩陣Tm可解算得到對應(yīng)的局部坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角度和原點(diǎn)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
【文檔編號】G01B21/00GK103983224SQ201410231828
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】杜福州, 陳哲涵, 方偉, 唐水龍, 李苗, 劉思仁 申請人:上海飛機(jī)制造有限公司