本發(fā)明涉及艙段位姿測量方法，具體涉及用于艙段自動對接的單目視覺相對位姿測量方法及艙段對接方法。

背景技術(shù)：

1、航空、航天等領(lǐng)域的導(dǎo)彈、航天器以及船舶領(lǐng)域的水下航天器等產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中均涉及艙段對接，艙段對接是其生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，且是技術(shù)難度大、涉及領(lǐng)域多的復(fù)雜工程，艙段對接的質(zhì)量一定程度上影響了產(chǎn)品總體性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)的艙段對接采用剛性工裝定位、手動制孔連接，通過人眼快速將各艙段間的同軸度誤差和圓周方向上定位銷與定位槽的對準(zhǔn)偏差調(diào)整到要求范圍內(nèi)難度較大，致使工作人員勞動強(qiáng)度大、工作效率低、裝配周期長，而且該方式的裝配效果取決于工作人員的經(jīng)驗和操作水平，整體對接精度低、對接速度慢、操作穩(wěn)定性較差，因此，實現(xiàn)艙段的自動對接是艙段裝配領(lǐng)域發(fā)展的目標(biāo)和趨勢。艙段的自動對接需要高精度以保證生產(chǎn)質(zhì)量，需要提高效率并減少投入成本，需要通過非接觸式自動化測量艙段位姿以實現(xiàn)自動化。公開號為cn112381881a的中國專利公開了一種基于單目視覺的大型剛體構(gòu)件自動對接方法，通過單目視覺測量定位引導(dǎo)技術(shù)，對待對接的大型剛體構(gòu)件表面的連體標(biāo)靶進(jìn)行快速測量，引導(dǎo)調(diào)姿平臺進(jìn)行對接，該技術(shù)方案需預(yù)先標(biāo)定對接狀態(tài)下移動端和固定端剛體構(gòu)件的位姿關(guān)系，且該位姿關(guān)系僅適用于當(dāng)前同一種類型的產(chǎn)品，通用性較差，操作過程較繁瑣。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有自動對接方法中存在位姿關(guān)系標(biāo)定的通用性較差、操作過程較繁瑣的不足之處，而提供一種用于艙段自動對接的單目視覺相對位姿測量方法及艙段對接方法。

2、發(fā)明構(gòu)思

3、針對艙段尺寸較大，不便在對接面懸掛連體標(biāo)靶，或?qū)佣嗣娑ㄎ讳N孔較少不能安裝多個標(biāo)靶、艙段表面無明顯幾何特征的情況，本發(fā)明設(shè)置2l個小型的標(biāo)靶工裝，l≥2，在固定艙段的對接面和活動艙段的對接面一一對應(yīng)各布設(shè)l個標(biāo)靶工裝，標(biāo)靶工裝通過對接面的對接點安裝；通過單目視覺系統(tǒng)采集待對接狀態(tài)圖像，確保圖像中包括各標(biāo)靶工裝，根據(jù)待對接狀態(tài)圖像精確計算活動艙段的相對姿態(tài)，引導(dǎo)調(diào)姿機(jī)構(gòu)調(diào)整活動艙段的偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，使其與固定艙段角度對正，然后根據(jù)安裝標(biāo)靶工裝的對接點坐標(biāo)計算相對位移，引導(dǎo)調(diào)姿機(jī)構(gòu)調(diào)整活動艙段在水平方向、垂直方向和航向方向位移，實現(xiàn)艙段的自動對接。

4、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)解決方案如下：

5、一種用于艙段自動對接的單目視覺相對位姿測量方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

6、s1、搭建測量裝置，所述測量裝置包括調(diào)姿機(jī)構(gòu)、單目視覺系統(tǒng)以及2l個標(biāo)靶工裝，其中，l≥2；所述調(diào)姿機(jī)構(gòu)設(shè)置在移動車體上，活動艙段設(shè)置在調(diào)姿機(jī)構(gòu)上，所述單目視覺系統(tǒng)設(shè)置在移動車體或固定平臺上；2l個標(biāo)靶工裝平均分為兩組，分別設(shè)置在活動艙段對接面和固定艙段對接面的對應(yīng)位置上；所述標(biāo)靶工裝包括工裝本體、設(shè)置在工裝本體上的裝配孔以及多個位于同一平面的標(biāo)靶特征點，裝配孔與其對應(yīng)對接面上的對接點同軸連接，標(biāo)靶特征點所在平面與對應(yīng)對接面垂直；

7、s2、利用單目視覺系統(tǒng)獲取相應(yīng)的待對接狀態(tài)圖像，保證待對接狀態(tài)圖像中包括完整的2l個標(biāo)靶工裝；

8、s3、提取所述待對接狀態(tài)圖像中2l個標(biāo)靶工裝的標(biāo)靶特征點和裝配孔在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換得到其對應(yīng)在調(diào)姿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

9、s4、在調(diào)姿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下，分別擬合2l個標(biāo)靶工裝的標(biāo)靶特征點所在平面方程，并分別計算其對應(yīng)的法向量即得到標(biāo)靶平面法向量，由標(biāo)靶平面法向量和標(biāo)靶工裝對應(yīng)對接點坐標(biāo)計算得到活動艙段對接面法向量和固定艙段對接面法向量；

10、s5、在調(diào)姿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下，根據(jù)活動艙段對接面法向量和固定艙段對接面法向量計算得到活動艙段相對固定艙段的偏航角α、俯仰角β，根據(jù)兩組標(biāo)靶工裝對應(yīng)對接點的坐標(biāo)計算活動艙段相對固定艙段的滾轉(zhuǎn)角γ，根據(jù)兩組標(biāo)靶工裝對應(yīng)對接點的坐標(biāo)，計算活動艙段相對固定艙段的相對位移，完成相對位姿測量；所述對接點的坐標(biāo)與其對應(yīng)的標(biāo)靶工裝裝配孔的坐標(biāo)相同。

11、進(jìn)一步地，步驟s5中，根據(jù)對接面法向量計算得到活動艙段相對于固定艙段的偏航角α、俯仰角β具體為：

12、根據(jù)對接面法向量，基于羅德里格斯旋轉(zhuǎn)公式計算活動艙段相對于固定艙段的旋轉(zhuǎn)矩陣，進(jìn)而得到活動艙段相對于固定艙段的偏航角α、俯仰角β；

13、根據(jù)兩組標(biāo)靶工裝對應(yīng)對接點的坐標(biāo)計算活動艙段相對固定艙段的滾轉(zhuǎn)角γ，具體為：

14、根據(jù)固定艙段上的兩個標(biāo)靶工裝對應(yīng)對接點計算其連線的方向向量，根據(jù)活動艙段相應(yīng)的對接點計算其連線的方向向量，再計算兩個方向向量夾角，從而得到活動艙段相對固定艙段的滾轉(zhuǎn)角γ。

15、進(jìn)一步地，步驟s3具體為：

16、s3.1、提取所述待對接狀態(tài)圖像中2l個標(biāo)靶工裝的標(biāo)靶特征點的圖像坐標(biāo)，結(jié)合標(biāo)靶特征點在標(biāo)靶坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)和預(yù)先標(biāo)定的單目視覺系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)，利用pnp算法分別計算出待對接狀態(tài)下將各標(biāo)靶工裝上標(biāo)靶特征點在標(biāo)靶坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到相機(jī)坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量其中，i的取值為1，2，…，2l；

17、所述標(biāo)靶特征點在標(biāo)靶坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)通過預(yù)先標(biāo)定或其加工模型獲得；

18、s3.2、根據(jù)標(biāo)靶特征點在標(biāo)靶坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量計算得到所有標(biāo)靶特征點在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

19、s3.3、根據(jù)標(biāo)靶裝配孔在標(biāo)靶坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量計算得到所有標(biāo)靶裝配孔在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

20、s3.4、根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的相機(jī)坐標(biāo)系與調(diào)姿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系之間的剛體轉(zhuǎn)換關(guān)系計算標(biāo)靶特征點和標(biāo)靶裝配孔在調(diào)姿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；其中，為相機(jī)坐標(biāo)系與調(diào)姿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣，為相機(jī)坐標(biāo)系與調(diào)姿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系之間的平移向量。

21、進(jìn)一步地，步驟s5中，所述計算活動艙段相對固定艙段的相對位移具體為：計算兩組標(biāo)靶工裝對應(yīng)對接點的坐標(biāo)差值，再計算對接點的坐標(biāo)差值的平均值，即得到活動艙段相對固定艙段的相對位移。

22、進(jìn)一步地，步驟s1中，l＝2；

23、步驟s5中，標(biāo)靶工裝的裝配孔在調(diào)姿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別記為所述活動艙段相對固定艙段的相對位移根據(jù)下式計算：

24、

25、其中，u、v、w分別為活動艙段相對固定艙段在航向方向、水平方向、垂直方向的相對位移。

26、同時，本發(fā)明還提供一種艙段對接方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

27、步驟1、搭建如步驟s1所述測量裝置；

28、步驟2、利用上述步驟s2至步驟s5計算活動艙段相對于固定艙段的偏航角α、俯仰角β；

29、步驟3、根據(jù)步驟2得到的偏航角α、俯仰角β調(diào)節(jié)調(diào)姿機(jī)構(gòu)；

30、步驟4、利用上述步驟s2至步驟s5計算活動艙段相對于固定艙段的滾轉(zhuǎn)角γ；

31、步驟5、根據(jù)步驟4得到的滾轉(zhuǎn)角γ調(diào)節(jié)調(diào)姿機(jī)構(gòu)；

32、步驟6、利用上述步驟s2至步驟s5計算活動艙段相對于固定艙段的相對位移；

33、步驟7、根據(jù)步驟4得到的相對位移調(diào)節(jié)調(diào)姿機(jī)構(gòu)，完成活動艙段和固定艙段對接。

34、進(jìn)一步地，步驟3具體為：

35、判斷步驟2所述偏航角α、俯仰角β是否在設(shè)定的第一收斂閾值范圍內(nèi)，若不在該范圍內(nèi)，則根據(jù)步驟2所述偏航角α、俯仰角β調(diào)節(jié)調(diào)姿機(jī)構(gòu)，再返回步驟2，若在該范圍內(nèi)，則進(jìn)入步驟4。

36、進(jìn)一步地，步驟5具體為：

37、判斷步驟4所述滾轉(zhuǎn)角γ是否在設(shè)定的第二收斂閾值范圍內(nèi)，若不在該范圍內(nèi)，則根據(jù)步驟4所述滾轉(zhuǎn)角γ調(diào)節(jié)調(diào)姿機(jī)構(gòu)，再返回步驟4，若在該范圍內(nèi)，則進(jìn)入步驟6。

38、進(jìn)一步地，步驟7具體為：

39、5.1、判斷步驟6所述相對位移是否在設(shè)定的第二收斂閾值范圍內(nèi)，若不在該范圍內(nèi)，則根據(jù)步驟6所述相對位移調(diào)節(jié)調(diào)姿機(jī)構(gòu)，再返回步驟6，若在該范圍內(nèi)，則完成此次調(diào)節(jié)；

40、5.2、移除標(biāo)靶工裝，控制調(diào)姿機(jī)構(gòu)沿航向方向移動，實現(xiàn)活動艙段與固定艙段對接。

41、本發(fā)明的有益效果：

42、1.本發(fā)明在活動艙段的對接面和固定艙段的對接面分別安裝l個標(biāo)靶工裝，l≥2，每個對接面至少設(shè)置兩個標(biāo)靶工裝即可完成對接位姿測量，無需對接面其他對接點的坐標(biāo)信息。本發(fā)明標(biāo)靶特征點所在平面與對應(yīng)對接面垂直，因此適用于標(biāo)靶工裝安裝過程中繞對接點的軸線旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致安裝位置不固定的情況，也同樣適用于艙段尺寸較大或?qū)用鎸狱c數(shù)量較少的情況，提高相對位姿測量的靈活性和適用范圍。

43、2.本發(fā)明通過單目視覺系統(tǒng)采集并計算得到標(biāo)靶工裝的空間位姿，從而解算對應(yīng)艙段的相對姿態(tài)，然后根據(jù)安裝標(biāo)靶工裝的對接點坐標(biāo)計算艙段相對平移值，操作簡單可靠，測量精度高，對對接面的對接點數(shù)量要求低，無需獲取剩余未設(shè)置標(biāo)靶工裝的對接點坐標(biāo)，也無需提前標(biāo)定對接面的對接點，因此，本發(fā)明標(biāo)定過程簡單，預(yù)先僅需標(biāo)定相機(jī)內(nèi)參、相機(jī)外參、標(biāo)靶工裝上標(biāo)靶特征點和裝配孔的位置關(guān)系，并且當(dāng)標(biāo)靶特征點通過機(jī)械加工的方式布設(shè)到標(biāo)靶工裝時，通過加工模型即可獲取標(biāo)志點和裝配孔的位置關(guān)系，甚至可以不對其進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定。

44、3.本發(fā)明通過標(biāo)靶工裝引出艙段對接面對接點的坐標(biāo)，無需在艙段表面粘貼或印刷標(biāo)靶，通過單目視覺系統(tǒng)實時采集懸掛在固定艙段和活動艙段的對接面的標(biāo)靶工裝圖像，結(jié)合標(biāo)靶工裝在標(biāo)靶坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)，獲取對接位姿，引導(dǎo)調(diào)姿機(jī)構(gòu)調(diào)整活動艙段實現(xiàn)自動對接，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高，易于操作與維護(hù)。