網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法，提供一種使用二維標定桿以線性和非線性結(jié)合的方法實現(xiàn)系統(tǒng)全局標定，具體步驟為：(1)建立發(fā)射機模型；(2)布置發(fā)射機網(wǎng)絡，并設置轉(zhuǎn)速；(3)放置光電傳感器，并建立發(fā)射機坐標系；(4)劃分標定單元，并采集標定點數(shù)據(jù)；(5)建立發(fā)射機透視投影模型，并進行點集坐標變換；(6)計算旋轉(zhuǎn)矩陣和單位平移矢量；(7)確定比例因子，計算平移矩陣；(8)進行全局優(yōu)化，得到最終旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。本發(fā)明操作過程簡單可行，提高了系統(tǒng)測量精度和工作效率，并降低了系統(tǒng)成本。
【專利說明】
網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明設及大尺寸空間測量方法設備技術(shù)領域，具體地，設及一種網(wǎng)絡化大尺寸 空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法。
【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接裝配對精度定 位、位置實時測控的要求日益提高，大尺寸空間數(shù)字化測量系統(tǒng)及其應用技術(shù)受到工業(yè)界 和學術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前在國際上應用比較成熟的大尺寸測量技術(shù)主要包括激光跟蹤儀 測量系統(tǒng)、大視場視覺測量系統(tǒng)W及經(jīng)締儀測量系統(tǒng)等。
[0003] 網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來的新型大尺寸測量技術(shù)，其主要由 多個測量基站構(gòu)成，可同時監(jiān)測大型被測物的各個部件，實時性高，并行性好，通過增加基 站的方式協(xié)調(diào)了測量精度與大空間的矛盾，應用前景廣泛。在進行測量之前，需要對該系統(tǒng) 進行標定，而現(xiàn)有的標定方法通常使用其它輔助測量設備，操作過程較繁瑣，而且會增加成 本，不利于現(xiàn)場應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的 現(xiàn)場標定方法。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法， 其特征是，包括如下步驟：
[0006] (1)在勻速旋轉(zhuǎn)平臺上安裝兩個線性激光器形成發(fā)射機，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，所述LED脈沖信號作為所述扇形激光平面 旋轉(zhuǎn)的初始時刻；
[0007] (2)在測量空間布置若干個如步驟(1)中的所述發(fā)射機形成發(fā)射機網(wǎng)絡，給第一臺 發(fā)射機分別設置一個起始轉(zhuǎn)速，其它發(fā)射機增加一個轉(zhuǎn)速增量，并對每臺發(fā)射機進行編號； [000引（3)在所述發(fā)射機網(wǎng)絡前方放置一個光電傳感器，建立各發(fā)射機坐標系，所述坐標 系W激光平面在旋轉(zhuǎn)軸上的交點為坐標系原點，沿發(fā)射機旋轉(zhuǎn)軸向下為Y軸正向，W第一 個激光平面掃過所述光電傳感器時與水平面的交線為Z軸正向，通過右手定則確定X軸方 向；
[0009] (4)將所述發(fā)射機網(wǎng)絡的每兩臺發(fā)射機作為一個標定單元，并W-號發(fā)射機坐標 系作為世界坐標系，用固定長度的標定桿采集標定點數(shù)據(jù)；
[0010] (5)建立發(fā)射機透視投影模型，計算標定點在投影平面上的投影點坐標，并進行點 集坐標變換，模型如下：
[0011] Mn =SnTsn 和 Mn = SnTsn
[0012] 其中，Pn:第n臺發(fā)射機進行坐標變換之前發(fā)射機投影平面上的投影點坐標；
[0013] Pn' ：第n臺發(fā)射機進行坐標變換之后發(fā)射機投影平面上的投影點坐標；
[0014] Mn:第n臺發(fā)射機的點集坐標變換矩陣；
[001引Sn:第n臺發(fā)射機的坐標縮放變換矩陣
[0016] do是點集中各點到圖像原點的平均距離；
[0017] Tsn:第n臺發(fā)射機的坐標平移變換矩陣：
（Tx Ty)T是點集質(zhì)屯、坐 標；
[0018] (6)計算第(5)得到的點集質(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標定桿長度為 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)步依次計算每臺發(fā)射機與一號發(fā)射機的旋轉(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:標定桿采集數(shù)據(jù)次數(shù)；
[0023] Li:標定桿長度計算值；
[0024] ^標定桿長度真實值；
[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)平臺通過交流伺服電機驅(qū)動。
[0027] 優(yōu)選地，其特征在于，所述勻速旋轉(zhuǎn)平臺W逆時針方向轉(zhuǎn)動。
[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)合的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)的全局標定，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)標定精度；
[0030] 操作簡單，提高了工作效率。
【附圖說明】
[0031] 通過閱讀參照W下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0032] 圖1為發(fā)射機的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2為發(fā)射機的俯視示意圖；
[0034] 圖3為發(fā)射機網(wǎng)絡坐標系示意圖；
[0035] 圖4為發(fā)射機透視投影模型示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。W下實施例將有助于本領域的技術(shù) 人員進一步理解本發(fā)明，但不W任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術(shù) 人員來說，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。運些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0037] 參見附圖1至4,網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法，包括W下步驟：
[0038] (1)在旋轉(zhuǎn)平臺內(nèi)部安裝兩個紅色線性激光器，并在交流伺服電機的驅(qū)動下繞旋 轉(zhuǎn)軸逆時針勻速旋轉(zhuǎn)，工作時向空間內(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，LED脈沖信號作為激光平面旋轉(zhuǎn)的初始時刻；
[0039] (2) W四臺發(fā)射機為例，根據(jù)測量空間布置發(fā)射機網(wǎng)絡，給各臺發(fā)射機分別設置一 個轉(zhuǎn)速，分別是2000以111111、210化/111111、220化/111111、230化/111111，并對發(fā)射機進行編號分別是 一號發(fā)射機1、二號發(fā)射機2、=號發(fā)射機3、四號發(fā)射機4;
[0040] (3)在發(fā)射機網(wǎng)絡前方放置一個光電傳感器，建立各發(fā)射機坐標系，具體方法是W 激光平面在旋轉(zhuǎn)軸上的交點為坐標系原點，沿發(fā)射機旋轉(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-號發(fā)射機坐標系作為世界坐標系，每兩臺發(fā)射機作為一個標定單元，分別 是:一號發(fā)射機和二號發(fā)射機為標定單元i，一號發(fā)射機和=號發(fā)射機為標定單元ii，一號 發(fā)射機和四號發(fā)射機為標定單元i i i，用固定長度的標定桿采集標定點數(shù)據(jù)；
[0042] (5) W標定單元i為例，建立發(fā)射機透視投影模型，計算標定點在投影平面上的投 影點坐標，并通過平移變換和縮放變換進行投影點集坐標變換，W-號發(fā)射機為例，模型如 下：
[0043] Pi'=化Pi 和化=SiTsi
[0044] 其中，Pi:進行坐標變換之前發(fā)射機投影平面上的投影點坐標；
[0045] Pi' ：進行坐標變換之后發(fā)射機投影平面上的投影點坐標；
[0046] Mi:發(fā)射機的點集坐標變換矩陣；
[0047] Si:發(fā)射機的坐標縮放變換矩陣
[0048] do是點集中各點到圖像原點的平均距離；
[0049] Tsi:發(fā)射機的坐標平移變換矩[ (Tx Ty)T是 9
[(K)加]點集質(zhì)屯、坐標；
[0051 ]因此，對于第n臺發(fā)射機：
[0化2] Mn =SnTsn 和 Mn = SnTsn
[0053] (6)計算本質(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)過點集坐標變換的投影點坐標，計算系數(shù)矩陣；
[0055] II.利用奇異值分解分解系數(shù)矩陣，得到經(jīng)過點集坐標變換后的本質(zhì)矩陣，并通過 點集坐標逆變換之前的本質(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:保證標定點在兩臺發(fā)射機的前方，即幻>0且Z2>0;
[0059] Sampson距離最小約束:保證在透視投影模型中，投影點到極線。和1^2的距離最??；
[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標定桿長度為約 束，確定平移矢量的比例因子，得到平移矩陣；
[0061] (8) W第4~7步依次計算每個標定單元的旋轉(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:標定桿采集數(shù)據(jù)次數(shù)；
[0064] 標定桿長度計算值；
[0(?日]^標定桿長度真實值。
[0066] W上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實施方式，本領域技術(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，運并不影 響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1. 一種網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 在勻速旋轉(zhuǎn)平臺上安裝兩個線性激光器形成發(fā)射機，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，所述LED脈沖信號作為所述扇形激光平面旋轉(zhuǎn) 的初始時刻； (2) 在測量空間布置若干個如步驟（1)中的所述發(fā)射機形成發(fā)射機網(wǎng)絡，給第一臺發(fā)射 機分別設置一個起始轉(zhuǎn)速，其它發(fā)射機增加一個轉(zhuǎn)速增量，并對每臺發(fā)射機進行編號； (3) 在所述發(fā)射機網(wǎng)絡前方放置一個光電傳感器，建立各發(fā)射機坐標系，所述坐標系以 激光平面在旋轉(zhuǎn)軸上的交點為坐標系原點，沿發(fā)射機旋轉(zhuǎn)軸向下為Y軸正向，以第一個激光 平面掃過所述光電傳感器時與水平面的交線為Z軸正向，通過右手定則確定X軸方向； (4) 將所述發(fā)射機網(wǎng)絡的每兩臺發(fā)射機作為一個標定單元，并以一號發(fā)射機坐標系作 為世界坐標系，用固定長度的標定桿采集標定點數(shù)據(jù)； (5) 建立發(fā)射機透視投影模型，計算標定點在投影平面上的投影點坐標，并進行點集坐 標變換，模型如下： Mn = SnTsn 和 Mn=SnTsn 其中，Pn :第η臺發(fā)射機進行坐標變換之前發(fā)射機投影平面上的投影點坐標； Ρ、:第η臺發(fā)射機進行坐標變換之后發(fā)射機投影平面上的投影點坐標； Μη:第η臺發(fā)射機的點集坐標變換矩陣： Sn:第η臺發(fā)射機的坐標縮放變換矩陣- -j - 9 do是點集中各點到圖像原點的平均距離； TSnjn臺發(fā)射機的坐標平移變換矩陣（Tx Ty)T是點集質(zhì)心坐標； (6) 計算第(5)得到的點集質(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，并以標定桿長度為約 束，確定平移矢量的比例因子，得到平移矩陣； (8) 以第(4)~（7)步依次計算每臺發(fā)射機與一號發(fā)射機的旋轉(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:標定桿采集數(shù)據(jù)次數(shù)； U:標定桿長度計算值； L:標定桿長度真實值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法，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)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法，其特征在于，所 述勻速旋轉(zhuǎn)平臺通過交流伺服電機驅(qū)動。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的網(wǎng)絡化大尺寸空間定位系統(tǒng)的現(xiàn)場標定方法，其 特征在于，所述勻速旋轉(zhuǎn)平臺以逆時針方向轉(zhuǎn)動。
【文檔編號】G01C15/00GK105953755SQ201610049354
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年1月25日
【發(fā)明人】方紅根, 郭立杰
【申請人】上海航天設備制造總廠