一种手持式空间物体表面坐标测量仪及测量方法与流程

本发明涉及坐标测量领域，具体涉及一种手持式空间物体表面坐标测量仪及测量方法。

背景技术：

对物体表面点的坐标进行准确测量是进行进一步生产加工的基础。目前常用的测量空间中点的坐标的设备主要有红外相机阵列测量装置、激光跟踪仪、关节臂测量机和正交坐标系三坐标测量机。

其中，红外相机阵列与激光跟踪仪进行坐标测量之前均需要在待测量物体表面固定标志点，红外相机阵列需要在被测量物体表面贴标志点，激光跟踪仪需要在被测量物体表面固定反射器，并且要求在被测量物体与检测装置之间不能有任何障碍物遮挡，否则将无法进行测量。关节臂测量机和正交坐标系测量机体积较大，在进行坐标测量前需要固定在特定位置，不便于移动，而且操作较为复杂。

综上所述，现有技术中对于物体表面点的坐标进行准确测量问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

为了克服上述现有空间坐标测量装置存在的对测量环境要求严格、移动性差以及操作复杂不足，本发明提供了一种手持式空间物体表面坐标测量仪及测量方法，利用手持式坐标测量仪可以连续测量空间物体表面坐标，操作简单，可以适应复杂的工作环境，在一定程度上提高了工作效率。

本发明所采用的技术方案是：

一种空间物体表面坐标测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在空间物体表面上设定一起始点p0，将安装有坐标测量单元的手持式空间物体坐标测量仪放置在起始点p0处，基于起始点p0空间位置坐标，计算坐标测量单元s1在p0点测得的姿态角和空间位置坐标；

步骤2：将手持式空间坐标测量仪从起始点p0移动到一测量点pi，计算坐标测量单元在x，y，z三个方向上的位移变化量以及坐标测量单元在pi点的空间位置坐标和测得的姿态角；

步骤3：基于坐标测量单元在pi点的空间位置坐标和姿态角，计算物体表面上测量点pi点的空间位置坐标；

步骤4：重复步骤2-3，得到物体表面上各测量点的空间位置坐标，根据各测量点的空间位置坐标进行物体生产加工。

进一步的，所述将手持式空间物体坐标测量仪放置在起始点p0处，基于起始点p0空间位置坐标，计算坐标测量单元在p0点测得的姿态角和空间位置坐标，包括：

将手持式空间物体坐标测量仪放在起始点p0处，采用卡尔曼滤波算法将坐标测量单元输出的测量数据进行融合，得到坐标测量单元在p0点的姿态角

基于起始点p0的空间位置坐标(x0，y0，z0)和坐标测量单元在p0点的姿态角计算手持式空间物体坐标测量仪位于p0时，坐标测量单元在p0点的空间位置坐标(x1，y1，z1)。

进一步的，所述坐标测量单元在p0点的空间位置坐标(x1，y1，z1)的计算公式为：

x1＝x0+d1cosθ，z1＝z0+d1cosγ

其中，(x1，y1，z1)为坐标测量单元在p0点的空间位置坐标；(x0，y0，z0)为起始点p0的空间位置坐标；d1为坐标测量单元s1距离手持式空间物体坐标测量仪末端的距离；为坐标测量单元在p0点测得的姿态角。

进一步的，所述将手持式空间物体坐标测量仪放在起始点p0处，采用卡尔曼滤波算法将坐标测量单元输出的测量数据进行融合，得到坐标测量单元在p0点的姿态角，包括：

手持式空间物体表面坐标测量仪位于物体表面起始点p0处时，根据坐标测量单元s1中的三轴陀螺仪传感器的测量数据计算第一姿态角，并将该第一姿态角作为预测值；根据坐标测量单元s1中的三轴加速度传感器和三轴磁力传感器的测量数据计算第二姿态角，并将该第二姿态角作为观测值，采用卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到最终的坐标测量单元s1的姿态角。

进一步的，所述将手持式空间坐标测量仪从起始点p0移动到一测量点pi，计算坐标测量单元在x，y，z三个方向上的位移变化量以及坐标测量单元在pi点的空间位置坐标和测得的姿态角，包括：

将手持式空间坐标测量仪沿着空间物体表面从起始点p0移动至一测量点pi，采用位移变化计算公式计算手持式空间坐标测量仪从起始点p0移动至测量点pi的过程中，坐标测量单元s1在x，y，z三个方向上的位移变化量；

基于手持式空间坐标测量仪位于p0时坐标测量单元的空间位置坐标(x1，y1，z1)和坐标测量单元s1在x，y，z三个方向上的位移变化量，计算手持式空间坐标测量仪位于pi时，坐标测量单元在pi的空间位置坐标(x1’，y1’，z1’)；

当手持式空间坐标测量仪位于pi时，将坐标测量单元s1输出的测量数据进行融合，得到坐标测量单元s1在pi点测得的姿态角

进一步的，所述位移变化计算公式为：

δx＝∫axdt，δy＝∫aydt，δz＝∫azdt

其中，dt为采样周期；δx，δy，δz分别为测量单元s1在x轴、y轴和z轴上的位移变化量；ax为坐标测量单元的三轴加速度传感器测量的加速度值在x轴上的分量；ay为坐标测量单元的三轴加速度传感器测量的加速度值在在y轴上的分量；az为坐标测量单元的三轴加速度传感器测量的加速度值在在z轴上的分量。

进一步的，所述物体表面上测量点pi点的空间位置坐标的计算公式为：

x’i0＝x’i+d1cosθ’i，z’i0＝z’i+d1cosγ’i

其中，(xi0’，yi0’，zi0’)为物体表面上的测量点pi的空间位置坐标；(xi’，yi’，zi’)为坐标测量单元在pi的空间位置坐标；为坐标测量单元s1在pi点测得的姿态角；d1为坐标测量单元s1距离手持式空间物体坐标测量仪末端的距离。

一种手持式空间物体表面坐标测量仪，用于实现上述的空间物体表面坐标测量方法，包括测量仪本体，在测量仪本体上固定设置有坐标测量单元，所述坐标测量单元包括主控模块、传感器模块、无线通信模块和供电模块，所述供电模块用于给坐标测量电源供电；所述传感器模块用于采集测量仪本体在复杂曲线焊接轨迹上的加速度、角速度和磁场信息，并将测量数据传输至主控模块；所述主控模块用于接收传感器模块采集的信息，并进行数据融合，得到空间复杂曲线焊接轨迹上各点的空间位置坐标；并通过无线通信模块将数据传输至其他设备。

进一步的，所述测量仪本体包括圆柱体、圆锥体和球体，所述圆柱体的末端设置有圆锥体，所述圆锥体的末端设置有球体；所述圆柱体的中心轴线处固定安装有所述坐标测量单元。

进一步的，所述传感器模块包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴磁力传感器，所述三轴加速度传感器用于采集测量仪本体在空间物体表面上的加速度信息，并采集的加速度信息传输至主控模块；所述三轴陀螺仪传感器用于用于采集测量仪本体在空间物体表面上的角速度信息，并采集的角速度信息传输至主控模块；所述三轴磁力传感器用于采集测量仪本体在空间物体表面上的磁场信息，并采集的磁场信息传输至主控模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过手持空间坐标测量仪沿着物体表面运动，利用坐标测量单元测量测量仪本体在物体表面上的位置及姿态信息，根据测量数据得到物体表面上各测量点的空间坐标，便于后续根据物体表面上各测量点的空间坐标进行规划，完成物体生产加工；

(2)本发明利用手持式空间物体坐标测量仪可以连续测量空间物体表面坐标，操作简单，可以适应复杂的工作环境，在一定程度上提高了工作效率；

(3)本发明提出的手持式空间坐标测量仪结构简单，体积小，可移动性好，在进行空间坐标值测量时，操作简单，在一定程度上提高了空间坐标测量速度与效率。

附图说明

图1是本发明的手持式空间物体表面坐标测量仪结构图；

图2是本发明的空间物体表面坐标测量方法流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在在被测量物体与检测装置之间有障碍物遮挡，时无法进行测量，在进行坐标测量前需要固定在特定位置，不便于移动，而且操作较为复杂的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种手持式空间物体表面坐标测量仪及测量方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种手持式空间物体表面坐标测量仪，该测量仪包括测量仪本体和坐标测量单元s1。

所述测量仪本体包括圆柱体、圆锥体和球体，在所述圆柱体的末端设置有圆锥体，在所述圆锥体的末端设置有球体；在所述圆柱体的中心轴线处固定安装有所述坐标测量单元s1。

所述坐标测量单元s1包括主控模块、传感器模块、无线通信模块和供电模块。

其中，所述供电模块，用于给坐标测量电源供电。所述供电模块采用锂电池。

所述传感器用于测量测量仪本体在物体表面上的姿态信息，并将测量数据传输至主控模块。所述传感器模块包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴磁力传感器，所述三轴加速度传感器用于采集测量仪本体在空间物体表面上的加速度信息，并采集的加速度信息传输至主控模块；所述三轴陀螺仪传感器用于用于采集测量仪本体在空间物体表面上的角速度信息，并采集的角速度信息传输至主控模块；所述三轴磁力传感器用于采集测量仪本体在空间物体表面上的磁场信息，并采集的磁场信息传输至主控模块。

所述主控模块用于接收传感器模块采集的信息，并进行数据融合，得到空间复杂曲线焊接轨迹上各点的空间位置坐标；并通过无线通信模块将数据传输至计算机或工业机器人。

本发明实施例公开的手持式空间物体表面坐标测量仪，通过手持空间坐标测量仪沿着物体表面运动，利用坐标测量单元测量测量仪本体在物体表面上的位置及姿态信息，根据测量数据得到物体表面上各测量点的空间坐标，便于后续根据物体表面上各测量点的空间坐标进行规划，完成物体生产加工。

本申请的另一种典型实施方式，如图2所示，提供了一种空间物体表面坐标测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤101：在空间物体表面上设定一起始点p0，测量物体表面起始点p0的空间位置坐标(x0，y0，z0)以及坐标测量单元s1距离手持式空间物体表面坐标测量仪末端的距离d1。

在执行步骤101过程中，先在空间物体表面上设定一起始点p0，测量物体表面起始点p0的空间位置坐标(x0，y0，z0)；将坐标测量单元s1固定安装在手持式空间物体表面坐标测量仪的测量本体的中心轴线处，并测量坐标测量单元s1距离手持式空间物体表面坐标测量仪末端的距离d1。

步骤102：将手持式空间物体表面坐标测量仪放置在物体表面起始点p0处，采用卡尔曼滤波算法将坐标测量单元输出的测量数据进行融合，得到坐标测量单元s1在p0点测得的姿态角

在执行步骤102过程中，当手持式空间物体表面坐标测量仪位于物体表面起始点p0处时，根据坐标测量单元s1中的三轴陀螺仪传感器的测量数据计算第一姿态角，并将该第一姿态角作为预测值；根据坐标测量单元s1中的三轴加速度传感器和三轴磁力传感器的测量数据计算第二姿态角，并将该第二姿态角作为作为观测值，采用卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到最终的坐标测量单元s1的姿态角。

根据坐标测量单元s1中的三轴陀螺仪传感器的测量数据计算第一姿态角的公式如下所示：

其中，gx，gy，gz为手持式空间物体表面坐标测量仪位于物体表面起始点p0处时，坐标测量单元s1中的三轴陀螺仪传感器的测量数据。

根据坐标测量单元s1中的三轴加速度传感器和三轴磁力传感器的测量数据计算第二姿态角的公式如下所示：

其中，ax，ay，az分别为手持式空间物体表面坐标测量仪位于物体表面起始点p0处时，坐标测量单元s1的三轴加速度传感器的测量值；mx，my，mz分别为手持式空间物体表面坐标测量仪位于物体表面起始点p0处时，坐标测量单元s1的三轴磁力传感器的测量值。

步骤103：基于起始点p0的空间坐标(x0，y0，z0)和坐标测量单元在p0点的姿态方向计算手持式空间物体表面坐标测量仪位于p0点时，坐标测量单元s1的空间位置坐标(x1，y1，z1)。

在执行步骤103过程中，手持式空间物体表面坐标测量仪位于p0点时，坐标测量单元s1的空间位置坐标(x1，y1，z1)的计算公式为：

x1＝x0+d1cosθ，z1＝z0+d1cosγ；

其中，(x0，y0，z0)为物体表面起始点p0的空间位置坐标；为坐标测量单元s1在p0点测得的姿态角。

步骤104：将手持式空间坐标测量仪从起始点p0移动到一测量点pi，计算手持式空间坐标测量仪从起始点p0移动到一测量点pi过程中，坐标测量单元s1在x，y，z三个方向上的位移变化量δx、δy、δz。

在执行步骤104过程中，在手持式空间坐标测量仪从起始点p0移动到一测量点p1过程中，坐标测量单元s1在x，y，z三个方向上的位移变化量δx、δy、δz的计算公式为：

δx＝∫axdt，δy＝∫aydt，δz＝∫azdt

其中，dt为采样周期；δx、δy、δz分别为在手持式空间坐标测量仪从起始点p0移动到一测量点pi过程中，坐标测量单元s1在x轴、y轴和z轴上的位移变化量；ax为x轴位移变化系数；ax为坐标测量单元s1的三轴加速度传感器测量的加速度值在x轴上的分量；ay为坐标测量单元s1的三轴加速度传感器测量的加速度值在在y轴上的分量；az为坐标测量单元s1的三轴加速度传感器测量的加速度值在在z轴上的分量。。

步骤105：基于手持式空间坐标测量仪位于p0时坐标测量单元s1的空间位置坐标(x1，y1，z1)和坐标测量单元s1在x，y，z三个方向上的位移变化，计算手持式空间坐标测量仪位于p1点时，坐标测量单元在p1点的空间坐标(x1’，y1’，z1’)。

在执行步骤105过程中，手持式空间坐标测量仪位于p1点时，坐标测量单元在p1点的空间坐标(x1’，y1’，z1’)的计算公式为：

x’1＝x1+δx1，y’1＝y1+δy1，z’1＝z1+δz1

其中，(x1，y1，z1)为手持式空间坐标测量仪位于p0时坐标测量单元s1的空间位置坐标；δx、δy、δz分别为在手持式空间坐标测量仪从起始点p0移动到一测量点pi过程中，坐标测量单元s1在x轴、y轴和z轴上的位移变化量。

步骤106：当手持式空间坐标测量仪位于p1点时，采用卡尔曼滤波算法将坐标测量单元s1输出的测量数据进行融合，得到坐标测量单元s1在p1点测定的姿态角为

在执行步骤106过程中，当手持式空间物体表面坐标测量仪位于物体表面起始点p1处时，根据坐标测量单元s1中的三轴陀螺仪传感器的测量数据计算第一姿态角，并将该第一姿态角作为预测值；根据坐标测量单元s1中的三轴加速度传感器和三轴磁力传感器的测量数据计算第二姿态角，并将该第二姿态角作为作为观测值，采用卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到最终的坐标测量单元s1的姿态角。

根据坐标测量单元s1中的三轴陀螺仪传感器的测量数据计算第一姿态角的公式如下所示：

其中，g′x，g′y，g′z为手持式空间物体表面坐标测量仪位于物体表面起始点p1处时，坐标测量单元s1中的三轴陀螺仪传感器的测量数据。

根据坐标测量单元s1中的三轴加速度传感器和三轴磁力传感器的测量数据计算第二姿态角的公式如下所示：

其中，ax，ay，az分别为手持式空间物体表面坐标测量仪位于物体表面起始点p0处时，坐标测量单元s1的三轴加速度传感器的测量值；mx，my，mz分别为手持式空间物体表面坐标测量仪位于物体表面起始点p0处时，坐标测量单元s1的三轴磁力传感器的测量值。

步骤107：基于坐标测量单元s1在p1点的空间坐标(x1’，y1’，z1’)和姿态角计算物体表面上测量点p1点的空间位置坐标(x10’，y10’，z10’)。

在执行步骤107过程中，所述物体表面上测量点pi点的空间坐标的计算公式为：

x’i0＝x’1+d1cosθ’，z’i0＝z’1+d1cosγ’

其中，(x10’，y10’，z10’)为物体表面上的测量点p1的空间坐标；(x1’，y1’，z1’)为坐标测量单元在p1点的空间位置坐标；为坐标测量单元s1在p1点的姿态角；d1为坐标测量单元s1距离手持式空间物体坐标测量仪末端的距离。

步骤108：重复步骤104-107，得到空间物体表面上各测量点的空间位置坐标，根据获得的空间物体表面上各点的空间位置坐标进行规划，完成生产加工过程。

本发明实施例提出的空间物体表面坐标测量方法，通过操作者手持空间坐标测量仪沿着物体表面运动，记录下物体表面上各点的空间坐标，根据获得的这些坐标进行规划，完成生产加工过程；在进行空间坐标值测量时，操作简单，在一定程度上提高了空间坐标测量速度与效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。