专利名称：一种微惯导测量实体外形的装置的制作方法
技术领域：
本发明属于精密计量技术领域，特别涉及微惯性测量单元的应用技术，适用于机械、 军工、汽车、工业制造等行业中三维复杂实体尺寸、外形和相互位置的准确测量。
技术背景在工业生产和科学实验中，常常需要进行三维位置测量，如工件的加工、零件的精确 安装等等。对于小型工件的普通测量，用一般的测量工具就可以完成三维位置的测量，但 是对大型工件或者精密测量，普通的测量方法往往行不通。例如，在飞机机翼的制造中需 要标定机翼上各点的位置，飞机的机翼长几十米，具有复杂的曲面结构，用一般的测量工 具和测量方法准确地标定出机翼上各点的三维位置是一件很困难的事情。激光测距的方法 可以精确地完成大距离的测量，但是该方法只适用于一维方向测量，无法满足三维测量的 需要。国外解决这一问题的方法是三坐标测量机，并且通过多年的研究，已经由机械式三 坐标测量机发展到计算机数控(CXC)三坐标测量机，探测方式也研究出探针式和光学式两大系列。但这些三坐标测量机都是将被测物体置于实体外形测量仪器的测量空间，获得被 测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸、 外形、位置公差、位置及其它几何量数据。源于以上原理，可知，为了精确获得被测物体 上各测点的坐标位置，必须有一个稳定的、精确的、固定不变的坐标原点和坐标系，需要 以精密加工的机械轨道装置来保证测量传感器的运动精度。较为成功的应用是在德国的MTL涡轮发动机制造厂，在一个计量中心的控制下，四台三坐标测量机组合在一起，承担 了整个自动化车间生产的28种复杂精密零件的计量。它的突出缺点是体积庞大、设备复杂、 成本太高.因此不适合推广应用。 发明内容本发明解决的技术问题是克服己有各种实体外形测量仪器的不足，提供一种便捷的 测量实体外形的装置。本发明的技术解决方案是 一种微惯导测量实体外形的装置，其特征在于，包括外形 数据采集探针组、捷联惯性导航系统和数据存储器；其中外形数据采集探针组由一排带压 力传感器的可伸縮探针组成捷联惯性导航系统由微型惯性测量单元和导航计算机组成； 微型惯性测量单元由三个微陀螺仪和三个微加速度计组成；导航计算机由A/D转换和处理器组成。实现实体外形测量的方法如下1) 启动本测量装置并在插槽上进行初始对准，即将第一个定位探头对准在Pf。点，将第二个定位探头对准在Pe。点，使装置位置固定，标定陀螺零偏；2) 移动本测量装置，使其探针组滑过被测量实体表面，采集每个探针压力传感器敏感 各个表征探针伸缩的位置数据和微惯性测量单元内陀螺仪敏感本测量装置的三个轴向转动 角速度数据以及加速度计敏感本测量装置的三个轴向加速度数据；3) 测量完实体的一个表面后，将本测量装置移回起始位置，即将第一个定位探头重新置于Pf。，将第二个定位探头重新置于Pe。；将数据存储器内的数据传到PC机，再使系统 装置初始化，然后移动本测量装置至实体的下一个测量表面；4) 重复上述过程，完成实体全部表面的数据采集和测量。 对采集的数据进行处理的过程如下-1) 根据已知的各个探针空间排列的相对位置以及采集的每个探针伸縮的位置数据，计 算出测量开始时to时刻各个探针顶点在装置的仪器坐标系上的位置矢量(、7b Zb)';2) 根据^时刻微陀螺输出的角速度信息和微加速度计输出的加速度信息，计算出装置在插槽的导航坐标系上的位置矢量(、^ Z。)'和仪器坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵3) 根据(、A^)'和C:及步骤1)求得的hAZb)'，求出t。时刻各个探针顶点在导航坐标系中的位置矢量(X, y, z,)';4) 从测量开始的t()时刻直至测量结束的tn时刻，对每个时刻测量的数据都按步骤1)~步骤3)中的方法处理即可求出实体表面所有采样点在导航坐标系中的位置矢量；5) 在PC机上先过滤出探针未接触实体表面时采集的探针没有伸縮变化的数据，然后 采用造型软件完成曲面的重构造型，最终形成多面体实体表面模型。所述的微陀螺仪选用光纤陀螺仪，还可以选择挠性陀螺仪；所述的捷联惯性导航系统， 可以由平台式惯性导航系统代替；所述装置的携带方式可以设计成手拿式，也可以根据选用器件的体积设计成肩扛式；所述插槽为一长方体，其上存在Pf。和Pe。两个通孔，Pf。和Pe。间的距离等于装置上两个定位探头间的距离，装置的两个定位探头可以插在Pf。和Pe。 内使装置位置固定。本发明的原理是本发明的理论基础是捷联式惯性导航原理。通过捷联惯导系统可以求解出本测量装置上固连的仪器坐标系在导航坐标系的位置矢量(A & ^)'和仪器坐标系 到导航坐标系的姿态变换矩阵C〖，然后根据此时刻各个探针顶点在移动的仪器坐标系的位置矢量(A A -b)'，求出该时刻各个探针顶点在固定的导航坐标系的位置矢量^ 最后用造型软件完成曲面的重构造型。具体测试原理如下测量时，先在插槽上启动本测量装置并进行初始对准；然后移动 本装置刷过被测实体的表面，通过外形数据采集探针组对被测实体表面进行测量。导航计 算机采集探针和微型测量单元测量的数据进行计算，从探针测量的数据可得实体表面上的点在仪器坐标系上的位置矢量(A凡zb/，从微型测量单元测量的数据可得仪器坐标系在导航坐标系的位置(^ _yn z。)'和仪器坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵c;"。通过坐标变换将实体表面上的点在移动的仪器坐标系上的位置矢量转换到固定的导航坐标系中去。 转换公式为<formula>formula see original document page 6</formula>式中(A凡Z」为探针顶点在仪器坐标系中的位置矢量； Cf为仪器坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵；yn Zn)'为测量装置在导航坐标系的位置矢量； (;c, ;;, -,)'为探针顶点在导航坐标系中的位置矢量。按时间顺序对每个时刻采集的数据都进行以上处理，即可求出实体表面每个点在导航 坐标系的位置矢量，将转换后的数据存在数据存储器中。在一次测量结束后，装置返回插 槽将数据存储器内的数据传到PC机上，再使系统装置初始化，然后移动本测量装置至下一 个测量表面。测量结束后，利用各个数据点的位置矢量采用造型软件完成曲面的重构造型， 最终形成多面体实体表面模型。本发明与现有技术相比的优点在于本发明不需要精密的运动轨道，可以在空间任意 作自由运动，与现有技术相比具有以下优点(1) 该方法首先将微小型惯性测量单元应用于精密计量技术领域。(2) 结构简单，易于批量生产；(3) 成本低廉，适于大规模推广；(4) 体积小，重量轻，便于携带，运动灵活，操作方便。
图1为本发明组成结构图； 图2为插槽结构的示意图； 图3为测量实体的示意图； 图4为探针的原理结构图； 图5为捷联惯导系统框图 图6为电路原理图。
具体实施方式
本发明结构如图1所示，探针内的压力传感器敏感各个表征探针伸缩的位置数据；微 惯性测量单元内陀螺仪敏感本测量装置的三个轴向转动角速度数据，加速度计敏感本测量 装置的三个轴向加速度数据。导航计算机采集探针和微型测量单元的数据进行计算，最后 得到实体表面上的点在固定的导航坐标系上的位置矢量，并将数据存在数据存储器中。在 装置上有一个虚拟的与其固连的仪器坐标系，以其几何中心为坐标原点，各坐标轴与装置 固连，随之一起运动。所述的微陀嫘仪选用光纤陀螺仪，还可以选择挠性陀螺仪；所述的捷联惯性导航系统， 可以由平台式惯性导航系统代替；所述装置的携带方式可以设计成手拿式，也可以根据选用器件的体积设计成肩扛式；所述插槽为一长方体，其上存在Pf。和Pe。两个通孔，Pf。和 Pe。间的距离等于装置上两个定位探头间的距离，装置的两个定位探头可以插在Pf。和Pe。内使装置位置固定。本发明对准时用的插槽如图2所示，为一长方体，其上存在Pf。和Pe。两个通孔，Pf。和Pe。间的距离等于装置上两个定位探头间的距离，装置的两个定位探头可以插在Pf。和Pe。 内使装置位置固定，其作用是给装置初始对准和计算被测实体表面点位置矢量时提供一个 静止的位置基准，装置的两个定位探头可以插在插槽上的两个孔Pf。和Pe。内使装置固定。并且在插槽上以Pf。 Pe。连线的中点为原点，以东向、北向、天向为三条坐标轴，有一个虚 拟的与大地固连的导航坐标系。本发明外形数据采集探针的原理结构如图3所示，当探针针头1接触实体表面时，在 接触压力的作用下，针头1给弹簧3施加一个压力，使弹簧3收縮，并将接触压力传递给压力传感器4，转换为电压信号，并由探针信号接口5传出。被测点的位置矢量由检测探针伸縮长度的方法获得。探针的间距很小，可最大限度地反映被测表面的真实外形。捷联惯性导航系统框图如图4所示，微型惯性测量单元给出了仪器坐标系在导航坐标 系的运动角速度和加速度。角速度、加速度和探针伸縮的模拟信号先通过i/o 口进入模数转 换芯片转为数字信号后再通过spi 口进入处理器，在arm处理器中先计算出实体表面上的点在仪器坐标系上的位置矢量(a a Zb)'和仪器坐标系在导航坐标系的位置(、& 2n)'以及仪器坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵c;1，然后进行坐标转换将实体表面上的点在仪器坐标系上的位置矢量转换到在导航坐标系上的位置矢量，最后将转换后的数据存到数 据存储器内。本发明的电路原理图如图5所示，各个探针伸缩的位置矢量和测量装置的角速度和加 速度模拟信号先分别进入四片模数转换芯片ads1258的数据输入端ain0 ain15转为数 字信号后，经arm的npcs0 npcs3端选通使数字信号通过spi的miso端进入arm处理器。在其内部计算出探针顶点在导航坐标系的位置矢量(x, y, z,)'后，经过双线接口的twd端进入eeprom存储器at24c1024的输入端sda将数据保存。 一次测量完成后返 回插槽时，通过max3232电平转换后用rs232串口将数据发送到pc机上。具体实施测量时主要分为外形测量和数据处理两部分，以图6所示的灯泡为被测实体 进行说明，测量时的步骤为1) 先启动本测量装置并在插槽上进行初始对准。即将第一个定位探头插在插槽的Pf。 里，将第二个定位探头插在插槽的Pe。里，使装置位置固定。采集陀螺数据10秒钟，标定 陀螺零偏；2) 移动本测量装置到被测实体的表面上，使其探针组刷过被测量实体表面。导航计算 机采集探针压力传感器敏感各个表征探针伸縮的位置数据和微惯性测量单元内陀螺仪敏感 本测量装置的三个轴向转动角速度数据以及加速度计敏感本测量装置的三个轴向加速度数 据；3) 测量完一个表面后，将本测量装置移回插到插槽上，即将第一个定位探头移回插在 Pf。里，将第二个定位探头移回插在Pe。里；将数据存储器内的数据通过串口传到pc机， 再使系统装置初始化，然后移动本测量装置至下一个测量表面直至测完实体的所有表面。数据处理的步骤为1) 根据己知的各个探针空间排列的相对位置以及采集的每个探针的伸縮量，计算出测 量开始时的U时刻各个探针顶点相对本测量装置的位置矢量^凡2) 根据采集的"时刻微陀螺输出的角速度信息和微加速度计输出的加速度信息，计算下的位置矢量(、凡、)'和仪器坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵c;";3) 根据^凡^y和Cf及步骤1)求得的(、a ;^丫，进行坐标转换将tQ时刻各个探针顶点在仪器坐标系上的位置矢量转换到在导航坐标系的位置矢量(;c, 乂4) 从测量开始的"时刻直至测量结束的tn时刻，对每个时刻测量的数据都按步骤1)~步骤3)步骤中的方法处理，即可求出实体表面所有采样点在导航坐标系中的位置矢量；5) 在PC机上先过滤出探针未接触实体表面时采集的探针没有伸縮变化的数据，然后 采用造型软件UG用实体表面上点的位置矢量完成实体曲面的重构造型，最终形成多面体 实体表面模型。本发明可以作为一种通用的外形测量装置，如果实体外形简单，数据采样频率较低， 釆用更先进的处理器亦可使数据处理的第5步实时进行，达到"所见即所得"的效果。本发 明中对为惯性导航和信号处理业内人士熟知的技术细节和原理，未作详细说明。
权利要求
1、一种微惯导测量实体外形的装置，其特征在于，包括外形数据采集探针组、捷联惯性导航系统和数据存储器；其中外形数据采集探针组由一排带压力传感器的可伸缩探针组成；捷联惯性导航系统由微型惯性测量单元和导航计算机组成；微型惯性测量单元由三个微陀螺仪和三个微加速度计组成；导航计算机由A/D转换和处理器组成。
2、 根据权利要求l所述的微惯导测量实体外形的装置，其特征在于所述的微陀螺仪 选用光纤陀螺仪，还可以选择挠性陀螺仪。
3、 根据权利要求l所述的微惯导测量实体外形的装置，其特征在于所述的捷联惯性 导航系统，可以由平台式惯性导航系统代替。
4、 根据权利要求l所述的微惯导测量实体外形的装置，其特征在于所述装置的携带 方式可以设计成手拿式，也可以根据选用器件的体积设计成肩扛式。
5、 利用权利要求l所述的微惯导测量实体外形的装置，实现实体外形测量的方法，其 特征在于-1) 启动本测量装置并在插槽上进行初始对准，即将第一个定位探头对准在Pf。点，将第二个定位探头对准在Pe。点，使装置位置固定，标定陀螺零偏；2) 移动本测量装置，使其探针组滑过被测量实体表面，采集每个探针压力传感器敏感 各个表征探针伸縮的位置数据和微惯性测量单元内陀螺仪敏感本测量装置的三个轴向转动 角速度数据以及加速度计敏感本测量装置的三个轴向加速度数据；3) 测量完实体的一个表面后，将本测量装置移回起始位置，即将第一个定位探头重新置于Pf。，将第二个定位探头重新置于Pe。；将数据存储器内的数据传到PC机，再使系统装置初始化，然后移动本测量装置至实体的下一个测量表面；4) 重复上述过程，完成实体全部表面的数据采集和测量。
6、 对权利要求5所述采集和测量的实体全部表面的数据进行处理的方法，其特征在于1) 根据己知的各个探针空间排列的相对位置以及采集的每个探针伸缩的位置数据，计算出测量开始时tc时刻各个探针顶点在装置的仪器坐标系上的位置矢量(、_yb zb)';2) 根据t。时刻微陀螺输出的角速度信息和微加速度计输出的加速度信息，计算出装置在插槽的导航坐标系上的位置矢量"n >< ^)'和仪器坐标系到导航坐标系的姿态变换矩阵 。3) 根据(、x 、)'和c纟及步骤i)求得的(a凡zby，求出"时刻各个探针顶点在 导航坐标系中的位置矢量(x, y, 2,y;4) 从测量开始的t。时刻直至测量结束的、时刻，对每个时刻测量的数据都按步骤1)~步骤3)中的方法处理即可求出实体表面所有采样点在导航坐标系中的位置矢量；5) 在PC机上先过滤出探针未接触实体表面时采集的探针没有伸縮变化的数据，然后 采用造型软件完成曲面的重构造型，最终形成多面体实体表面模型。
7、对权利要求5所述的微惯导测量实体外形的装置进行初始对准所用的插槽，其特征在于所述插槽为一长方体，其上存在Pf。和Pe。两个通孔，Pf。和Pe。间的距离等于装置 上两个定位探头间的距离，装置的两个定位探头可以插在Pf。和Pe。内使装置位置固定。
全文摘要
一种微惯导测量实体外形的装置，包括外形数据采集探针组、捷联惯性导航系统、数据存储器；外形数据采集探针组由一排带压力传感器的可伸缩探针组成，捷联惯性导航系统由微型惯性测量单元和导航计算机组成，测量时先对准，后测量实体的一个表面，再对准，再测量，直至结束，由处理软件计算出实体外形。本发明运动自由，能以方便的姿态测量实体内部和外部外形；体积小，操作方便；成本低，便于推广应用。本发明适用于机械、建筑、航空、航天、军工、汽车、工业制造等行业中三维复杂实体尺寸、外形和相互位置的准确测量，尤其适用于各种实体的逆向工程。
文档编号G01B21/20GK101246005SQ200810101249
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月3日 优先权日2008年3月3日
发明者乙冉冉, 星 宋, 张海鹏, 房建成, 冶 陶, 马艳武 申请人:北京航空航天大学