基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法与流程

本发明涉及数字化测量技术领域，尤其涉及一种基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法。

背景技术：

由于大型飞机的机翼、机身等部件往往具有面积大、刚度小、易变形等特点以及大型飞机工作环境的特殊性，因而在大型飞机部件的装配过程中，需要借助多个数字化设备(如各种定位器、工业机器人等)进行辅助装配。

为了在装配过程中，保证各数字化设备、工装及部件之间准确的相对位置关系，因此需要建立统一的测量场，进而建立统一的装配坐标系(即全局坐标系)。

建立统一的测量场主要依赖大范围高精度的测量设备(如激光跟踪仪、igps、工业相机等)。其中，由于激光跟踪仪具有精度高、可移动、工作范围广等特点，其是航空装配任务中常用的测量仪器。

目前，建立统一的测量场的方式为：在工作空间内，在稳定不动的位置(如地面或固定工装等)安装多个测量辅助点(enhancedreferencesystem，缩写为ers，也称为增强参考系统)和多台激光跟踪仪，每台激光跟踪仪测量多个测量辅助点位置，而待装配部件的装配坐标系由这些空间位置已知的测量辅助点确定。此时，测量辅助点在装配坐标系下的坐标值可认为是固定不变的，但是由于测量辅助点的实际位置会因温度、重力等因素发生变化，从而会导致装配坐标系中的坐标轴方向和单位长度会随时间变化，进而造成构建的测量场中会存在较大的测量误差，对大型部件的装配质量造成影响。

装配坐标系确定后，在进行转站过程中，通常采用svd算法或best-fit算法，其每次仅能确定两台激光跟踪仪的测量坐标系之间的相对位置姿态关系，而距离较远的仪器之间要经过多次转站才能确定彼此之间的相对关系、再将数据统一到装配坐标系下，由此易造成较大的转站累计误差。

在目标工件工装(设置有目标测量点)与基准工件工装(设置有基准测量点)的对合装配过程中，需要先测量目标测量点和基准测量点的实测位置，然后将测量数据分别与其理想模型中的理论位置做加权平均，再分别拟合出目标工件工装和基准工件工装的位姿，并以该位姿数据驱动调姿。但是，由于参与拟合的测量数据会由于安装误差和测量误差存在较大的不确定度，易导致拟合出的目标工件工装和基准工件工装的位姿不准，进而影响装配质量。

技术实现要素：

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法，其测量辅助点的位置选择约束较少，更为灵活，避免了测量辅助点之间的相对位置因温度、重力等原因发生漂移的问题，提高了多激光跟踪仪测量场的测量精度。

本发明的另一个目的在于提供一种基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法，转站计算采用基于全局优化思想的光束平差法，可一次性完成多台激光跟踪仪之间的转站计算，从而避免了每次只确定两台激光跟踪仪之间的位姿造成的误差积累问题，提高了基于多激光跟踪仪测量场的测量精度。

本发明的再一个目的在于提供一种基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法，其采用激光跟踪仪的实测数据指导调姿，避免了对目标工件工装上的目标测量点的测量数据与其在理想数模中的位置分别进行融合、估计目标测量点位置的过程，减小了目标测量点放置误差对目标测量点位置估计结果的影响，提高了测量精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法，其包括步骤s1-s5。

s1，在三维软件中分别建立基准工件工装和目标工件工装的三维模型并完成装配，以获得理想装配体模型。

s2，在实际工作空间内，设置多台激光跟踪仪和多个测量辅助点，以构建出多激光跟踪仪测量场，其中每台激光跟踪仪具有测量坐标系并至少测量三个测量辅助点的空间位置、各测量辅助点至少被两台激光跟踪仪测量，且将其中一台激光跟踪仪的测量坐标系定义为全局坐标系。

s3，基于不同激光跟踪仪对同一测量辅助点的测量结果、采用光束平差法进行迭代计算，求出任意两台激光跟踪仪之间的齐次转换矩阵以及各测量辅助点在全局坐标系下的坐标。

s4，基于各测量辅助点在参与测量的激光跟踪仪下的测量结果以及参与测量的激光跟踪仪与对应的激光跟踪仪之间的齐次转换矩阵，计算出各测量辅助点在全局坐标系下的坐标。

s5，在所述多激光跟踪仪测量场中，将目标工件工装装配于基准工件工装，所述基准工件工装上布置有多个基准测量点、所述目标工件工装布置有多个目标测量点，且s5包括步骤：

s51，固定基准工件工装、将目标工件工装与基准工件工装相对设置，且目标工件工装连接有自动化对接设备；

s52，基准测量点在在数量上为g、目标测量点在数量上为h，从三维软件中的理想装配体模型上获取基准工件工装上的所述多个基准测量点的理论位置以及目标工件工装上的所述多个目标测量点的理论位置其中，i表示所述多个基准测量点的编号，j表示所述多个目标测量点的编号；

s53，通过所述多台激光跟踪仪以及所述多台激光跟踪仪相互之间的齐次转换矩阵得到基准工件工装上的所述多个基准测量点在全局坐标系下的实测位置目标工件工装上的所述多个目标测量点在全局坐标系下的实测位置

s54，根据基准工件工装上的所述多个基准测量点在全局坐标系下的实测位置建立基准工件工装的基准工装坐标系、以及根据目标工件工装上的所述多个目标测量点在全局坐标系下的实测位置建立目标工件工装的目标工装坐标系；

s55，通过所述多个基准测量点的实测位置和理论位置求出实际的基准工件工装到三维软件中的理想装配体模型之间的齐次变换矩阵t1且

s56，求出三维软件中的理想装配体模型到实际的基准工件工装之间的齐次变换矩阵t0且t0＝(t1)^-1；

s57，通过所述多个目标测量点的实测位置和理论位置求出实际的目标工件工装到三维软件中的理想装配体模型之间的齐次变换矩阵t2且

s58，计算出目标工件工装从当前的实测位置到理想位置之间的齐次变换矩阵t3且t3＝t0·t2＝(t1)^-1·t2，并计算出目标工件工装的所述多个目标测量点在理想装配状态下的理想位置

s59，在实际工作空间内，自动化对接设备驱动目标工件工装完成齐次变换矩阵t3所定义的空间刚体运动，以将目标工件工装装配于基准工件工装。

本发明的有益效果如下：

测量辅助点的作用不再是构成全局坐标系的基准、而是帮助多台激光跟踪仪确定相互之间的位姿关系，因而测量辅助点的位置选择约束较少，更为灵活，避免了测量辅助点之间的相对位置因温度、重力等原因发生漂移的问题，提高了基于多激光跟踪仪测量场的测量精度，避免了复杂的补偿算法。并且，由于转站计算采用基于全局优化思想的光束平差法，其可一次性完成多台激光跟踪仪之间的转站计算，从而避免了每次只确定两台激光跟踪仪之间的位姿造成的误差积累问题，提高了多激光跟踪仪测量场中的转站精度。同时本发明采用激光跟踪仪的实测数据进行指导调姿，避免了对目标工件工装上的目标测量点的测量数据与其在理想数模中的位置分别进行融合、估计目标测量点位置的过程，减小了目标测量点放置误差对目标测量点位置估计结果的影响，从而提高了测量精度。

附图说明

图1是在本发明的基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法中建立的多激光跟踪仪测量场的示意图。

图2是在三维软件中建立的基准工件工装1与目标工件工装2装配后的理想装配体模型图。

图3是图2的主视图。

图4是在基准工件工装1与目标工件工装2装配前，基准测量点与目标测量点的分布示意图。

其中，附图标记说明如下：

1基准工件工装21目标测量点

11基准测量点m激光跟踪仪

2目标工件工装p测量辅助点

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法。

参照图1至图4，本发明的基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法包括步骤s1、s2、s3、s4以及s5。

s1，在三维软件中分别建立基准工件工装1和目标工件工装2的三维模型并完成装配，由此获得理想装配体模型(如图2所示)。

s2，在装配现场的实际工作空间内，设置多台激光跟踪仪m和多个测量辅助点p，以构建出多激光跟踪仪测量场(如图1所示)。其中，每台激光跟踪仪m具有自身的测量坐标系(即局部坐标系)并至少测量三个测量辅助点p的空间位置、各测量辅助点p至少被两台激光跟踪仪m测量，由此使得所述多台激光跟踪仪m与多个测量辅助点p之间形成一种网状的图连接关系。并且，可将其中一台激光跟踪仪m的测量坐标系定义为全局坐标系且用o-xyz表示，而其它台的激光跟踪仪m的测量坐标系用o'-x'y'z'表示。

s3，基于不同激光跟踪仪m对同一测量辅助点p的测量结果、采用光束平差法进行迭代计算，求出任意两台激光跟踪仪m之间的齐次转换矩阵(即任意两台激光跟踪仪m之间的齐次转换矩阵的求解过程即为转站计算过程)。

这里，基于步骤s2和s3可知，测量辅助点p的作用不再是构成全局坐标系的基准(即全局坐标系未与测量辅助点p绑定)、而是帮助多台激光跟踪仪m确定相互之间的位姿关系，因而测量辅助点p的布置位置无需保证长时间不发生变化(即无需固定在地面或工作平台上的特殊位置)，只需保证尽可能同时被较多的激光跟踪仪m可见、在建立多激光跟踪仪测量场阶段保持不动即可。因此，测量辅助点p的位置选择约束较少，更为灵活，避免了测量辅助点p之间的相对位置因温度、重力等原因发生漂移的问题，提高了基于多激光跟踪仪测量场的测量精度，避免了复杂的补偿算法。

并且，在步骤s3中，由于转站计算采用基于全局优化思想的光束平差法，其可一次性完成多台激光跟踪仪m之间的转站计算，从而避免了每次只确定两台激光跟踪仪m之间的位姿造成的误差积累问题，提高了多激光跟踪仪测量场中的转站精度。

此外，相比于传统测量场的构建方式，本发明构建出的多激光跟踪仪测量场扩展了工作范围，提高了精度和工作的灵活性，能够为相关应用场景下的测量任务提供一套系统的构建和工作方法。

测量辅助点p在数量上为a、激光跟踪仪m在数量上为b，在步骤s3中，可包括步骤s31、s32、s33、s34、s35、s36以及s37。

s31，将b台激光跟踪仪m和a个测量辅助点p分别进行编号，则第f(f＝1,2…a)个测量辅助点p至少被第m(m＝1,2…b)台激光跟踪仪m和第n(n＝1,2…b,n≠m)台激光跟踪仪m测量。

s32，将第f个测量辅助点p在第m台激光跟踪仪m和第n台激光跟踪仪m测量下的实际测量结果pfm＝(xfm,yfm,zfm)、pfn＝(xfn,yfn,zfn)分别转化成球坐标p'fm＝(rfm,αfm,βfm)、p'fn＝(rfn,αfn,βfn)。

s33，由激光跟踪仪m的测距误差参数ur、俯仰角误差参数uα和方位角误差参数uβ构建权重矩阵其中，ur、uα以及uβ可通过产品手册直接获得。

s34，设第m台激光跟踪仪m与第n台激光跟踪仪m之间的齐次转换矩阵为tmⁿ，且所述齐次转换矩阵tmⁿ包括转站参数rmn和tmn，其中rmn为3×3的矩阵且表示第m台激光跟踪仪m的测量坐标系与第n台激光跟踪仪m的测量坐标系之间的旋转量、tmn为3×1的矩阵且表示第m台激光跟踪仪m的测量坐标系与第n台激光跟踪仪m的测量坐标系之间的平移量，则所有激光跟踪仪m相互之间的齐次转换矩阵为{tmⁿ}＝{t1²,t1³…t2³,t2⁴…t3⁴…}，且{tmⁿ}对应的转站参数{rmn}＝{r12,r13…r23,r24…r34…}、{tmn}＝{t12,t13…t23,t24…t34…}。

s35，根据第f个测量辅助点p在第n台激光跟踪仪m下的实际测量结果，估算出第f个测量辅助点p在第m台激光跟踪仪m下的估计结果

s36，基于马氏距离，构建出所有测量辅助点p重投影误差向量e(即待优化目标)，且e的表达式为：

s37，采用光束平差法，给定rmn和tmn初始值、再不断调整rmn和tmn的大小，直至e取得最小值，停止迭代，此时e的最小值对应的转站参数为所求的{rmn}和{tmn}。

s4，基于各测量辅助点p在参与测量的激光跟踪仪m下的测量结果以及所述参与测量的激光跟踪仪m与对应的激光跟踪仪m之间的齐次转换矩阵，计算出各测量辅助点p在全局坐标系下的坐标。具体地，对于各测量辅助点p来说：

当全局坐标系为参与测量该测量辅助点p的激光跟踪仪m的测量坐标系时，该测量辅助点p在全局坐标系下的坐标为：定义为全局坐标系的激光跟踪仪m的测量结果；

当全局坐标系为未参与测量该测量辅助点p的激光跟踪仪m的测量坐标系时，该测量辅助点p在全局坐标系下的坐标为：参与测量的激光跟踪仪m的测量结果直接乘以所述参与测量的激光跟踪仪与定义为全局坐标系的激光跟踪仪m之间的齐次转换矩阵(即一次转站到全局坐标系下)；或者，参与测量的激光跟踪仪m的测量结果先乘以所述参与测量的激光跟踪仪m与另一激光跟踪仪m之间的齐次转换矩阵、再乘以所述另一激光跟踪仪m与定义为全局坐标系的激光跟踪仪m之间的齐次转换矩阵(即二次转站到全局坐标系下)。

当然，在某些情况下，参与测量的激光跟踪仪m的测量结果也可通过两次以上转站到全局坐标系下。

s5，在所述多激光跟踪仪测量场中，将目标工件工装2装配于基准工件工装1，所述基准工件工装1上布置有多个基准测量点11、所述目标工件工装2布置有多个目标测量点21(如图4所示)，且s5包括步骤s51-s59。

s51，固定基准工件工装1、将目标工件工装2与基准工件工装1相对设置，且目标工件工装2连接有自动化对接设备(未示出)。

s52，基准测量点11在数量上为g、目标测量点21在数量上为h，从三维软件中的理想装配体模型上获取基准工件工装1上的所述多个基准测量点11的理论位置以及目标工件工装2上的所述多个目标测量点21的理论位置其中，i表示所述多个基准测量点11的编号，j表示所述多个目标测量点21的编号。

s53，通过所述多台激光跟踪仪m以及所述多台激光跟踪仪m相互之间的齐次转换矩阵{tmⁿ}，得到基准工件工装1上的所述多个基准测量点11在全局坐标系下的实测位置目标工件工装2上的所述多个目标测量点21在全局坐标系下的实测位置

s54，根据基准工件工装1上的所述多个基准测量点11在全局坐标系下的实测位置建立基准工件工装1的基准工装坐标系、以及根据目标工件工装2上的所述多个目标测量点21在全局坐标系下的实测位置建立目标工件工装2的目标工装坐标系。

在装配过程中，基准工装坐标系与目标工装坐标系之间的相对位姿用于表征基准工件工装1与目标工件工装2之间的相对位置。这里，由于基准工装坐标系是通过目标测量点21的实测数据进行建立的、而不是仅通过目标测量点21本身(目标工装坐标系的建立亦是类似)，从而避免了基准工件工装1和目标工件工装2因受重力发生形变而造成的坐标系偏移误差，由此保证了基准工件工装1与目标工件工装2之间的相对位置的准确性。

s55，通过所述多个基准测量点11的实测位置和理论位置求出实际的基准工件工装1到三维软件中的理想装配体模型之间的齐次变换矩阵t1且

s56，求出三维软件中的理想装配体模型到实际的基准工件工装1之间的齐次变换矩阵t0且t0＝(t1)^-1。

s57，通过所述多个目标测量点21的实测位置和理论位置求出实际的目标工件工装2到三维软件中的理想装配体模型之间的齐次变换矩阵t2且

s58，计算出目标工件工装2从当前的实测位置到理想位置之间的齐次变换矩阵t3且t3＝t0·t2＝(t1)^-1·t2，并计算出目标工件工装2的所述多个目标测量点21在理想装配状态下的理想位置

s59，在实际工作空间内，自动化对接设备驱动目标工件工装2完成齐次变换矩阵t3所定义的空间刚体运动，以将目标工件工装2装配于基准工件工装1。换句话说，在装配过程中，目标工件工装2的目标工装坐标系按照t3所定义的空间刚体运动进行运动。

基于步骤s5可知，本发明的基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法，采用多激光跟踪仪测量场中的激光跟踪仪m的实测数据进行指导调姿，避免了对目标工件工装2上的目标测量点21的测量数据与其在理想数模中的位置分别进行融合、估计目标测量点21位置的过程，减小了目标测量点21放置误差对目标测量点21位置估计结果的影响，从而提高了测量精度。

具体地，在步骤s59中，可包括步骤：s591，在三维软件中，通过基准工件工装1上的所述多个基准测量点11在全局坐标系下的实测位置建立基准工件工装1的预装配模型、通过目标工件工装2上的所述多个目标测量点21在全局坐标系下的实测位置建立目标工件工装2的预装配模型，并通过齐次变换矩阵t3所定义的空间刚体运动完成虚拟预装配，以获得虚拟预装配模型；s592，通过比对虚拟预装配模型与步骤s1中建立的理想装配模型，在目标工件工装2的预装配模型上找出干涉区域点{dj}；s593，求出理想装配体模型到实际的目标工件工装2之间的齐次变换矩阵t4且t4＝(t2)^-1，则干涉区域点{dj}在实际的目标工件工装2上的干涉区域位置为s594，对实际的目标工件工装2上的干涉区域进行加工，以防止在实际装配过程中产生碰撞或间隙；s595，自动化对接设备驱动目标工件工装2完成齐次变换矩阵t3所定义的空间刚体运动，以将目标工件工装2装配于基准工件工装1。

需要说明的是，如果目标工件工装2的加工精度符合装配要求，也可省去步骤s591-s594，直接执行s595即可。

目标工件工装2的实测位置与理想实测位置之间的精度为ε，为了提高目标工件工装2与基准工件工装1之间的装配精度，所述基于多激光跟踪仪m测量场的对合调姿方法还可包括步骤：

s6，在目标工件工装2装配于基准工件工装1后，通过多台激光跟踪仪m获取目标工件工装2上的所述多个目标测量点21在全局坐标系下的当前的实测位置并计算出当前的实测位置与理想位置之间的差值

s7，er＞ε时，重复步骤s5-s6，直至er＜ε，完成装配(即目标工件工装2已装配到理想位置)；

s8，er＜ε时，完成装配(即目标工件工装2已装配到理想位置)。

在步骤s55中，具体包括如下步骤：

s551，设

s552，任意基准测量点11的实测位置坐标为和理论位置坐标为选取至少四个基准测量点11且所述至少四个基准测量点11的实测位置坐标和理论位置坐标构成多组数据，即任意一组数据满足如下方程组：

s553，联立所述多组数据构成的所有方程组，求出t1中的各参数。

类似地，在步骤s57中，包括如下步骤：

s571，设

s572，任意目标测量点21的实测位置坐标为和理论位置坐标为选取至少四个目标测量点21且所述至少四个目标测量点21的实测位置坐标和理论位置坐标构成多组数据，即任意一组数据满足如下方程组：

s573，联立所述多组数据构成的所有方程组，求出t2中的各参数。

在一实施例中，本发明的基于多激光跟踪仪测量场的对合调姿方法应用于大型飞机机翼卧式装配中，其中机翼翼盒骨架作为基准工件工装1、上蒙皮及其保形工装作为目标工件工装2、目标工件工装2连接的自动化对接设备为4个三坐标数控调姿定位装置所组成的并联调姿机构。

在上蒙皮及其保形工装装配于机翼翼盒骨架之前，首先在机翼翼盒骨架上布置基准测量点(优选地，布置在机翼翼肋和翼梁上的预连接孔处)、在上蒙皮及其保形工装上安装目标测量点(优选地，目标测量点应布置在上蒙皮及其保形工装上的刚性较好、靠近外侧、易被较多台激光跟踪仪m测量到的位置)；然后采用多激光跟踪仪测量场中的多台激光跟踪仪测量m测量基准测量点和目标测量点在全局坐标系下的实测位置；之后通过上述方法得到的目标工件工装2从当前的实测位置到理论位置之间的齐次变换矩阵t3。

在具体装配过程中，机翼翼盒骨架保持固定不动，上蒙皮及其保形工装在4个三坐标数控调姿定位装置所组成的并联调姿机构的带动下，按照t3所定义的空间刚体运动进行运动，从而能够将上蒙皮及其保形工装精确的对合到机翼翼盒骨架上，由此使得上蒙皮及其保形工装与机翼翼盒骨架对齐并贴合。