CN104154859A - 一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，步骤如下：一、确定测量对象，规划测量区域；二、构建iGPS测量网络；三、选取激光跟踪仪测量位置；四、在测量场中选取测量公共点；五、使用iGPS对公共点位置坐标进行测量；六、使用激光跟踪仪对公共点位置坐标进行测量；七、将激光跟踪仪融合到iGPS测量网络的坐标系中；八、对多尺度测量场测量精度进行分析；九、对多尺度测量场集成检测过程进行仿真；十、使用iGPS网络和激光跟踪仪对装配过程进行集成检测与控制。本发明弥补了iGPS测量系统无法对遮蔽点进行测量的缺点，通过构建全场统一坐标系，达到了对装配过程统一监测的目的，并实现了装配过程的实时监测。
Description
技术领域
本发明提供一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，它涉及一种基于室内GPS即iGPS(indoor GPS)测量网络和激光跟踪仪的多尺度测量场集成检测方法，用于飞机数字化装配过程的监测与控制，解决装配现场全场空间位置实时跟踪测量的问题，属于数字化测量的技术领域。
背景技术
该iGPS测量网络是一种空间大尺寸坐标测量系统，具有高精度、高可靠性和高效率等测量特点，可对装配现场全场空间位置进行跟踪测量，用于解决飞机外形、大型船身等大尺寸对象的精密测量及装配问题。但是在无法直接测量的环境下，如壳体内侧等位置的测量应用受到极大的限制。激光跟踪仪也是飞机大部件等大尺寸坐标测量的常用系统之一，具有高精度、便于移动、可控性强等优点。但激光跟踪仪存在测量盲区、转站系统误差大、测量精度随距离增加下降速度明显等缺点。单一的测量设备已经无法满足飞机装配过程中复杂的测量环境需求，合理融合iGPS测量网络和激光跟踪仪的优点，进行组网测量，则可以规避各自的缺点，实现统一坐标系下的全场测量，解决飞机装配过程中的复杂的检测与控制问题。
发明内容
(一)发明目的
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，它是一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，解决了飞机装配过程中无法在统一坐标系下对全场目标无差别覆盖和实时监测与控制的问题，最终达到对飞机装配过程的数字化控制的目的。
(二)技术方案
本发明提供了一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法。选用iGPS测量网络作为全场测量坐标网络，选用激光跟踪仪作为测量延伸系统以及测量标定系统。在iGPS测量场中添加公共点作为多尺度测量场统一测量枢纽。
由旋转激光自动经纬仪即R-LATs(Rotary-Laser Automatic Theodolites)构成的iGPS测量网络可以实现对大空间(通常单个发射器测量范围2-55m)的全局测量，其测量网络可以覆盖未被遮挡的每一点，且具有0.1mm的高测量精度。激光跟踪仪的测量精度则可以达到15μm±6μm/m。一方面，可以通过建立公共点的方式将激光跟踪仪通过坐标转换算法统一到iGPS的坐标系统下。由于激光跟踪仪和iGPS为两个不同的测量系统，对于指定空间内的同一点，在各自的坐标系中具有不同的测量值。理论上3个测量点即可以确定一个坐标系，通过公共点在两种设备坐标系内的不同测量值可以确定激光跟踪仪和iGPS不同的坐标系位置以及姿态。通常取公共点(必须在两种设备测量区域的可重叠覆盖区域内)数目不少于三个，以公共点为枢纽，将两者坐标系关联。其原理为首先使用iGPS通过类似于多点拟合的方法(减小测量误差)测得公共点在iGPS坐标系统下的坐标值S，然后使用激光跟踪仪对公共点测量得到测量值S’，接下来利用基于罗德里格矩阵的坐标转换算法将激光跟踪仪的坐标系转换到iGPS测量网络的大空间坐标系下。使用空间分析即SA(Spatial analysis)软件中的坐标转换功能，则SA软件则会根据测量值S和S’求得三维坐标转换算法中的姿态矩阵R，以此作为接下来坐标转换的参数。之后激光跟踪仪对目标点的测量值则会通过该坐标转换矩阵转化到iGPS网络系统中，从而实现测量坐标的统一。另一方面，由于激光跟踪仪比较iGPS具有更高的测量精度，因此可以利用激光跟踪仪对iGPS以及组合测量网络进行精度标定。
本发明一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其具体步骤如下：
步骤一、确定测量对象，规划测量区域；
步骤二、构建iGPS测量网络；
步骤三、选取激光跟踪仪测量位置；
步骤四、在测量场中选取测量公共点；
步骤五、使用iGPS对公共点位置坐标进行测量；
步骤六、使用激光跟踪仪对公共点位置坐标进行测量；
步骤七、将激光跟踪仪融合到iGPS测量网络的坐标系中；
步骤八、对多尺度测量场测量精度进行分析；
步骤九、对多尺度测量场集成检测过程进行仿真；
步骤十、使用iGPS网络和激光跟踪仪对装配过程进行集成检测与控制。
其中，在步骤一中所述的“测量对象”，是指在测量目标上选取的参考点，作为测量点；
其中，在步骤一中所述的“规划测量区域”，其规划过程如下：确定测量对象的分布情况，然后选择能够包覆所有测量对象的凸多边形区域作为测量区域。
其中，在步骤二中所述的“构建iGPS测量网络”，该iGPS测量网络指的是室内GPS测量系统，是由发射器、基准尺、控制器、接收器等组成的大尺寸测量网络，其具体构建过程如下：
步骤1、安置发射器，应保证发射器位置能够覆盖测量对象，选取具有最佳测量效果的矩形覆盖；
步骤2、设备供电，连接控制柜；
步骤3、使用基准尺对iGPS测量网络进行标定，完成iGPS测量网络坐标系的建立；
步骤4、将矢量测棒vector bar通过控制软件surveyor融合到iGPS测量网络的坐标系下，完成iGPS测量网络的构建。
其中，在步骤三中所述的“选取激光跟踪仪测量位置”，其选取的方式应该根据测量对象和iGPS发射器的位置共同决定。
其中，在步骤四中所述的“选取测量公共点”，其选取应遵循共同测量原则(即可以被iGPS和激光跟踪仪共同测量)和最小误差原则(即应保证iGPS测量网络和激光跟踪仪最小测量系统误差)，且公共点的数量需保证三个以上。
其中，在步骤五中所述的“使用iGPS对公共点位置坐标进行测量”，其具体实施步骤如下：
步骤1、使用iGPS对公共点直接测量，得到单次测量坐标值；
步骤2、对公共点进行重复测量，统计多次测量结果；
步骤3、对多次测量结果进行蒙特卡洛模拟，得到最终测量坐标值。
其中，在步骤六中所述的“使用iGPS对公共点位置坐标进行测量”，其具体实施步骤如下：
步骤1、使用激光跟踪仪对公共点直接测量，得到单次测量坐标值；
步骤2、对公共点进行重复测量，统计多次测量结果；
步骤3、移动激光跟踪仪位置，重复步骤1、2；
步骤4、将激光跟踪仪在不同位置对同一点的测量结果进行最小二乘拟合，得到单次测量结果
步骤5、对多次测量结果进行蒙特卡洛模拟，得到最终测量坐标值。
其中，在步骤七中所述的“将激光跟踪仪融合到iGPS测量网络的坐标系中”，是通过坐标转换实现，其具体过程如下：
对激光跟踪仪测量系统进行坐标转换过程使用基于罗德里格矩阵的坐标系转换模型。因为对于大角度的空间坐标转换，由于基于泰勒级数展开的方法中,旋转参数的初始值偏离真值较大，因而得不到正确的结果，但基于罗德里格矩阵的转换方法，不涉及泰勒级数展开和旋转参数初始值的选取，实现了纯线性化方法解决非线性约束问题的思想，因而其依然能得到很高的转换精度。另外，在基于罗德里格矩阵的方法中，不需要计算复杂的三角函数，也不需迭代运算，计算过程简单明了。因此，当两个坐标系间的旋转角较大时，基于罗德里格矩阵的坐标转换方法，对坐标系间的旋转角大小没有限制，算法简单而有效，具有更好的适用性。在飞机装配过程中，涉及到很多大角度的转动，因而基于罗德里格矩阵的坐标转换模型更适合；
具体方法为：使用iGPS和激光跟踪仪分别对场内公共点进行测量，分别得到测量结果。根据两种设备对公共点的测量结果，分别求解旋转因子以及平移参数。从而构建完整的转换模型，实现坐标系统的转换。
其中，在步骤八中所述的“对多尺度测量场测量精度进行分析”，其具体过程如下：
在多尺度测量场中，因为已知激光跟踪仪的测量精度为0.01mm，而iGPS的测量精度为0.1mm，考虑多尺度测量场构建过程中存在精度损失，因此选择使用激光跟踪仪测量结果作为参考标准。首先用激光跟踪仪对场内待测点进行测量并得到点坐标，计算两两点之间的距离作为标准距离。然后，利用组合测量系统对待测点进行测量，同样的出两两点之间的距离。通过与标准距离进行比对，可以得出多尺度测量场在一定置信区间内的测量精度。
其中，在步骤九中所述的“对多尺度测量场集成检测过程进行仿真”，该仿真是在CATIA和DELMIA中完成的，使用CATIA对设备和环境进行建模，使用DELMIA对工艺和资源进行管理。
其中，在步骤十中所述的“进行集成检测与控制”，其方法是在上述步骤即其前之步骤完成多尺度测量场的建立之后，使用组合系统对目标共同监测的过程。
(三)发明的优点及功效
与现有技术相比，本发明的有益效果是通过将激光跟踪仪融合到iGPS测量网络中，弥补了iGPS测量系统无法对遮蔽点进行测量的缺点，通过构建全场统一坐标系，达到了对装配过程统一监测的目的，并实现了装配过程的实时监测，这对于飞机数字化装配的理解具有重大的意义，有助于改善飞机装配必须依赖工装的传统思路。
附图说明
图1(a)为iGPS测量角度示意图；
图1(b)为iGPS多站测量示意图；
图2为多尺度测量场设备布局示意图；
图3为本发明所述方法的技术路线框图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍。
本发明一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，见图1-图3，其具体步骤如下：
步骤一、确定测量对象，规划测量区域；
步骤二、构建iGPS测量网络；
步骤三、选取激光跟踪仪测量位置；
步骤四、在测量场中选取测量公共点；
步骤五、使用iGPS对公共点位置坐标进行测量；
步骤六、使用激光跟踪仪对公共点位置坐标进行测量；
步骤七、将激光跟踪仪融合到iGPS测量网络的坐标系中；
步骤八、对多尺度测量场测量精度进行分析；
步骤九、对多尺度测量场集成检测过程进行仿真；
步骤十、使用iGPS网络和激光跟踪仪对装配过程进行集成检测与控制。
其中，步骤一所述的测量对象指的是在测量目标上选取的参考点，作为测量点；
其中，步骤二所述iGPS测量网络指的是室内GPS测量系统，是由发射器、基准尺、控制器、接收器等组成的大尺寸测量网络，其具体构建过程如下：
步骤1、安置发射器，应保证发射器位置能够覆盖测量对象，选取具有最佳测量效果的矩形覆盖；
步骤2、设备供电，连接控制柜；
步骤3、使用基准尺对iGPS进行标定，完成iGPS测量网络坐标系的建立；
步骤4、将vector通过控制软件surveyor融合到iGPS测量网络的坐标系下，完成iGPS测量网络的构建。
其中，步骤三所述激光跟踪仪测量位置的选取应该根据测量对象和iGPS发射器的位置共同决定；
其中，步骤四所述的测量公共点的选取应遵循共同测量原则(即可以被iGPS和激光跟踪仪共同测量)和最小误差原则(即应保证iGPS测量网络和激光跟踪仪最小测量系统误差)。且公共点的数量需保证三个以上。
其中，步骤五所述过程具体实施步骤如下：
步骤1、使用iGPS对公共点直接测量，得到单次测量坐标值；
步骤2、对公共点进行重复测量，统计多次测量结果；
步骤3、对多次测量结果进行蒙特卡洛模拟，得到最终测量坐标值；
其中，步骤六所述过程具体实施步骤如下：
步骤1、使用激光跟踪仪对公共点直接测量，得到单次测量坐标值；
步骤2、对公共点进行重复测量，统计多次测量结果；
步骤3、移动激光跟踪仪位置，重复步骤一、二；
步骤4、将激光跟踪仪在不同位置对同一点的测量结果进行最小二乘拟合，得到单次测量结果
步骤5、对多次测量结果进行蒙特卡洛模拟，得到最终测量坐标值；
其中，步骤七所述过程通过坐标转换实现，具体过程如下：
对激光跟踪仪测量系统进行坐标转换过程使用基于罗德里格矩阵的坐标系转换模型。因为对于大角度的空间坐标转换，由于基于泰勒级数展开的方法中,旋转参数的初始值偏离真值较大，因而得不到正确的结果，但基于罗德里格矩阵的转换方法，不涉及泰勒级数展开和旋转参数初始值的选取，实现了纯线性化方法解决非线性约束问题的思想，因而其依然能得到很高的转换精度。另外，在基于罗德里格矩阵的方法中，不需要计算复杂的三角函数，也不需迭代运算，计算过程简单明了。因此，当两个坐标系间的旋转角较大时，基于罗德里格矩阵的坐标转换方法，对坐标系间的旋转角大小没有限制，算法简单而有效，具有更好的适用性。在飞机装配过程中，涉及到很多大角度的转动，因而基于罗德里格矩阵的坐标转换模型更适合。
具体方法为：使用iGPS和激光跟踪仪分别对场内公共点进行测量，分别得到测量结果。根据两种设备对公共点的测量结果，分别求解旋转因子以及平移参数。从而构建完整的转换模型，实现坐标系统的转换。
其中，步骤八所述过程具体过程如下：
在多尺度测量场中，因为已知激光跟踪仪的测量精度为0.01mm，而iGPS的测量精度为0.1mm，考虑多尺度测量场构建过程中存在精度损失，因此选择使用激光跟踪仪测量结果作为参考标准。首先用激光跟踪仪对场内待测点进行测量并得到点坐标，计算两两点之间的距离作为标准距离。然后，利用组合测量系统对待测点进行测量，同样的出两两点之间的距离。通过与标准距离进行比对，可以得出多尺度测量场在一定置信区间内的测量精度。
其中，步骤九所述仿真是在CATIA和DELMIA中完成的，使用CATIA对设备和环境进行建模，使用DELMIA对工艺和资源进行管理
其中，在步骤十中所述的“进行集成检测与控制”，其方法是在上述步骤即其前之步骤完成多尺度测量场的建立之后，使用组合系统对目标共同监测的过程。
Claims (10)
1.一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：其具体步骤如下：
步骤一、确定测量对象，规划测量区域；所述的“测量对象”，是指在测量目标上选取的参考点，作为测量点；所述的“规划测量区域”，其规划过程如下：确定测量对象的分布情况，然后选择能够包覆所有测量对象的凸多边形区域作为测量区域；
步骤二、构建iGPS测量网络；
步骤三、选取激光跟踪仪测量位置；
步骤四、在测量场中选取测量公共点；
步骤五、使用iGPS对公共点位置坐标进行测量；
步骤六、使用激光跟踪仪对公共点位置坐标进行测量；
步骤七、将激光跟踪仪融合到iGPS测量网络的坐标系中；
步骤八、对多尺度测量场测量精度进行分析；
步骤九、对多尺度测量场集成检测过程进行仿真；
步骤十、使用iGPS网络和激光跟踪仪对装配过程进行集成检测与控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：在步骤二中所述的“构建iGPS测量网络”，该iGPS测量网络指的是室内GPS测量系统，是由发射器、基准尺、控制器、接收器等组成的大尺寸测量网络，其具体构建过程如下：
步骤1、安置发射器，应保证发射器位置能够覆盖测量对象，选取具有最佳测量效果的矩形覆盖；
步骤2、设备供电，连接控制柜；
步骤3、使用基准尺对iGPS测量网络进行标定，完成iGPS测量网络坐标系的建立；
步骤4、将矢量测棒vector bar通过控制软件surveyor融合到iGPS测量网络的坐标系下，完成iGPS测量网络的构建。
3.根据权利要求1所述的一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：在步骤三中所述的“选取激光跟踪仪测量位置”，其选取的方式应该根据测量对象和iGPS发射器的位置共同决定。
4.根据权利要求1所述的一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：在步骤四中所述的“选取测量公共点”，其选取应遵循共同测量原则，即被iGPS和激光跟踪仪共同测量原则，和最小误差原则，即应保证iGPS测量网络和激光跟踪仪最小测量系统误差原则，且公共点的数量需保证三个以上。
5.根据权利要求1所述的一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：在步骤五中所述的“使用iGPS对公共点位置坐标进行测量”，其具体实施步骤如下：
步骤1、使用iGPS对公共点直接测量，得到单次测量坐标值；
步骤2、对公共点进行重复测量，统计多次测量结果；
步骤3、对多次测量结果进行蒙特卡洛模拟，得到最终测量坐标值。
6.根据权利要求1所述的一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：在步骤六中所述的“使用iGPS对公共点位置坐标进行测量”，其具体实施步骤如下：
步骤1、使用激光跟踪仪对公共点直接测量，得到单次测量坐标值；
步骤2、对公共点进行重复测量，统计多次测量结果；
步骤3、移动激光跟踪仪位置，重复步骤1、2；
步骤4、将激光跟踪仪在不同位置对同一点的测量结果进行最小二乘拟合，得到单次测量结果；
步骤5、对多次测量结果进行蒙特卡洛模拟，得到最终测量坐标值。
7.根据权利要求1所述的一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：在步骤七中所述的“将激光跟踪仪融合到iGPS测量网络的坐标系中”，是通过坐标转换实现，其具体过程如下：
对激光跟踪仪测量系统进行坐标转换过程使用基于罗德里格矩阵的坐标系转换模型；因为对于大角度的空间坐标转换，由于基于泰勒级数展开的方法中,旋转参数的初始值偏离真值较大，因而得不到正确的结果，但基于罗德里格矩阵的转换方法，不涉及泰勒级数展开和旋转参数初始值的选取，实现了纯线性化方法解决非线性约束问题的思想，因而其依然能得到很高的转换精度；另外，在基于罗德里格矩阵的方法中，不需要计算复杂的三角函数，也不需迭代运算，计算过程简单明了，因此，当两个坐标系间的旋转角较大时，基于罗德里格矩阵的坐标转换方法，对坐标系间的旋转角大小没有限制，算法简单而有效，具有更好的适用性；在飞机装配过程中，涉及到很多大角度的转动，因而基于罗德里格矩阵的坐标转换模型更适合；
具体方法为：使用iGPS和激光跟踪仪分别对场内公共点进行测量，分别得到测量结果，根据两种设备对公共点的测量结果，分别求解旋转因子以及平移参数，从而构建完整的转换模型，实现坐标系统的转换。
8.根据权利要求1所述的一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：在步骤八中所述的“对多尺度测量场测量精度进行分析”，其具体过程如下：在多尺度测量场中，因为已知激光跟踪仪的测量精度为0.01mm，而iGPS的测量精度为0.1mm，考虑多尺度测量场构建过程中存在精度损失，因此选择使用激光跟踪仪测量结果作为参考标准；首先用激光跟踪仪对场内待测点进行测量并得到点坐标，计算两两点之间的距离作为标准距离，然后，利用组合测量系统对待测点进行测量，同样的出两两点之间的距离，通过与标准距离进行比对，得出多尺度测量场在预定置信区间内的测量精度。
9.根据权利要求1所述的一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：在步骤九中所述的“对多尺度测量场集成检测过程进行仿真”，该仿真是在CATIA和DELMIA中完成的，使用CATIA对设备和环境进行建模，使用DELMIA对工艺和资源进行管理。
10.根据权利要求1所述的一种用于飞机数字化装配的多尺度测量场集成检测方法，其特征在于：在步骤十中所述的“进行集成检测与控制”，其方法是在其前之步骤完成多尺度测量场的建立之后，使用组合系统对目标共同监测的过程。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jing Xishuang Inventor after: Zhang Chengyang Inventor after: Ling Xuanzhe Inventor after: Zhang Pengfei Inventor after: Song Zhanghuan Inventor after: Chen Liangjie Inventor after: Zhao Gang Inventor before: Jing Xishuang Inventor before: Zhang Pengfei Inventor before: Song Zhanghuan Inventor before: Chen Liangjie Inventor before: Zhao Gang |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20141119 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |