CN106908078A - 一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法 - Google Patents

一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，具体步骤为：（1）建立发射机模型；（2）布置发射机网络，并设置转速；（3）放置光电传感器，并建立发射机坐标系；（4）划分标定单元，并采集标定点数据；（5）建立发射机透视投影模型，并进行点集坐标变换；（6）计算旋转矩阵和单位平移矢量；（7）确定比例因子，计算平移矩阵；（8）进行全局优化，得到最终旋转矩阵和平移矩阵，操作过程简单可行，提高了系统测量精度和工作效率，并降低了系统成本。

Description

一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法
技术领域
本发明涉及一种用于大尺寸测量的网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法。其原理是：首先以线性方法实现每个标定单元的精确标定，再以非线性优化的方法实现网络化全局标定。
背景技术
随着航空、航天、船舶以及汽车等大型产品部件装配及大部件对接装配对精度定位、位姿实时测控的要求日益提高，大尺寸空间数字化测量系统及其应用技术受到工业界和学术界的广泛关注。目前在国际上应用比较成熟的大尺寸测量技术主要包括激光跟踪仪测量系统、大视场视觉测量系统以及经纬仪测量系统等。
网络化大尺寸空间定位系统是近几年发展起来的新型大尺寸测量技术，其主要由多个测量基站构成，可同时监测大型被测物的各个部件，实时性高，并行性好，通过增加基站的方式协调了测量精度与大空间的矛盾，应用前景广泛。在进行测量之前，需要对该系统进行标定，而现有的标定方法通常使用其它辅助测量设备，操作过程较繁琐，而且会增加成本，不利于现场应用。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明目的在于提供一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，实现系统的快速、精确标定，从而实现高精度、全方位的大尺寸空间测量。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，包括以下步骤：
1）建立发射机模型；
2）布置发射机网络，并设置转速；
3）放置光电传感器，并建立发射机坐标系；
4）划分标定单元，并采集标定点数据；
5）建立发射机透视投影模型，并进行点集坐标变换；
6）计算旋转矩阵和单位平移矢量；
7）确定比例因子，计算平移矩阵；
8）进行全局优化，得到最终旋转矩阵和平移矩阵。
与现有技术相比，本发明避免了使用其它辅助测量设备，采用线性与非线性相结合的方法来实现系统的全局标定。首先用二维标定杆采集标定点数据，以线性方法对每个标定单元分别进行标定；再以线性方法求出的参数为初值，采用非线性优化的方法求解最优测量系统的参数。本发明保证了求解参数为全局最优，且求解速度快，因此保证了系统参数标定精度，此外，本发明切实可行，且操作简单，提高了工作效率。
附图说明
图1为发射机结构示意图。
图2为建立发射机坐标系示意图；
图3为发射机透视投影模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，包括以下步骤：
1)如图1所示，在旋转平台内部安装两个红色线性激光器，并在交流伺服电机的驱动下绕旋转轴逆时针匀速旋转，工作时向空间内发出两道具有固定角度的扇形激光平面和LED脉冲信号，LED脉冲信号作为激光平面旋转的初始时刻；
2)如图2所示，以四台发射机为例，根据测量空间布置发射机网络，给各台发射机分别设置一个转速，分别是2000r/min、2100r/min、2200r/min、2300r/min，并对发射机进行编号分别是一号发射机1、二号发射机2、三号发射机3、四号发射机4；
3)如图2所示，在发射机网络前方放置一个光电传感器，建立各发射机坐标系，具体方法是以激光平面在旋转轴上的交点为坐标系原点，沿发射机旋转轴向下为Y轴正向，以激光平面1扫过光电传感器时与水平面的交线为Z轴正向，通过右手定则确定X轴方向；
4)以一号发射机坐标系作为世界坐标系，每两台发射机作为一个标定单元，分别是：一号发射机和二号发射机为标定单元i,一号发射机和三号发射机为标定单元ii，一号发射机和四号发射机为标定单元iii，用固定长度的标定杆采集标定点数据；
5)如图3所示，以标定单元i为例，建立发射机透视投影模型，计算标定点在投影平面上的投影点坐标，并通过平移变换和缩放变换进行投影点集坐标变换，以一号发射机为例，模型如下：
和
其中，：进行坐标变换之前发射机投影平面上的投影点坐标；
：进行坐标变换之后发射机投影平面上的投影点坐标；
：发射机的点集坐标变换矩阵；
：发射机的坐标缩放变换矩阵，，，
是点集中各点到图像原点的平均距离；
：发射机的坐标平移变换矩阵，，是
点集质心坐标；
6)计算本质矩阵，并分解本质矩阵，利用物理筛选和Sampson距离最小约束剔除伪解，得到正确的旋转矩阵和单位平移矢量，具体步骤如下：
I.根据第5步中得到的经过点集坐标变换的投影点坐标，计算系数矩阵；
II. 利用奇异值分解分解系数矩阵，得到经过点集坐标变换后的本质矩阵，并通过点集坐标逆变换之前的本质矩阵；
III.利用奇异值分解分解II中得到的坐标变换前的本质矩阵，得到旋转矩阵和单位平移矢量；
IV.通过物理筛选和Sampson距离最小约束剔除III中的伪解，得到正确的旋转矩阵和单位平移矢量，模型如下：
物理筛选：保证标定点在两台发射机的前方，即且；
Sampson距离最小约束：保证在透视投影模型中，投影点到极线和的距离最小；
7)根据第6步筛选得到的正确的旋转矩阵和单位平移矢量，并以标定杆长度为约束，确定平移矢量的比例因子，得到平移矩阵；
8)以第4～7步依次计算每个标定单元的旋转矩阵和平移矩阵，并用该旋转矩阵和平移矩阵作为初值，以非线性优化的方法得到最终的旋转矩阵和平移矩阵，优化模型如下：
其中，N：标定杆采集数据次数；
：标定杆长度计算值；
L：标定杆长度真实值。

Claims (9)

1.一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）建立发射机模型；
2）布置发射机网络，并设置转速；
3）放置光电传感器，并建立发射机坐标系；
4）划分标定单元，并采集标定点数据；
5）建立发射机透视投影模型，并进行点集坐标变换；
6）计算旋转矩阵和单位平移矢量；
7）确定比例因子，计算平移矩阵；
8）进行全局优化，得到最终旋转矩阵和平移矩阵。
2.如权利要求1所述的一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所述步骤1）在旋转平台内部安装两个红色线性激光器，并在交流伺服电机的驱动下绕旋转轴逆时针匀速旋转，工作时向空间内发出两道具有固定角度的扇形激光平面和LED脉冲信号，LED脉冲信号作为激光平面旋转的初始时刻。
3.如权利要求1所述的一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所述步骤2）根据测量空间布置发射机网络，给各台发射机分别设置一个转速，以2000r/min为起点，每台发射机依次增加100r/min，并对发射机进行编号。
4.如权利要求1所述的一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所述步骤3）在发射机网络前方放置一个光电传感器，建立各发射机坐标系，以激光平面在旋转轴上的交点为坐标系原点，沿发射机旋转轴向下为Y轴正向，以激光平面1扫过光电传感器时与水平面的交线为Z轴正向，通过右手定则确定X轴方向。
5.如权利要求1所述的一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所述步骤4）每两台发射机作为一个标定单元，并以一号发射机坐标系作为世界坐标系，用固定长度的标定杆采集标定点数据。
6.如权利要求1所述的一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所述步骤5）建立发射机透视投影模型，计算标定点在投影平面上的投影点坐标，并通过平移变换和缩放变换进行投影点集坐标变换，以一号发射机为例，模型如下：和
其中，：进行坐标变换之前发射机投影平面上的投影点坐标；
：进行坐标变换之后发射机投影平面上的投影点坐标；
：发射机的点集坐标变换矩阵；
：发射机的坐标缩放变换矩阵，，，
是点集中各点到图像原点的平均距离；
：发射机的坐标平移变换矩阵，，是
点集质心坐标。
7.如权利要求6所述的一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所述步骤6）计算本质矩阵，并分解本质矩阵，利用物理筛选和Sampson距离最小约束剔除伪解，得到正确的旋转矩阵和单位平移矢量，具体步骤如下：
根据第5步中得到的经过点集坐标变换的投影点坐标，计算系数矩阵；
利用奇异值分解分解系数矩阵，得到经过点集坐标变换后的本质矩阵，并通过点集坐标逆变换得到变换之前的本质矩阵；
利用奇异值分解分解II中得到的坐标变换前的本质矩阵，得到旋转矩阵和单位平移矢量；
通过物理筛选和Sampson距离最小约束剔除III中的伪解，得到正确的旋转矩阵和单位平移矢量，模型如下：
物理筛选：保证标定点在两台发射机的前方，即且；
Sampson距离最小约束：保证在透视投影模型中，投影点到极线和的距离最小。
8.如权利要求7所述的一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所述步骤7）根据步骤6）筛选得到的正确的旋转矩阵和单位平移矢量，并以标定杆长度为约束，确定平移矢量的比例因子，得到平移矩阵。
9.如权利要求8所述的一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所述步骤4）～7）步依次计算每个标定单元的旋转矩阵和平移矩阵，并用该旋转矩阵和平移矩阵作为初值，以非线性优化的方法得到最终的旋转矩阵和平移矩阵，优化模型如下：
其中，N：标定杆采集数据次数；
：标定杆长度计算值；
L：标定杆长度真实值。
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