CN107543494A - 立体标定装置及使用其测量坐标系转换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳纤维桁架结构的立体坐标系转换装置，包括碳纤维顶板、底板、中隔板和若干立柱，顶板、底板和中隔板均为等外径的圆环形且以圆心纵轴为共轴中心平行叠放，若干立柱沿着三个板的外边缘垂直板面设置并对三个板进行固定，其中，立体坐标系转换装置是由碳纤维材料一体加工成型的，其中，中隔板基本设置在顶板和底板之间距离的中间位置处。本发明也公开了一种使用该装置进行坐标系转换的方法。本发明测量时可以由经纬仪和激光跟踪仪等不同测量系统测量，快速得到不同测量系统测量数据之间的坐标系转换关系，转换精度提高。

Description

立体标定装置及使用其测量坐标系转换的方法

技术领域

本发明属于工业测量技术领域，具体涉及一种经纬仪与激光跟踪仪、激光雷达等测量系统的测量坐标系之间的转换装置，也涉及一种使用该测量坐标系之间转换的转换装置进行坐标系转换的测量方法。

背景技术

随着航天航空及船舶等工业的发展，大尺寸测量技术的应用越来越广泛。由于新技术的需求发展，在测量中经常需要用到多种大尺寸测量设备共同测量同一任务，这就需要把不同的测量设备的坐标系进行转换，即把不同测量坐标系下测量的数据转换到同一坐标系下。例如，在卫星总装测量中需要经纬仪与激光跟踪仪同时测量，经纬仪测量卫星上的立方镜，激光跟踪仪测量卫星上的销孔等靶标，最后通过经纬仪与激光跟踪仪之间的坐标系转换，计算得到销孔与立方镜之间的关系。在卫星天线形面测量中，需要经纬仪准直测量天线的光学立方镜，需要激光雷达或工业相机测量天线的形面，最后将形面拟合的周线转换到光学立方镜坐标系下。

当前，不同坐标系基准转换过程中使用的是公共点转换法，该方法需要在被测空间范围内均匀布置3个以上的固定靶标点，靶标点可以被使用的测量系统识别。测量时不同测量系统分别测量固定的靶标点，利用拟合算法计算出不同测量坐标系之间的转换矩阵和平移矢量。但是该方法需要临时固定公共靶标点，测量效率低，且不同测量系统可同时识别的靶标点制作精度低。本课题组的任春珍曾提出了一种基于碳纤维板的多系统测量基准集成转换标准器(CN201310138473.3)，把经纬仪常用的光学立方镜与激光跟踪仪常用的靶球座集中固定在一块碳纤维板上，由计量部门标定得到碳纤维板上光学立方镜与靶球座坐标系之间的关系。在现场测量时由经纬仪直接测量碳纤维板上的光学立方镜基准，由激光跟踪仪测量靶球座基准，然后用计量的转换关系传递计算得到经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系下测量得到的数据之间的转换矩阵和平移矢量。该方法提高了现场测量不同测量系统坐标系之间的转换效率。但是由于测量基准在同一平面内其转换精度不足。

因此，为解决上述问题，非常有必要提供一种简单可靠的测量系统，能够显著提高转换精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种立体的坐标系转换装置，该装置基于碳纤维桁架结构，将被测靶球座和光学立方镜分布在该碳纤维结构的不同高度，靶球座分布覆盖了被测空间，对整个被测空间的误差进行了强制约束，既可以提高坐标系转换效率也可以提高坐标系转换精度。

此外，本发明另外提供了一种利用基于碳纤维桁架结构的立体坐标系转换装置进行坐标系转换的测量方法，该装置可以实现经纬仪、激光跟踪仪、激光雷达、室内GPS等测量系统的坐标系快速高精度转换。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的基于碳纤维桁架结构的立体坐标系转换装置，包括碳纤维顶板、底板、中隔板和若干立柱，顶板、底板和中隔板均为等外径的圆环形且以圆心纵轴为共轴中心平行叠放，若干立柱沿着三个板的外边缘垂直板面设置并对三个板进行固定，其中，立体坐标系转换装置是由碳纤维材料一体加工成型的，其中，中隔板基本设置在顶板和底板之间距离的中间位置处。

其中，所述碳纤维材料型号为：T300。

其中，碳纤维顶板的圆环上设置四个靶球座，四个靶球座随机布置，优选围绕圆周均布。光学立方镜由K9玻璃材料加工成的20mm×20mm×20mm的正六面体，表面镀有反射膜，立方镜通过914胶粘贴在碳纤维顶板的圆环上。

其中，碳纤维底板和中间板的圆环上分别设置两个靶球座，两个靶球座随机分布，优选对称设置在圆周上。

其中，靶球座由铟钢材料加工而成，靶球座与激光跟踪仪、激光雷达等靶球匹配。

进一步地，靶球座通过914胶粘贴在碳纤维圆环上。

其中，碳纤维底板上设置有三个高度可调的调平支撑，均匀分布在碳纤维底板上，通过高度调节调整整个桁架结构的水平。

利用上述基于碳纤维桁架结构的立体坐标系转换装置进行坐标系转换的测量方法，包括如下步骤：

1)对立体坐标系转换装置上的靶球座的位置和光学立方镜的中心位置和镜面法线指向进行标定，标定时首先三坐标测量机测量碳纤维顶板上的4个靶球座的坐标系为O2-X2Y2Z2，在该坐标系下测量8个靶球座的坐标D1、D2…D8，以及光学立方镜的镜面法线X1、Y1、Z1和立方镜中心O1，由镜面法线及中心坐标确定坐标系O1-X1Y1Z1,确定O1-X1Y1Z1与O2-X2Y2Z2的关系矩阵A和平移矢量T，并保存；

2)将立体坐标系转换装置放置在被测产品附近。测量时将经纬仪摆放在被测产品和坐标系转换装置周围，测量被测产品上光学立方镜M相对立体坐标系转换装置上光学立方镜的关系矩阵B和平移矢量Tb；

3)由激光跟踪仪或激光雷达、摄影测量、或室内GP系统测量立体坐标系转换装置上的8个靶球座和被测产品上的销孔靶标在测量系统本身坐标系下的坐标值；设8个靶球座在测量系统本身坐标系下的坐标为P1、P2…P8,产品上被测销孔靶标在测量系统本身坐标系下的坐标为C1、C2…Cn；

4)设测量系统坐标系与O2-X2Y2Z2的关系矩阵为S和平移矢量K，则

(D1 D2 … Dn)＝(P1 P2 … Pn)S+K (1)

将已标定的数据(D1 D2 … Dn)和现场测量得到的(P1 P2 … Pn)代入公式(1)，由最小二乘算法拟合得到矩阵S和矢量K；

4)再将产品上被测销孔靶标在测量系统本身坐标系下的坐标C1、C2…Cn等代入公式(1)得到其在O2-X2Y2Z2坐标系下的坐标值C1’、C2’…Cn’；

5)将C1’、C2’…Cn’代入公式(2)，得到被测产品上销孔靶标在光学立方镜M坐标系下的坐标C1”、C2”…Cn”：

(C1” C2” … Cn”)＝B^-1{A[(C1” C2” … Cn”)+T]-Tb} (2)。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

该装置基于碳纤维桁架结构，上面固定安装了光学立方镜和靶球座，靶球座分布在桁架结构上，呈立体分布，立方镜坐标系X1Y1Z1与靶球座构成的坐标系X2Y2Z2的转换关系矩阵(设为矩阵A)和平移矢量(设为矢量T)由计量单位测出，测量时可以由经纬仪和激光跟踪仪等不同测量系统测量，快速得到不同测量系统测量数据之间的坐标系转换关系，转换精度提高。该系统已经在卫星装配测量中进行了应用。

附图说明

图1是基于碳纤维桁架结构的立体坐标系转换装置的结构示意图；

其中，1碳纤维底板、2碳纤维立柱、3碳纤维中隔板、4铟钢靶球座、5碳纤维顶板、6光学立方镜、7可调支撑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，这些说明仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

如图1所示，本发明的基于碳纤维桁架结构的立体坐标系转换装置包括：1块碳纤维底板1、4根碳纤维立柱2、1块碳纤维中隔板3、8个铟钢靶球座4、1块碳纤维顶板5、1块光学立方镜6、3个可调支撑7构成。碳纤维顶板5、碳纤维底板1和碳纤维中隔板3均为等外径的圆环形且以圆心纵轴为共轴中心平行叠放，4根立柱2沿着三个板的外边缘垂直板面设置并对三个板进行固定，其中，立体坐标系转换装置是由T300碳纤维材料一体加工成型的，结构稳定，在15℃-30℃温度范围内结构变形不超过1um。其中，中隔板3基本设置在顶板和底板之间距离的中间位置处。

在一具体的实施方式中，铟钢靶球座4均布在顶板5、中隔板3和底板1上。顶板5上的4个靶球座4构成坐标系O2-X2Y2Z2。靶球座4通过914胶与碳纤维板连接。靶球座4上可以放置激光跟踪仪、激光雷达、室内GPS的靶球。光学立方镜6通过914胶与碳纤维顶板连接。

在另一实施方式中，3个可调支撑7通过914胶均匀粘贴在碳纤维底板上，每个支撑上下可调，以对整个装置的水平度进行调节。

在又一实施方式中，碳纤维顶板的圆环上设置四个靶球座，四个靶球座围绕圆周均布。光学立方镜6由K9玻璃材料加工成的20mm×20mm×20mm的正六面体，表面镀有反射膜，立方镜通过914胶粘贴在碳纤维顶板的圆环上。

该装置研制后，经过计量部门标定装置上的靶球座的位置和光学立方镜的中心位置和镜面法线指向。计量部门标定时首先三坐标测量机测量碳纤维顶板上的4个靶球座确定坐标系O2-X2Y2Z2，在该坐标系下测量8个靶球座的坐标D1、D2…D8，以及光学立方镜的镜面法线X1、Y1、Z1和立方镜中心O1。由镜面法线及中心坐标确定坐标系O1-X1Y1Z1,计算O1-X1Y1Z1与O2-X2Y2Z2的关系矩阵A和平移矢量T，并保存。

在现场测量时，测量流程如下：

1)将标定装置放置在被测产品附近。经纬仪测量被测产品上光学立方镜M相对标定装置上光学立方镜的关系矩阵B和平移矢量Tb。

2)由激光跟踪仪或激光雷达、摄影测量、或室内GPS等系统测量标定装置上的8个靶球座和被测产品上的销孔等靶标在测量系统本身坐标系下的坐标值。设8个靶球座在测量系统本身坐标系下的坐标为P1、P2…P8,产品上被测销孔等靶标在测量系统本身坐标系下的坐标为C1、C2…Cn。

3)设测量系统坐标系与O2-X2Y2Z2的关系矩阵为S和平移矢量K。则

(D1 D2 … Dn)＝(P1 P2 … Pn)S+K (1)

将计量部门标定的数据(D1 D2 … Dn)和现场测量得到的(P1 P2 … Pn)代入公式(1)，由最小二乘算法拟合得到矩阵S和矢量K。

4)再将产品上被测销孔等靶标在测量系统本身坐标系下的坐标C1、C2…Cn等代入公式(1)得到其在O2-X2Y2Z2坐标系下的坐标值C1’、C2’…Cn’。

5)将C1’、C2’…Cn’代入公式(2)，得到被测产品上销孔等靶标在光学立方镜M坐标系下的坐标C1”、C2”…Cn”。

(C1” C2” … Cn”)＝B^-1{A[(C1” C2” … Cn”)+T]-Tb} (2)

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于碳纤维桁架结构的立体坐标系转换装置，包括碳纤维顶板、底板、中隔板和若干立柱，顶板、底板和中隔板均为等外径的圆环形且以圆心纵轴为共轴中心平行叠放，若干立柱沿着三个板的外边缘垂直板面设置并对三个板进行固定，其中，立体坐标系转换装置是由碳纤维材料一体加工成型的，其中，中隔板基本设置在顶板和底板之间距离的中间位置处。

2.如权利要求1所述的立体坐标系转换装置，其中，所述碳纤维材料型号为T300。

3.如权利要求1所述的立体坐标系转换装置，其中，碳纤维顶板的圆环上设置四个靶球座，四个靶球座随机布置，优选围绕圆周均布。

4.如权利要求1所述的立体坐标系转换装置，其中光学立方镜由K9玻璃材料加工成的20mm×20mm×20mm的正六面体，表面镀有反射膜，立方镜通过914胶粘贴在碳纤维顶板的圆环上。

5.如权利要求1-4任一项所述的立体坐标系转换装置，其中，碳纤维底板和中间板的圆环上分别设置两个靶球座，两个靶球座随机分布。

6.如权利要求5所述的立体坐标系转换装置，其中，两个靶球座对称设置在碳纤维底板和中间板的圆环上。

7.如权利要求1-4任一项所述的立体坐标系转换装置，其中，靶球座由铟钢材料加工而成，靶球座与激光跟踪仪、激光雷达等靶球匹配。

8.如权利要求1-4任一项所述的立体坐标系转换装置，其中靶球座通过914胶粘贴在碳纤维圆环上。

9.如权利要求1-4任一项所述的立体坐标系转换装置，其中，碳纤维底板上设置有三个高度可调的调平支撑，均匀分布在碳纤维底板上，通过高度调节调整整个桁架结构的水平。

10.如权利要求1-9任一项所述的立体坐标系转换装置进行坐标系转换的测量方法，包括如下步骤：

1)对所述立体坐标系转换装置上的靶球座的位置和光学立方镜的中心位置和镜面法线指向进行标定，标定时首先三坐标测量机测量碳纤维顶板上的4个靶球座并由拟合算法得到坐标系为O2-X2Y2Z2，在所述坐标系下测量8个靶球座的坐标D1、D2…D8，以及光学立方镜的镜面法线X1、Y1、Z1和立方镜中心O1，由镜面法线及中心坐标确定坐标系O1-X1Y1Z1,确定O1-X1Y1Z1与O2-X2Y2Z2的关系矩阵A和平移矢量T；

2)将立体坐标系转换装置放置在被测产品附近，测量时在被测产品和坐标系转换装置周围摆放经纬仪，测量被测产品上光学立方镜M相对立体坐标系转换装置上光学立方镜的关系矩阵B和平移矢量Tb；

3)由激光跟踪仪或激光雷达、摄影测量、或室内GP系统测量立体坐标系转换装置上的8个靶球座和被测产品上的销孔靶标在测量系统本身坐标系下的坐标值；设8个靶球座在测量系统本身坐标系下的坐标为P1、P2…P8,产品上被测销孔靶标在测量系统本身坐标系下的坐标为C1、C2…Cn；

4)设测量系统坐标系与O2-X2Y2Z2的关系矩阵为S和平移矢量K，则

(D1 D2 … Dn)＝(P1 P2 … Pn)S+K (1)

将已标定的数据(D1 D2 … Dn)和现场测量得到的(P1 P2 … Pn)代入公式(1)，由最小二乘算法拟合得到矩阵S和矢量K；

4)再将产品上被测销孔靶标在测量系统本身坐标系下的坐标C1、C2…Cn等代入公式(1)得到其在O2-X2Y2Z2坐标系下的坐标值C1’、C2’…Cn’；

5)将C1’、C2’…Cn’代入公式(2)，得到被测产品上销孔靶标在光学立方镜M坐标系下的坐标C1”、C2”…Cn”：

(C1" C2" … Cn")＝B^-1{A[(C1" C2" … Cn")+T]-Tb} (2)。