CN107543495A - 航天器设备自动准直测量系统、准直方法与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度的准直测量系统，包括机器人、激光跟踪仪、激光跟踪靶标(T‑MAC)、机器人末端工装等，通过模式识别搜索到航天器设备上的被测基准立方镜，并计算出基准立方镜相对经纬仪的相位方位关系，激光跟踪仪用于标定各航天器设备的坐标系间相对方位关系并统一经纬仪在不同测量位置的测量结果到同一坐标系下，利用标定关系以及相对关系、引导激光跟踪仪实时跟踪机器人末端工装并建立两者相对关系，最后计算出航天器设备的姿态关系矩阵。本发明实现了实现不同设备之间姿态关系的自动化测量，测量效率可以达到每半分钟一项，测量精度优于30″，现场测量灵活度高，且便于异地建设及测量实施。

Description

航天器设备自动准直测量系统、准直方法与测量方法

技术领域

本发明属于工业测量技术领域，具体涉及一种综合利用机器人、经纬仪、激光跟踪仪、视觉测量等设备的航天器设备间相对姿态关系的测量方法和装置，可以应用于以光学平面镜、立方镜为基准的设备间姿态角度的自动化测量。

背景技术

在以航天器总装为代表的现代大型精密系统集成制造过程中，需要精密测量大量不同设备之间的相对姿态角度。需要高精密装配的设备的基准一般采用光学平面镜或光学立方镜，用立方镜或平面镜的法线代表设备的坐标轴指向。因此，测量设备之间的相对姿态角度，就是测量不同立方镜、平面镜法线之间的空间夹角。

在测量技术领域中，由于经纬仪具有较高的测角精度，当前航天器设备间相对姿态关系测量普遍采用经纬仪建站测量方法。即利用带有准直功能的高精度经纬仪如徕卡TM5100A等，分别准直待测的平面镜、立方镜，然后通过经纬仪之间的互瞄，利用经纬仪的码盘数值计算得到航天器设备的坐标轴之间的夹角。上述测量过程需要人工搬动，并且架设经纬仪与目标立方镜以实现准直及互瞄，为了满足现场的测量要求，一般需配备3-4台设备及3-4名测量人员。特别是对于大型航天器上分布更多的设备，由于架设及准直难度的加大，完成一台设备测量的时间需要1个小时左右，十分耗时耗力。

然而，随着航天技术不断发展的需要，航天器的研制数量越来越多且尺寸越来越大，这就导致现场测量任务大大增加且难度越来越大，传统采用人工准直及测量的方法效率低下，严重影响了航天器的研制周期。单纯通过增加人员数量及工作时间等方式已无法适应当前的需求。在航天器时间紧、任务重的研制条件下，亟待研究提高测量过程自动化水平的新方法，以缩短测量周期及减少人员占用率，有效满足航天器研制需求。

目前，国外为了提高航天器测量效率和自动化水平，Leica公司为NASA设计了一套基于精密移动导轨的经纬仪准直测量系统。该系统由单向精密移动导轨、精密转台和经纬仪构成，经纬仪通过连接件固定在精密移动导轨上，可实现竖直方向的高稳定、高精度移动，移动转台带动卫星转动使被测镜到达经纬仪可测范围，经过对被测镜的准直及经纬仪间的互瞄，实现了航天器设备的高精度测量。尽管该测量系统在保证经纬仪自身坐标系高稳定、高精度水平基础上，结合转台大大减小了经纬仪转站搬运的工作量，有效提高了测量过程效率和自动化水平。但是，该方法还需依赖人工完成立方镜准直和经纬仪间互瞄操作，因此测量的自动化水平有限，也不能有效解决人工操作占用精测工作人员多的不足。

国内方面，本发明人一直致力于航天器设备自动化准直及测量技术的研究及设备的研制。分别在2013年提出“一种基于图像识别的经纬仪自动准直方法”并申请了中国专利201310553352.5，该方法利用徕卡经纬仪与CCD相机相结合实现了经纬仪自动准直技术，提高了经纬仪的准直精度和小角度(0.5°)范围内准直的自动化程度。2014年提出中国专利201510006022.3(“基于机器视觉的立方镜位姿测量引导技术”)，该技术利用外部CCD相机实现立方镜位姿的测量并引导经纬仪完成粗准直，大大提高了准直范围及自动化程度。2014年研制了“卫星上批量设备姿态角度矩阵的高精度自动化测量装置”并申请专利201410654349.7，该装置将带有CCD成像和自动准直功能的经纬仪、视觉搜索相机、精密转台、精密导轨等装置进行集成，将被测卫星固定于精密转台上，根据卫星上多个待测设备的理论安装位置，通过精密导轨、精密转台进行测量装置的自动定位，再在小范围内通过视觉搜索相机对基准立方镜进行图像识别和搜索实现自动精确准直，最终实现批量设备姿态角度矩阵的自动化测量，该装置大大提高了测量过程自动化程度及效率。

然而，高精度的测量要求使当前研制的自动化准直测量系统具有尺寸大、重量大、灵活度低的特点，该系统只能安装在固定工位，测量时需要将航天器运输到固定工位，同时该装置建设成本高且难度大，导致该装置柔性化水平较低，不便于异地航天器的测量。

而机械臂具有灵活度高、自由度高、成本低的特点，机械臂在实现自动化测量方面有巨大优势。当前高自动化水平的测量系统普遍采用机械臂结合视觉测量传感器对被测对象的点位空间坐标进行测量，系统测点精度可以达到0.2mm左右。而航天器总装过程中更加关注设备的装配角度信息，而且测量精度要求高，现有的视觉测量手段还不能满足高精度测角要求，因此无法完全复制拓展应用到航天器精度测量工作中。

为了在保证高测角精度基础上，提高测量系统的自动化水平、灵活程度及柔性化水平，需要研究一种基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备自动准直及测量方法，以提高现场测量效率并减小人员占用率，有效满足航天器研制需求。

发明内容：

针对上述问题，本发明的发明目的之一是提供一种基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度的准直测量系统，该测量系统利用机器人携带经纬仪达到目标位置，再在小范围内通过视觉搜索和图像识别技术实现精确准直，最终将准直结果统一到跟踪仪全局坐标系中，实现航天器设备间姿态关系的全自动化测量，在保证较高测角精度基础上，提高测量系统的灵活性、柔性化水平及测量效率。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述测量装置进行航天器设备间姿态角度测量自动准直的方法，为了实现基于机器人的自动化测量，要求机器人能够自动携带经纬仪移动到目标位置并实现对目标立方镜的自动化准直，而经纬仪的准直可视角范围较小，因此该方案对自动化准直精度要求较高，准直过程的自动化水平直接影响系统测量的自动化程度。

本发明的又一目的在于提供一种利用上述测量装置进行航天器设备间姿态角度测量的方法，该测量方法实现了航天器设备间姿态关系的全自动化测量，在保证较高测角精度基础上，提高测量系统的灵活性、柔性化水平及测量效率。

本发明采用了如下的技术方案：

基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度的准直测量系统，包括机器人、激光跟踪仪、激光跟踪靶标(T-MAC)、机器人末端工装、经纬仪、视觉搜索相机、辅助精对准相机、工控机和精密转台，用于准直航天器设备立方镜的经纬仪固定设置于机器人末端工装上，用于对被测产品成像的视觉搜索相机固定设置在经纬仪顶部，通过模式识别搜索到航天器设备上的被测基准立方镜，并计算出基准立方镜相对经纬仪的相位方位关系，引导经纬仪实现对被测立方镜面的自动化粗对准；辅助精对准相机用于引导经纬仪实现对被测立方镜面的自动化精对准，辅助精对准相机7通过工装固定在经纬仪的目镜位置；精密转台用于承载被测航天器设备，带动被测航天器设备绕自身竖直轴转动，并给出实际转动角度值θ，通过转动使被测航天器设备上的被测基准立方镜侧面法线指向经纬仪；

其中，激光跟踪仪用于标定各航天器设备的坐标系间相对方位关系并统一经纬仪在不同测量位置的测量结果到同一坐标系下，其坐标系为全局坐标系，用O_L-X_LY_LZ_L表示；利用激光跟踪仪标定其自身坐标系O_L-X_LY_LZ_L与机器人基坐标系O_b-X_bY_bZ_b的关系、与转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r的关系，以及经纬仪坐标系O_t-X_tY_tZ_t与机器人末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h的相对关系、与激光跟踪靶标(T-MAC)坐标系O_c-X_cY_cZ_c的相对关系；激光跟踪靶标(T-MAC)用于在机器人携带经纬仪的平移过程中，引导激光跟踪仪实时跟踪机器人末端工装并建立其自身坐标系O_c-X_cY_cZ_c与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L的相对关系(R^c _L，T^c _L)，将经纬仪在不同测量位置的准直结果统一到全局坐标系下；工控机作为总控系统，向系统中其他测量部件发送控制指令，并采集其他测量部件每个的数据信息，最后计算出航天器设备的姿态关系矩阵。

其中，工控机与经纬仪连接，读取经纬仪的水平角α和俯仰角β，并发出控制指令，使经纬仪精确准直被测反射镜面。

进一步地，工控机与视觉搜索相机、辅助精对准相机连接，读取两相机的图像信息，并进行图像处理和计算；工控机与精密转台连接，向精密转台发出控制指令使转台转动，读取精密转台实际转动的角度θ。

进一步地，工控机与机器人连接，向机器人发出控制指令使其带动经纬仪平移到目标位置。

进一步地，精密转台带有自动调平功能可以实现自动调平，调平精度优于1″。

其中，视觉搜索相机的具体引导技术参见中国专利“基于机器视觉的立方镜位姿测量引导技术”(201510006022.3)。

其中，辅助精对准相机用于引导经纬仪实现对被测立方镜面的自动化精对准，其具体引导技术参见中国专利“一种基于图像识别的经纬仪自动准直方法”(201310553352.5)。

其中，机器人用于承载经纬仪在三维空间中进行平移，以携带经纬仪到达实现镜面准直所需的位置。

其中，机器人有两个坐标系，一个是基坐标系用O_b-X_bY_bZ_b表示，另一个是末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h表示，这两个坐标系之间转换关系(R^h _b，T^h _b)由机器人自身提供。

利用上述测量装置进行航天器设备间姿态角度测量自动准直的方法，包括以下步骤：

(1)根据待测设备分布情况及精密转台位置，确定机器人的机械臂及激光跟踪仪的布设位置；

(2)将经纬仪固定在机器人末端工装上，并将经纬仪调水平；

(3)对测量系统中的各测量部件进行标定，建立各测量部件间相对方位关系，使其组成整体系统，标定步骤如下：

a)利用激光跟踪仪标定机械臂基坐标系O_b-X_bY_bZ_b与跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L间的相对位姿关系(R^b _L，T^b _L)；

b)利用激光跟踪仪对精密转台上机械销孔点进行测量，建立转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L间的相对位姿关系(R_L ^r，T_L ^r)；

c)结合a)b)两步标定结果，建立机器人基坐标系O_b-X_bY_bZ_b与转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r间相对位姿关系(R_b ^r，T_b ^r)；

d)通过激光跟踪仪与经纬仪同时对空间分布的3个以上的靶标点进行测量，利用后方交会法或公共点坐标系转换法，建立经纬仪坐标系O_t-X_tY_tZ_t与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L之间相对位姿关系(R_L ^t，T_L ^t)；

e)结合a)步的标定结果(R^b _L，T^b _L)、已知的机器人末端坐标系与基坐标系间相对方位关系(R^h _b，T^h _b)及已知的跟踪靶标T-MAC坐标系O_c-X_cY_cZ_c与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L的相对关系(R^c _L，T^c _L)，实现对机械臂末端经纬仪的手眼标定，包括经纬仪自身坐标系O_t-X_tY_tZ_t与机器人末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h相对方位关系(R^h _t，T^h _t)、经纬仪自身坐标系O_t-X_tY_tZ_t与T-Mac坐标系相对方位关系(R^c _t，T^c _t)的确定；

(4)完成系统标定后，将航天器设备固定安装在精密转台上，通过精密转台上的销钉孔进行定位，使卫星本体坐标系O_s-X_sY_sZ_s与精密转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r重合；

(5)根据待测立方镜C_i在卫星本体坐标系O_s-X_sY_sZ_s下的先验位置和姿态数据(R^s _Ci，T^s _Ci)，结合第(2)步标定结果，确定待测目标立方镜C_i在机械臂基坐标系O_b-X_bY_bZ_b下的位姿信息(R^b _Ci，T^b _Ci)，即各镜面法向单位矢量在机械臂基坐标系O_b-X_bY_bZ_b下的方位信息；

(6)通过计算确定，实现对每个立方镜面准直所对应的转台旋转角度θ_Ci，经纬仪移动目标位置(X_Ci，Y_Ci，Z_Ci)及经纬仪对应水平角和俯仰角(α_Ci0，β_Ci0)；

(7)结合手眼标定结果(R^h _t，T^h _t)，机械臂携带经纬仪到达目标位置，并通过控制经纬仪旋转到目标水平角和俯仰角，实现对立方镜面的初准直；

(8)再利用视觉搜索相机和辅助精对准相机，结合视觉引导方法引导经纬仪实现立方镜面的精对准，确定该立方镜面法线方向信息(α_Ci，β_Ci)；

(9)重复(7)-(8)步骤，直到完成对所有待测航天器设备立方镜的准直。

利用上述测量装置进行航天器设备间姿态角度测量的方法，包括以下步骤：

1)根据上述航天器设备间姿态角度测量自动准直的方法自动实现对所有待测航天器设备立方镜面的准直后，得到的立方镜面法线方向信息(α_Ci，β_Ci)是在经纬仪自身坐标系下的，对于不同立方镜面的准直，需要将经纬仪在不同位置的准直结果(α_Ci，β_Ci)统一到同一坐标系下；

2)当机械臂携带经纬仪运动，使经纬仪坐标系原点移动到目标立方镜面C_ix的法向光路范围内时，经纬仪通过准直可以获取镜面法向在自身坐标系O_tC_ix-X_tCixY_tCixZ_tCix下的水平角和俯仰角(α_Cix，β_Cix),此时精密转台的旋转角度为θ_Cix，进而确定镜面法向在经纬仪坐标系O_tCix-X_tCixY_tCixZ_tCix下的单位矢量为:

(x_tCix,y_tCix,z_tCix)＝(cos(α_Cix+θ_Cix)cos(β_Cix)，sin(α_Cix+θ_Cix)cos(β_Cix)，sin(β_Cix)) (1)

(3)根据所述手眼标定结果，即经纬仪自身坐标系O_t-X_tY_tZ_t与T-Mac坐标系O_c-X_cY_cZ_c相对方位关系(R^c _t，T^c _t)，以及跟踪仪对T-Mac的跟踪，实时记录的当前T-Mac坐标系O_c-X_cY_cZ_c与跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L间的相对位姿关系(R^L _c，T^L _c)，可以将经纬仪自身坐标系下的镜面法向单位向量统一到跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L下:

(x_LCix,y_LCix,z_LCix)^T＝R_ct*R_Lc*(x_tCix,y_tCix,z_tCix)^T (2)

(4)通过对所有立方镜C_i的X面和Y面的准直，可以将不同镜面法向的单位向量和统一在同一坐标系(跟踪仪坐标系)下；

(5)每个立方镜的Z面法向单位向量可以由X、Y面的法线矢量和叉乘得到：

(6)由矢量夹角计算公式(4)得到不同立方镜的法向向量间的夹角，再结合图4所示的矩阵关系，确定不同立方镜坐标系间的相对位姿关系。如与间的夹角β_ixijy：

确定航天器不同设备立方镜法向向量间夹角后,完成航天器设备的最终测量。

本发明将具备视觉引导自准直功能的经纬仪与机器人、精密转台、激光跟踪仪相结合，经过对测量装置的系统标定，结合被测项目的先验信息，计算出经纬仪准直的最优位置，利用机器人携带经纬仪达到目标位置，再在小范围内通过视觉搜索和图像识别技术实现精确准直，最终将准直结果统一到跟踪仪全局坐标系中，实现航天器设备间姿态关系的全自动化测量，在保证较高测角精度基础上，提高测量系统的灵活性、柔性化水平及测量效率。具体而言，通过基于机器人与经纬仪的航天器设备自动准直及测量装置，在有被测设备先验数据的条件下，可以实现以光学平面镜、光学立方镜为基准的不同设备之间姿态关系的自动化测量。测量效率可以达到每半分钟一项，测量精度优于30″，现场测量灵活度高，且便于异地建设及测量实施。目前该方法和装置在卫星总装中已经得到了良好的应用。

附图说明

图1是本发明的基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度准直测量系统的结构示意图；

其中，1－机器人、2－激光跟踪仪、3－激光跟踪靶标(T-mac)、4—机器人末端工装、5－经纬仪、6－视觉搜索相机、7－辅助精对准相机、8－工控机、9－精密转台。

图2为本发明的基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度准直测量系统结构示意图；其中，虚线表示的转换关系通过标定和设备信息直接确定，实线表示的转换关系通过计算间接确定。其中对各系统坐标系标定关系进行了图示。

图3是本发明的基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度准直测量系统中工控机通信控制连接示意图。

图4是本发明的基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度准直测量系统中立方镜的示意图。

图5是本发明的基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度准直测量系统中航天器设备立方镜分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，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。

首先，参见图1，图1显示了基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度准直测量系统的结构示意图；本发明的测量装置包括：机器人1、激光跟踪仪2、激光跟踪靶标(T-MAC)3、机器人末端工装4、经纬仪5、视觉搜索相机6、辅助精对准相机7、工控机8、精密转台9。用于准直航天器设备立方镜的经纬仪固定设置于机器人末端工装4上，用于对被测产品成像的视觉搜索相机固定设置在经纬仪5顶部，通过模式识别搜索到航天器设备上的被测基准立方镜，并计算出基准立方镜相对经纬仪的相位方位关系，引导经纬仪实现对被测立方镜面的自动化粗对准；辅助精对准相机6用于引导经纬仪5实现对被测立方镜面的自动化精对准，辅助精对准相机7通过工装固定在经纬仪5的目镜位置；精密转台9用于承载被测航天器设备，带动被测航天器设备绕自身竖直轴转动，并给出实际转动角度值θ，通过转动使被测航天器设备上的被测基准立方镜侧面法线指向经纬仪；

其中，激光跟踪仪2用于标定各航天器设备的坐标系间相对方位关系并统一经纬仪在不同测量位置的测量结果到同一坐标系下，其坐标系为全局坐标系，用O_L-X_LY_LZ_L表示；利用激光跟踪仪标定其自身坐标系O_L-X_LY_LZ_L与机器人基坐标系O_b-X_bY_bZ_b的关系、与转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r的关系，以及经纬仪坐标系O_t-X_tY_tZ_t与机器人末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h的相对关系、与激光跟踪靶标(T-MAC)坐标系O_c-X_cY_cZ_c的相对关系；激光跟踪靶标(T-MAC)用于在机器人携带经纬仪的平移过程中，引导激光跟踪仪实时跟踪机器人末端工装并建立其自身坐标系O_c-X_cY_cZ_c与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L的相对关系(R^L _c，T^L _c)，将经纬仪在不同测量位置的准直结果统一到全局坐标系下；工控机作为总控系统，向系统中其他测量部件发送控制指令，并采集其他测量部件每个的数据信息，最后计算出航天器设备的姿态关系矩阵。

在一具体实施方式中，工控机8与经纬仪5连接，读取经纬仪5的水平角α和俯仰角β，并发出控制指令，使经纬仪精确准直被测反射镜面。工控机8与视觉搜索相机6、辅助精对准相机7连接，读取两相机的图像信息，并进行图像处理和计算；工控机8与精密转台9连接，向精密转台9发出控制指令使转台转动，读取精密转台9实际转动的角度θ。

在一具体实施方式中，工控机8与机器人1连接，向机器人1发出控制指令使其带动经纬仪5平移到目标位置。精密转台9带有自动调平功能可以实现自动调平，调平精度优于1″。机器人1用于承载经纬仪5在三维空间中进行平移，以携带经纬仪5到达实现镜面准直所需的位置。机器人5有两个坐标系，一个是基坐标系用O_b-X_bY_bZ_b表示，另一个是末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h表示，这两个坐标系之间转换关系(R^h _b，T^h _b)由机器人1自身提供。

其中，视觉搜索相机的具体引导技术参见中国专利“基于机器视觉的立方镜位姿测量引导技术”(201510006022.3)。

其中，辅助精对准相机7用于引导经纬仪实现对被测立方镜面的自动化精对准，其具体引导技术参见中国专利“一种基于图像识别的经纬仪自动准直方法”(201310553352.5)。

参见图2，图2为本发明的基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度准直测量系统结构示意图；其中，虚线表示的转换关系通过标定和设备信息直接确定，实线表示的转换关系通过计算间接确定。其中对各系统坐标系标定关系进行了图示。虚线(R^h _b，T^h _b)表示机器人基坐标系到机器人末端法兰坐标系的方位关系；虚线(R^b _L，T_bL)表示激光跟踪仪坐标系到机器人基坐标系的方位关系；虚线(R^r _L，T^r _L)表示激光跟踪仪坐标系到精密转台坐标系的方位关系；虚线(R^c _L，T^c _L)表示激光跟踪仪坐标系到激光跟踪靶标(T-MAC)坐标系的方位关系；虚线(R^t _L，T^t _L)表示机器人末端经纬仪坐标系到激光跟踪仪坐标系的方位关系；实线(R^r _b，T^r _b)表示机器人基坐标系到精密转台坐标系的方位关系；实线(R^c _t，T^c _t)表示机器人末端经纬仪坐标系到激光跟踪靶标(T-MAC)坐标系的方位关系；实线(Rct，Tct)表示机器人末端经纬仪坐标系到机器人末端法兰坐标系的方位关系。

参见图3，图3是本发明的基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度准直测量系统中工控机通信控制连接示意图。本发明的基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度的准直测量系统，包括机器人、激光跟踪仪、激光跟踪靶标(T-MAC)、机器人末端工装、经纬仪、视觉搜索相机、辅助精对准相机、工控机和精密转台，用于准直航天器设备立方镜的经纬仪固定设置于机器人末端工装上，用于对被测产品成像的视觉搜索相机固定设置在经纬仪顶部，通过模式识别搜索到航天器设备上的被测基准立方镜，并计算出基准立方镜相对经纬仪的相位方位关系，引导经纬仪实现对被测立方镜面的自动化粗对准；辅助精对准相机用于引导经纬仪实现对被测立方镜面的自动化精对准，辅助精对准相机7通过工装固定在经纬仪的目镜位置；精密转台用于承载被测航天器设备，带动被测航天器设备绕自身竖直轴转动，并给出实际转动角度值θ，通过转动使被测航天器设备上的被测基准立方镜侧面法线指向经纬仪。

参见图4，图4显示了本发明的基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度准直测量系统中立方镜的示意图。本发明中涉及的专业术语如下：

1)立方镜：一个用光学玻璃做成的正交六面体，包括顶面、底面和4个侧面，每个面均镀有反射膜。3个相互正交的镜面法线可以代表设备本体坐标系的x轴、y轴、z轴指向。航天器设备的坐标系通常由立方镜表示，不同立方镜分别代表不同设备的坐标系，如图5所示。

2)姿态关系矩阵：被测立方镜的3个坐标轴相对参考基准立方镜的3个坐标轴的空间夹角构成的角度矩阵。如图5中被测立方镜C_i相对立方镜C_j的姿态角度矩阵如表1所示。

表1不同立方镜间的相对姿态角度矩阵

本发明的方法包括以下步骤：

(1)根据待测设备分布情况及精密转台位置，确定机器人的机械臂及激光跟踪仪的布设位置；

(2)将经纬仪固定在机器人末端工装上，并将经纬仪调水平；

(3)对测量系统中的各测量部件进行标定，建立各测量部件间相对方位关系，使其组成整体系统，标定步骤如下：

a)利用激光跟踪仪标定机械臂基坐标系O_b-X_bY_bZ_b与跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L间的相对位姿关系(R^b _L，T^b _L)，具体实现方法可参见论文《机器人坐标系与激光跟踪仪坐标系的快速转换方法》；

b)利用激光跟踪仪对转台上机械销孔点进行测量，可以建立转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L间的相对位姿关系(R^L _r，T^L _r)；

c)结合a)b)两步标定结果，可以建立机器人基坐标系O_b-X_bY_bZ_b与转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r间相对位姿关系(R^b _r，T^b _r)；

d)通过激光跟踪仪与经纬仪同时对空间分布的3个以上的靶标点进行测量，利用后方交会原理或公共点坐标系转换原理，建立经纬仪坐标系O_t-X_tY_tZ_t与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L之间相对位姿关系(R^L _t，T^L _t)；

e)结合a)步的标定结果(R^b _L，T^b _L)、已知的机器人末端坐标系与基坐标系间相对方位关系(R^h _b，T^h _b)及已知的跟踪靶标T-MAC坐标系O_c-X_cY_cZ_c与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L的相对关系(R^c _L，T^c _L)，可实现对机械臂末端经纬仪的手眼标定，包括经纬仪自身坐标系O_t-X_tY_tZ_t与机器人末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h相对方位关系(R^h _t，T^h _t)、经纬仪自身坐标系O_t-X_tY_tZ_t与T-Mac坐标系相对方位关系(R^c _t，T^c _t)的确定；

(4)完成系统标定后，将航天器通过销螺钉固定安装在精密转台上。通过转台上的销钉孔进行定位，使卫星本体坐标系O_s-X_sY_sZ_s与精密转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r重合；

(5)根据待测立方镜C_i在卫星本体坐标系O_s-X_sY_sZ_s下的先验位置和姿态数据(R^s _Ci，T^s _Ci)，结合第(2)步标定结果，可确定待测目标立方镜C_i在机械臂基坐标系O_b-X_bY_bZ_b下的位姿信息(R^b _Ci，T^b _Ci)，即各镜面法向单位矢量在机械臂基坐标系O_b-X_bY_bZ_b下的方位信息；

(6)通过计算可以确定，实现对每个立方镜面准直所对应的转台旋转角度θ_Ci，经纬仪移动目标位置(X_Ci，Y_Ci，Z_Ci)及经纬仪对应水平角和俯仰角(α_Ci0，β_Ci0)；

(7)结合手眼标定结果(R^h _t，T^h _t)，机械臂可携带经纬仪到达目标位置，并通过控制经纬仪旋转到目标水平角和俯仰角，实现对立方镜面的初准直；

(8)再利用视觉搜索相机和辅助精对准相机，结合视觉引导技术引导经纬仪实现立方镜面的精对准，确定该立方镜面法线方向信息(α_Ci，β_Ci)；

(9)重复(7)-(8)步骤，直到完成对所有待测航天器设备立方镜的准直。

本发明装置在对航天器设备进行自动化测量前，需要做如下准备工作：

(1)根据精密转台9位置及被测设备在航天器上的分布情况，确定机器人1及激光跟踪仪2的合理布设位置；

(2)在机器人1末端安装末端工装4并令工装上端面接近水平；

(3)在机器人末端工装4上安装激光跟踪靶标(T-MAC)3和经纬仪5，并将经纬仪调水平；

(4)系统标定。按2.3节第(3)步所述标定方法进行系统标定，最终确定机器人基坐标系与转台坐标系之间关系、经纬仪坐标系与机器人末端坐标系和激光跟踪靶标坐标系之间手眼关系。

(5)将航天器通过销螺钉固定安装在精密转台9上。通过转台上的销钉孔进行定位，使航天器本体坐标系与精密转台坐标系重合；

完成上述准备工作后，本发明的自动化测量过程如下：

(1)在工控机8项目数据库中输入被测设备的先验数据信息，结合系统标定结果，由测量程序计算出测量所有项目经纬仪5需要移动到的目标位置和对应的水平俯仰角、精密转台9的转角，并生成优化的测量顺序；

(2)工控机8给机器人1传输控制指令，携带经纬仪5平移到达目标位置。给精密转台9发生指令，控制转台旋转到目标角度。给经纬仪5发送指令，控制经纬仪旋转到对应水平角和俯仰角。机器人末端移动过程中，激光跟踪仪2实时跟踪并测量激光跟踪靶标(T-MAC)3的方位信息，并将结果实时传输给工控机8；

(3)通过辅助精对准相机7判断经纬仪5是否有示数，即被测镜面法线是否进入到视场范围内。若没有示数则开启视觉引导搜索功能，利用视觉搜索相机6搜索被测镜面法线方向，并引导经纬仪5对镜面实现粗对准，即保证经纬仪5有示数显示。当经纬仪5有示数显示时，利用辅助精对准相机7对镜面实现精对准，记录当前水平角和俯仰角读数和精密转台9的转角；

(4)完成设备镜面准直后，结合公式(1)(2)确定该镜面法向在全局坐标系下对应的单位矢量；

(5)进入下一个被测项目，重复(2)-(4)步，直到所有被测项目完成准直及测量；

(6)结合公式(3)确定全局坐标系下各被测设备的坐标系单位向量，结合公式(4)及图4，完成不同设备坐标系间姿态关系计算，最后生成数据报告。

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.基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备间姿态角度的准直测量系统，包括机器人、激光跟踪仪、激光跟踪靶标(T-MAC)、机器人末端工装、经纬仪、视觉搜索相机、辅助精对准相机、工控机和精密转台，用于准直航天器设备立方镜的经纬仪固定设置于机器人末端工装上，用于对被测产品成像的视觉搜索相机固定设置在经纬仪顶部，通过模式识别搜索到航天器设备上的被测基准立方镜，并计算出基准立方镜相对经纬仪的相位方位关系，引导经纬仪实现对被测立方镜面的自动化粗对准；辅助精对准相机用于引导经纬仪实现对被测立方镜面的自动化精对准，辅助精对准相机7通过工装固定在经纬仪的目镜位置；精密转台用于承载被测航天器设备，带动被测航天器设备绕自身竖直轴转动，并给出实际转动角度值θ，通过转动使被测航天器设备上的被测基准立方镜侧面法线指向经纬仪；

其中，激光跟踪仪用于标定各航天器设备的坐标系间相对方位关系并统一经纬仪在不同测量位置的测量结果到同一坐标系下，其坐标系为全局坐标系，用O_L-X_LY_LZ_L表示；利用激光跟踪仪标定其自身坐标系O_L-X_LY_LZ_L与机器人基坐标系O_b-X_bY_bZ_b的关系、与转台坐标系Or-X_rY_rZ_r的关系，以及经纬仪坐标系O_t-X_tY_tZ_t与机器人末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h的相对关系、与激光跟踪靶标(T-MAC)坐标系O_c-X_cY_cZ_c的相对关系；激光跟踪靶标(T-MAC)用于在机器人携带经纬仪的平移过程中，引导激光跟踪仪实时跟踪机器人末端工装并建立其自身坐标系O_c-X_cY_cZ_c与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L的相对关系(R^c _L，T^c _L)，将经纬仪在不同测量位置的准直结果统一到全局坐标系下；工控机作为总控系统，向系统中其他测量部件发送控制指令，并采集其他测量部件每个的数据信息，最后计算出航天器设备的姿态关系矩阵。

2.如权利要求1所述的准直测量系统，其中，工控机与经纬仪连接，读取经纬仪的水平角α和俯仰角β，并发出控制指令，使经纬仪精确准直被测反射镜面。

3.如权利要求1所述的准直测量系统，其中，工控机与视觉搜索相机、辅助精对准相机连接，读取两相机的图像信息，并进行图像处理和计算；工控机与精密转台连接，向精密转台发出控制指令使转台转动，读取精密转台实际转动的角度θ。

4.如权利要求1所述的准直测量系统，其中，工控机与机器人连接，向机器人发出控制指令使其带动经纬仪平移到目标位置。

5.如权利要求1所述的准直测量系统，其中，精密转台带有自动调平功能可以实现自动调平，调平精度优于1″。

6.如权利要求1-5任一项所述的准直测量系统，其中，机器人用于承载经纬仪在三维空间中进行平移，以携带经纬仪到达实现镜面准直所需的位置。

7.如权利要求1所述的准直测量系统，其中，机器人有两个坐标系，一个是基坐标系用O_b-X_bY_bZ_b表示，另一个是末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h表示，这两个坐标系之间转换关系(R^h _b，T^h _b)由机器人自身提供。

8.利用权利要求1-7任一项所述的测量装置进行航天器设备间姿态角度测量自动准直的方法，包括以下步骤：

(1)根据待测设备分布情况及精密转台位置，确定机器人的机械臂及激光跟踪仪的布设位置；

(2)将经纬仪固定在机器人末端工装上，并将经纬仪调水平；

(3)对测量系统中的各测量部件进行标定，建立各测量部件间相对方位关系，使其组成整体系统，标定步骤如下：

a)利用激光跟踪仪标定机械臂基坐标系O_b-X_bY_bZ_b与跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L间的相对位姿关系(R^b _L，T^b _L)；

b)利用激光跟踪仪对精密转台上机械销孔点进行测量，建立转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L间的相对位姿关系(R^r _L，T^r _L)；

c)结合a)b)两步标定结果，建立机器人基坐标系O_b-X_bY_bZ_b与转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r间相对位姿关系(R^r _b，T^r _b)；

d)通过激光跟踪仪与经纬仪同时对空间分布的3个以上的靶标点进行测量，利用后方交会法或公共点坐标系转换法，建立经纬仪坐标系O_t-X_tY_tZ_t与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L之间相对位姿关系(R^t _L，T^t _L)；

e)结合a)步的标定结果(R^b _L，T^b _L)、已知的机器人末端坐标系与基坐标系间相对方位关系(R^h _b，T^h _b)及已知的跟踪靶标T-MAC坐标系O_c-X_cY_cZ_c与激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L的相对关系(R^c _L，T^c _L)，实现对机械臂末端经纬仪的手眼标定，包括经纬仪自身坐标系O_t-X_tY_tZ_t与机器人末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h相对方位关系(R^h _t，T^h _t)、经纬仪自身坐标系O_t-X_tY_tZ_t与T-Mac坐标系相对方位关系(R^c _t，T^c _t)的确定；

(4)完成系统标定后，将航天器设备固定安装在精密转台上，通过精密转台上的销钉孔进行定位，使卫星本体坐标系O_s-X_sY_sZ_s与精密转台坐标系O_r-X_rY_rZ_r重合；

(5)根据待测立方镜C_i在卫星本体坐标系O_s-X_sY_sZ_s下的先验位置和姿态数据(R^s _Ci，T^s _Ci)，结合第(2)步标定结果，确定待测目标立方镜C_i在机械臂基坐标系O_b-X_bY_bZ_b下的位姿信息(R^b _Ci，T^b _Ci)，即各镜面法向单位矢量在机械臂基坐标系O_b-X_bY_bZ_b下的方位信息；

(6)通过计算确定，实现对每个立方镜面准直所对应的转台旋转角度θ_Ci，经纬仪移动目标位置(X_Ci，Y_Ci，Z_Ci)及经纬仪对应水平角和俯仰角(α_Ci0，β_Ci0)；

(7)结合手眼标定结果(R^h _t，T^h _t)，机械臂携带经纬仪到达目标位置，并通过控制经纬仪旋转到目标水平角和俯仰角，实现对立方镜面的初准直；

(8)再利用视觉搜索相机和辅助精对准相机，结合视觉引导方法引导经纬仪实现立方镜面的精对准，确定该立方镜面法线方向信息(α_Ci，β_Ci)；

(9)重复(7)-(8)步骤，直到完成对所有待测航天器设备立方镜的准直。

9.利用权利要求1-7任一项所述的测量装置进行航天器设备间姿态角度测量的方法，包括以下步骤：

1)根据权利要求9所述的航天器设备间姿态角度测量自动准直的方法自动实现对所有待测航天器设备立方镜面的准直后，得到的立方镜面法线方向信息(α_Ci，β_Ci)是在经纬仪自身坐标系下的，对于不同立方镜面的准直，需要将经纬仪在不同位置的准直结果(α_Ci，β_Ci)统一到同一坐标系下；

2)当机械臂携带经纬仪运动，使经纬仪坐标系原点移动到目标立方镜面C_ix的法向光路范围内时，经纬仪通过准直可以获取镜面法向在自身坐标系O_tCix-X_tCixY_tCixZ_tCix下的水平角和俯仰角(α_Cix，β_Cix),此时精密转台的旋转角度为θ_Cix，进而确定镜面法向在经纬仪坐标系O_tCix-X_tCixY_tCixZ_tCix下的单位矢量为:

(x_tCix,y_tCix,z_tCix)＝(cos(α_Cix+θ_Cix)cos(β_Cix)，sin(α_Cix+θ_Cix)cos(β_Cix)，sin(β_Cix))(1)

(3)根据所述手眼标定结果，即经纬仪自身坐标系O_t-X_tY_tZ_t与T-Mac坐标系O_c-X_cY_cZ_c相对方位关系(R^c _t，T^c _t)，以及跟踪仪对T-Mac的跟踪，实时记录的当前T-Mac坐标系O_c-X_cY_cZ_c与跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L间的相对位姿关系(R^c _L，T^c _L)，可以将经纬仪自身坐标系下的镜面法向单位向量统一到跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L下:

(x_LCix,y_LCix,z_LCix)^T＝R^c _t*R^c _L*(x_tCix,y_tCix,z_tCix)^T (2)

(4)通过对所有立方镜C_i的X面和Y面的准直，可以将不同镜面法向的单位向量和统一在同一坐标系(跟踪仪坐标系)下；

(5)每个立方镜的Z面法向单位向量可以由X、Y面的法线矢量和叉乘得到：

(6)由矢量夹角计算公式(4)得到不同立方镜的法向向量间的夹角，再结合图4所示的矩阵关系，确定不同立方镜坐标系间的相对位姿关系。如与间的夹角β_ixjy：

10.如权利要求9所述的方法，其中，统一坐标过程中，利用经纬仪自身坐标系O_t-X_tY_tZ_t与机器人末端坐标系O_h-X_hY_hZ_h相对方位关系(R^h _t，T^h _t)，将经纬仪在不同位置的准直结果(α_Ci，β_Ci)统一到机器人基坐标系O_b-X_bY_bZ_b下。