CN108413988B - 机器人末端经纬仪坐标系快速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器设备位姿自动测量系统机器人末端经纬仪快速标定方法，该方法通过现场布置4个以上公共靶标点，利用跟踪仪和一台经纬仪分别对公共靶标点P_i进行测量，获得公共靶标点在激光跟踪仪坐标系下的三维坐标以及在经纬仪坐标系下的方位角；再根据公共靶标点三维坐标、距离以及公共靶标点方位角，最终确定经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的相对方位关系。本发明摆脱传统利用两台经纬仪同时对多点进行测量的机器人末端经纬仪标定方法，大大提高机器人末端经纬仪现场标定过程的效率及便捷性，同时充分发挥经纬仪测角及跟踪仪测点位精度高的优势，有效提高机器人末端经纬仪标定精度，姿态标定精度优于5″，位置标定精度优于0.05mm。

Description

机器人末端经纬仪坐标系快速标定方法

技术领域

本发明属于航天器总装测试领域，具体涉及一种航天器设备位姿自动测量系统机器人末端经纬仪坐标系的快速标定方法，不仅可使自动测量系统的现场标定过程便捷、快速、易实施，而且可有效提高机器人经纬仪的标定精度。

背景技术

为了提高航天器总装过程中设备安装精度测量过程的自动化水平、灵活程度及柔性化水平，本发明人研究一种基于机器人与经纬仪相结合的航天器设备位姿信息自动准直及测量方法(受理号：201710085892.3)，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。在系统研制及使用过程中，为了实现系统中不同设备的有机统一，需要对不同设备之间的相对位姿关系进行精确标定，其中最重要的环节是机器人末端经纬仪坐标系与机器人工具坐标系及机器人末端激光跟踪靶标相对位姿关系的标定。

机器人末端经纬仪标定过程的核心环节是如何确定机器人末端经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的相对位姿关系。传统标定方法是将机器人末端经纬仪与另一台经纬仪组成经纬仪交会测量系统后，结合公共点的方法建立经纬仪测量系统与激光跟踪仪坐标系之间相对位姿关系，然后利用机器人末端经纬仪坐标系与经纬仪测量系统坐标系相对位姿关系间接确定机器人末端经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的相对位姿关系。

由于两台经纬仪组成的测量系统测点精度较低，直接影响上述标定结果精度及系统最终测量精度。另外，现场标定过程中需要架设两台经纬仪同时对公共点进行测量，使得标定过程复杂、效率低且不宜实施。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种机器人末端经纬仪快速标定方法，该方法充分利用经纬仪测角精度高与激光跟踪仪测点精度高的优势，仅利用机器人末端的一台经纬仪与激光跟踪仪配合即可实现其坐标系的快速标定，在提高标定精度同时大大提高现场标定过程的便捷性。

本发明是通过如下技术方案实现的：

为了便于现场标定实施，本发明的机器人末端经纬仪快速标定方法，快速建立机器人末端经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的相对位姿关系，然后利用事先标定完成的激光跟踪仪与机器人及末端激光跟踪靶标之间的关系，间接完成机器人末端经纬仪的快速标定。

机器人末端经纬仪快速标定方法，包括以下步骤：

1)在现场布置4个以上公共靶标点P_i，利用跟踪仪和一台经纬仪分别对公共靶标点P_i进行测量，获得公共靶标点P_i在激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L下的三维坐标(X^L _pi,Y^L _pi,Z^L _pi),在经纬仪坐标系O_T-X_TY_TZ_T下的方位角(α^T _pi,β^T _pi)；根据跟踪仪测出的公共靶标点三维坐标，计算任意两个公共靶标点之间的距离D_ij，利用经纬仪获取的公共靶标点方位角，确定公共靶标点在经纬仪坐标系下的单位向量

2)设

和r_i分别表示经纬仪原点O_L到公共靶标点P_i的向量和距离，根据上述数据建立如下几何关系：

通过联合解算上述方程得到：

其中cosθ_ij通过确定公共靶标点P_i、P_j在经纬仪坐标系下的单位向量

确定:

cosθ_ij＝cosα^T _picosα^T _pjsinβ^T _pisinβ^T _pj+sinα^T _pisinα^T _pjsinβ^T _pisinβ^T _pj

+cosβ^T _picosβ^T _pj

＝sinβ^T _pisinβ^T _pjcos(α^T _pi+α^T _pj)+cosβ^T _picosβ^T _pj (7)

3)设空间中共分布n个公共靶标点，结合上述公式(6)任意两点之间建立一个方程，联合所有两点建立的方程得规模为n(n-1)/2的方程组：

当n>3时满足上述方程组求解条件，通过迭代优化得到未知比例系数r_i，进而能够确定公共靶标点P_i在经纬仪坐标系O_T-X_TY_TZ_T下的三维坐标(X^T _pi,Y^T _pi,Z^T _pi)；

4)确定公共靶标点P_i分别在经纬仪坐标系O_T-X_TY_TZ_T和激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L的三维坐标后，利用公共点转站算法可以确定经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的相对方位关系(R^L _T,T^L _T)。

本发明提出的单经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的相对位姿关系快速高精度标定方法，摆脱传统利用两台经纬仪同时对多点进行测量的机器人末端经纬仪标定方法，大大提高航天器设备位姿自动测量系统机器人末端经纬仪现场标定过程的效率及便捷性，同时充分发挥经纬仪测角及跟踪仪测点位精度高的优势，有效提高标定精度，姿态标定精度优于5″，位置标定精度由于0.05mm。

附图说明

图1为本发明的单经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的相对位姿关系标定方法示意图。经纬仪对公共靶标点P_i测量可以获取其在经纬仪坐标系O_t-X_tY_tZ_t下的方位角(α^t _pi,β^t _pi)，激光跟踪仪对公共靶标点P_i测量可以获取其在激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L下的三维坐标(X^L _pi,Y^L _pi,Z^L _pi)，实现经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系相对方位关系标定，至少需要4个公共靶标点。

图2为本发明的机器人末端经纬仪快速标定方法应用于航天器设备位姿自动测量系统中的示意图。航天器设备位姿自动测量系统由机器人、激光跟踪仪、经纬仪、机器人末端工装、激光跟踪靶构成，其中对各系统坐标系标定关系进行了图示，虚线表示的转换关系通过现有标定技术或设备信息直接确定，实线表示的转换关系是本发明最终要实现的机器人末端经纬仪标定转换关系。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

参见图2，图2显示了本发明的机器人末端经纬仪快速标定方法应用于航天器设备位姿自动测量系统中的示意图。

由图可见，对航天器设备位姿自动测量系统机器人末端经纬仪快速高精度标定的具体实施方式进行描述：

(1)利用一台激光跟踪仪标定机器人基坐标系O_b-X_bY_bZ_b与激光跟踪仪坐标系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》；

(2)将一台经纬仪固定在机器人末端工装上，并将经纬仪调水平，机器人保存静止；

(3)在空间布置4个以上公共靶标点，分别利用经纬仪和激光跟踪仪对其测量，获得公共靶标点P_i在激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L下的三维坐标(X^L _pi,Y^L _pi,Z^L _pi),在经纬仪坐标系O_t-X_tY_tZ_t下的方位角(α^t _pi,β^t _pi)；

(4)利用上述测量数据，结合本发明提出的单经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的相对位姿关系标定方法，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)；

(5)激光跟踪仪对机器人末端激光跟踪靶进行测量，建立激光跟踪靶坐标系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)；

(6)利用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)，结合(4)、(5)步标定结果，可实现对机械臂末端经纬仪的标定，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与激光跟踪靶坐标系相对方位关系(R^c _t，T^c _t)的确定。

尽管上文对本发明专利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专利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，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.航天器设备位姿自动测量系统机器人末端经纬仪坐标系的快速标定方法，包括以下步骤：

1)在航天器设备位姿自动测量系统的现场布置4个以上公共靶标点P_i，利用跟踪仪和一台经纬仪分别对公共靶标点P_i进行测量，获得公共靶标点P_i在激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L下的三维坐标(X^L _pi,Y^L _pi,Z^L _pi),在经纬仪坐标系O_T-X_TY_TZ_T下的方位角(α^T _pi,β^T _pi)；根据跟踪仪测出的公共靶标点三维坐标，计算任意两个公共靶标点之间的距离D_ij，利用经纬仪获取的公共靶标点方位角，确定公共靶标点在经纬仪坐标系下的单位向量

2)设

和r_i分别表示经纬仪原点O_L到公共靶标点P_i的向量和距离，根据上述数据建立如下几何关系：

通过联合解算上述方程得到：

其中cosθ_ij通过确定公共靶标点P_i、P_j在经纬仪坐标系下的单位向量

确定:

3)设航天器设备位姿自动测量系统的空间中共分布n个公共靶标点，结合上述公式(2)任意两点之间建立一个方程，联合所有两点建立的方程得规模为n(n-1)/2的方程组：

当n>3时满足上述方程组求解条件，通过迭代优化得到未知比例系数r_i，进而能够确定公共靶标点P_i在经纬仪坐标系O_T-X_TY_TZ_T下的三维坐标(X^T _pi,Y^T _pi,Z^T _pi)；

4)确定公共靶标点P_i分别在经纬仪坐标系O_T-X_TY_TZ_T和激光跟踪仪坐标系O_L-X_LY_LZ_L的三维坐标后，利用公共点转站算法可以确定经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的相对方位关系(R^L _T,T^L _T)。

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