CN108917723A - 一种用于圆柱形舱段对接的位姿在线测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于圆柱形舱段对接的位姿在线测量系及方法，基于多传感器融合测量理论，在对接初始状态下能够有效测量得到舱段的外形信息，基于舱段的实际外形测量数据对舱段建立局部坐标系，通过关键测量标志点实时计算舱段的对接位置与姿态，有效避免了对接端面逐渐贴合难以测量以及舱段理论模型与实际外形存在的偏差、变形导致的装配精度低、质量难以控制需要反复试装等难题，为自动化对接装配工艺提供有效的信息参量与对接状态监测与反馈，实现舱段对接过程的质量控制与制造成本。

Description

一种用于圆柱形舱段对接的位姿在线测量系统及方法

技术领域

本发明涉及航天器装配领域，具体是涉及一种用于航天器圆柱形舱段对接装配的位姿在线测量系统以及测量方法。

背景技术

航空航天领域的重大技术装备制造过程中，存在一些大、长型且具有圆柱形特征的大型舱段，这些大型舱段通常具有这样的基本结构特征：体积庞大(直径>1.5m)、径厚比高(100～150)，舱段的外侧包以蒙皮成形，中间部分的骨架由长桁连接而成，舱段的两端各有一圆形或环形端面。这一类舱段在总装对接时仍采用人工手动对接的工艺方法，整个对接过程缺少数字化测量信息反馈，对接装配的质量难以控制，对接效率低。大型舱段在线测量技术的研究，在飞机、火箭等舱段大舱段的总装对接过程发挥着重要的作用，是实现大型舱段自动化、自适应化对接装配的支撑技术。

现有在线测量系统以及测量方法采用三坐标测量机、经纬仪、激光跟踪仪等通过若干测量点直接测量圆柱形舱段的位置姿态，很少在前期考虑到舱段制造误差与前期装配带来的实际外形与CAD模型存在偏差的问题以及舱段对接框的对接大部分只能做到局部贴合，不能全局性的调整舱段姿态，不能主动适应前期制造误差和变形，从而导致装配质量难以控制、装配精度低等问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于机器视觉的圆柱形舱段位姿在线测量装置及其测量方法。

技术方案

一种用于圆柱形舱段对接的位姿在线测量系统，包括圆形人工标志点、关键测量点、双目光学相机、测量控制客户端和测量数据处理服务器；所述的圆形人工标志点粘贴于舱段柱面外形与端框表面上，用于标识舱段外形表面离散点的空间位置；所述的关键测量点粘贴于舱段柱面外形，用于舱段关键点的实时测量；所述的双目光学相机用于对圆形人工标志点成像，获取图像数据，包括舱段端面数据与柱面数据；所述的测量控制客户端用于对图像数据进行处理，计算得到舱段外表面人工标志点的空间位置坐标；所述的测量数据处理服务器用于接收测量客户端发来的测量点数据，通过对数据进行舱段端面与柱面模型参数拟合，基于实测数据模型进行舱段位置与姿态实时测量。

一种采用所述的系统进行的位姿在线测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在舱段四周布置多个双目测量相机，相机视场覆盖于舱段端面与柱面外形，建立全局坐标系，通过多相机联合标定算法，将多个双目光学相机组成的测量网络进行坐标系统一，将每个相机的局部坐标系转换到全局坐标系下，完成每对双目相机测量数据的坐标系统一；

步骤2：在舱段柱面粘贴一定数量的柱面圆形人工标志点，柱面圆形人工标志点布局原则是均匀分布于舱段柱面；在舱段端面粘贴一定数量的端面圆形人工标志点，布局原则是均匀分布于舱段端面；各视场下布局的双目光学相机获取舱段的柱面与端面图像信息，包括端面连接定位孔信息、柱面圆形人工标志点、端面圆形人工标志点及关键测量标志点图像，经双目立体视觉原理，获得柱面圆形人工标志点、端面圆形人工标志点及关键测量标志点的空间位置坐标以及端面连接定位孔位置坐标；

步骤3：将获得的端面圆形人工标志点位置坐标与定位孔位置坐标，通过平面多点拟合计算，得到舱段端框平面的几何形态参数；将获得的舱段柱面标志点测量数据进行圆柱面模型拟合，得到舱段柱面的几何形态参数；

步骤4：对基于实测数据拟合计算得到的舱段柱面、端面几何形态参数以及端面连接定位孔数据进行数据关联，建立舱段局部坐标系，并计算得到舱段的初始位置与姿态；

步骤5：使用双目光学相机测量得到关键测量标志点在全局坐标系下的位置坐标，通过舱段的初始位置与姿态经刚体变换计算得到关键测量标志点在舱段局部坐标系下的位置，该位置固定不变；

步骤6：对关键测量标志点进行实时在线测量，与步骤5得到的关键测量标志点在舱段局部坐标系下的位置结合，得到舱段局部坐标系与全局坐标系两者之间的转换关系，实现舱段位置与姿态的实时计算。

所述端面连接定位孔为4个，并且之间不具有互换性。

所述舱段柱面关键点比柱面圆形人工标志点面积和端面圆形人工标志点大；为4个以上，且不共线。

有益效果

本发明提出的一种用于航天器圆柱形舱段对接装配的位姿在线测量系统以及测量方法，基于多传感器融合测量理论，在对接初始状态下能够有效测量得到舱段的外形信息，基于舱段的实际外形测量数据对舱段建立局部坐标系，通过关键测量标志点实时计算舱段的对接位置与姿态，有效避免了对接端面逐渐贴合难以测量以及舱段理论模型与实际外形存在的偏差、变形导致的装配精度低、质量难以控制需要反复试装等难题，为自动化对接装配工艺提供有效的信息参量与对接状态监测与反馈，实现舱段对接过程的质量控制与制造成本。

附图说明

图1是舱段外形结构、端面圆形人工标志点、柱面圆形人工标志点、端面连接定位孔、关键测量标志点、以及光学测量相机布局示意图。

图2是测量系统的技术方案路线图。

图3是多个双目光学相机各自局部坐标系与全局坐标系转换示意图。

图4是双目视觉系统几何模型。

图5基于实测数据模型的舱段局部坐标系定义示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参照图1说明本发明所述的舱段在线测量系统，所述的舱段在线测量系统包括端面圆形人工标志点，柱面圆形人工标志点，端面连接定位孔，关键测量标志点，双目光学相机，测量控制客户端、测量数据处理服务器；所述的测量系统包括柱面圆形人工标志点，端面圆形人工标志点，端面连接定位孔，关键测量标志点，双目光学相机，测量控制客户端、测量数据处理服务器；所述的柱面圆形人工标志点粘贴于舱段柱面，用于标识舱段柱面离散点的空间位置；端面圆形人工标志点粘贴于舱段端面，用于标识舱段端面离散点的空间位置；端面连接定位孔用于舱段姿态的定义；关键测量标志点粘贴于舱段柱面，用于舱段关键点的实时测量；双目光学相机用于对舱段成像，获取图像数据，包括舱段端面数据与柱面数据；测量控制客户端用于对图像数据进行处理，计算得到柱面圆形人工标志点、端面圆形人工标志点及关键测量标志点的空间位置坐标；测量数据处理服务器，用于接收测量客户端发来的测量点数据，通过对数据进行舱段端面与柱面模型参数拟合，基于实测数据模型进行舱段位置与姿态实时测量。

采用上述舱段在线测量系统进行的在线测量方法：

步骤1：在舱段四周布置多个双目测量相机，相机视场覆盖于舱段端面与柱面外形，建立全局坐标系，通过多相机联合标定算法，将多个双目光学相机组成的测量网络进行坐标系统一，将每个相机的局部坐标系转换到全局坐标系下，完成每对双目相机测量数据的坐标系统一；

步骤2：在舱段柱面粘贴一定数量的柱面圆形人工标志点，柱面圆形人工标志点布局原则是均匀分布于舱段柱面；在舱段端面粘贴一定数量的端面圆形人工标志点，布局原则是均匀分布于舱段端面；各视场下布局的双目光学相机获取舱段的柱面与端面图像信息，包括端面连接定位孔信息、柱面圆形人工标志点、端面圆形人工标志点及关键测量标志点图像，经双目立体视觉原理，获得柱面圆形人工标志点、端面圆形人工标志点及关键测量标志点的空间位置坐标以及端面连接定位孔位置坐标。

步骤3：将获得的端面圆形人工标志点测量数据与端面连接定位孔测量数据，通过平面多点拟合计算，得到舱段端面的几何形态参数，将获得的柱面圆形人工标志点测量数据进行圆柱面模型拟合，得到舱段柱面的几何形态参数；

步骤4：对基于实测数据拟合计算得到的舱段柱面、端面几何形态参数以及端面连接定位孔数据进行数据关联，建立舱段局部坐标系，并计算得到舱段的初始位置与姿态；

步骤5：使用双目光学相机测量得到关键测量标志点在全局坐标系下的位置坐标，通过舱段的初始位置与姿态经刚体变换计算得到关键测量标志点在舱段局部坐标系下的位置，该位置固定不变；

步骤6：对关键测量标志点进行实时在线测量，与步骤5得到的关键测量标志点在舱段局部坐标系下的位置结合，得到舱段局部坐标系与全局坐标系两者之间的转换关系，实现舱段位置与姿态的实时计算。

所述端面连接定位孔为4个，并且之间不具有互换性，关键测量标志点为4个以上，且不共线。

参照图2，说明本发明所述的测量方法的具体步骤：

步骤1：光学相机局部坐标系与全局坐标系的统一：如图3所示，设全局坐标系为O_wX_wY_wZ_w，相机坐标系为O_cX_cY_cZ_c，空间中任意一点在两个坐标系下的坐标为(x_w,y_w,z_w)和(x_c,y_c,z_c)二者之间的对应关系可以表示如下：

其中M_ex是相机外部参数矩阵，由n、o、a、t四个向量组成，这四个向量分别代表世界坐标系O_wX_wY_wZ_w中X_w轴在相机坐标系O_cX_cY_cZ_c中的方向向量、Y_w轴在相机坐标系O_cX_cY_cZ_c中的方向向量、Z_w轴在相机坐标系O_cX_cY_cZ_c中的方向向量以及O_wX_wY_wZ_w坐标系原点在相机坐标系O_cX_cY_cZ_c中的位置，通过该矩阵可将相机局部坐标系转换到全局坐标系下。

步骤2：柱面圆形人工标志点空间位置测量：步骤1标定出了相机外参，则设舱段柱面某个柱面圆形人工标志点为点P的全局坐标为(x_p,y_p,z_p)，该空间点P在左相机C₁和右相机C₂成像平面上的成像点分别表示为p₁和p₂，O₁和O₂分别是左相机C₁和右相机C₂的光轴中心。两个相机的光轴与两个相机光心O₁和O₂的连线O₁O₂不垂直，存在一个非90°的夹角，因此两个相机的光轴视线前方理论上会相交于一点，这种双目相机模型称为双目汇聚模型，根据双目立体视觉原理与理论，点P空间位置信息可以简化为如图4所示的几何模型进行计算：

由于左相机C₁和右相机C₁均已经过内、外参标定，设他们的投影矩阵分别为M_l和M_R，可得到如下方程组

转换成矩阵形式：

但在现实测量环境中，受相机内外参标定方法影响，获得的左右相机投影矩阵M_l和M_R会有存在一定的误差，同时由于空间点坐标对应的左右相机图像坐标(u_l，v_l，)和(u_r，v_r，)在图像识别时也可能存在误差，使用利用最小二乘法对上述两个方程进行求解，对空间点P的空间位置坐标(x_p,y_p,z_p)进行估计。同样方法完成端面圆形人工标志点、端面连接定位孔、关键测量标志点的空间位置测量。

步骤3：舱段外形几何形态参数测量，分为两步

步骤3.1：舱段柱面外形参数拟合：舱段的圆柱面几何特征包括7个参数，分别是圆柱中心轴线的方向向量(a,b,c)和中心轴线的某一点坐标(x_0,y₀,z₀)，以及圆柱的半径R。使用最小二乘方法以测量点到圆柱表面的距离为优化函数，建立误差方程：

T＝[a(z_i-z₀)-c(x_i-x₀)]²+[b(x_i-x₀)-a(y_i-y₀)]²+[c(x_i-x₀)-c(z_i-z₀)]²通过引入最小二乘约束v^Tv＝min、a²+b²+c²＝1求解各参数的最佳估值。

步骤3.2：舱段端面外形参数拟合：舱段的端面为平面，空间平面方程为

z＝ax+by+c

其中a、b、c为待估计的参数。

设测量得到的舱段端面标志点集合为P＝{p(x_i，y_i，z_i)，i＝1，2，…，n}。考虑到数据在x、y、z,3个方向均存在误差，则方程改为:

其中v_x、v_y、v_z分别为x、y、z 3个方向的误差改正数，使用奇异值分解(SVD)来求解待定参数的整体最小二乘解。

步骤4：舱段位置与姿态实时测量，分为3步

步骤4.1：定义舱段局部坐标系：如图5所示，通过对舱段柱面的拟合得到舱段中轴线方向向量与起始点坐标，通过舱段端面上四个端面连接定位孔的测量并将其坐标统一到全局坐标系下，依次为P₁,P₂,P₃.P₄，四个端面连接定位孔之间不具有互换性。舱段轴线与端面的交点记为O_l(x_l,y_l,z_l)。则以交点O_l作为舱段局部坐标系的原点，将舱段轴线定义为局部坐标系的Z轴，以轴线的单位方向向量定义为Z轴的正向，已知端面连接定位孔点P₁与交点O_l(也为原点)，可得到向量作向量在轴线上的投影得到向量则向量垂直于轴线，过原点O_l作与向量平行的直线，该直线定义为X轴，以向量的方向作为X轴的正方向，最后将向量与轴线单位方向向量的叉乘作为舱段局部坐标系的Y轴，P₀(x₀,y₀,z₀)为舱段轴线上任意一点，至此完成舱段局部坐标系的定义。

步骤4.2：舱段初始位姿计算：步骤3得到了舱段的轴线信息与端面几何参数，可得到轴线与端面的唯一交点O_l(x_l,y_l,z_l)的坐标值，该点O_l(x_l,y_l,z_l)为舱段局部坐标系原点。如图5所示，向量可以分解为两个分量：向量与向量他们分别平行于和垂直于轴线上单位方向向量则

以上两式联立可得到向量

因为为舱段局部坐标系Z轴的单位方向向量，记为令X轴的单位方向向量为由于故则令Y轴的单位方向向量为得到

单位向量分别作为舱段局部坐标系X,Y,Z轴的基向量，3个基向量构成一个3×3的旋转矩阵R，代表了舱段局部坐标系到全局坐标系的旋转，即为舱段的姿态。其中

点O_l(x_l,y_l,z_l)作为舱段局部坐标系原点，代表了舱段局部坐标系到全局坐标系的位移，用T＝[x_l y_l z_l]^T表示。

步骤4.3：基于关键点测量的舱段位姿实时计算：在对接装配过程中舱段的位姿变换是刚体变换，不再对舱段的外形进行测量，而通过舱段表面的关键测量标志点实时测量进行舱段位姿实时计算。通过测量计算得到的关键特征点在局部坐标系内的位置矢量为P′_i＝[x′_i,y′_i,z′_i](i＝1,2,3,...,N)，在全局坐标系内的位置矢量为P_i＝[x_i,y_i,z_i](i＝1,2,3,...,N)，在舱段对接初始位置下，关键特征点在局部坐标系内的位置矢量P′_i与在全局坐标系内的位置矢量P_i满足关系式：

P_i ^T＝R₀P_i'^T+T₀

其中T₀＝[x_l y_l z_l]^T分别表示初始位置下舱段局部坐标系转换到全局坐系的旋转矩阵和平移矢量。对舱段在初始位置进行外形测量后进行了局部坐标系定义，步骤3和步骤4.2可知此时P_i、R₀、T₀为已知量。可得到关键特征点在局部坐标系内的位置矢量P′_i的值，且该位置矢量保持不变。

先定义第i对关键测量标志点的误差项：

e_i＝P_i-(RP′_i+T)

然后构建最小二乘问题，求使误差平方和达到极小的R,T：

利用奇异值分解法求解以上旋转矩阵R和平移矢量T。

局部坐标系转换到全局坐标系的旋转矩阵R和平移矢量T是唯一的，因此可采用平移矢量T来表示对接舱段在对接作业空间中的位置，而对接舱段在对接作业空间中的姿态则可以采用旋转矩阵R表示

至此，通过以上步骤实现对圆柱形舱段的对接位姿进行实时在线测量。

Claims (4)

1.一种用于圆柱形舱段对接的位姿在线测量系统，其特征在于包括圆形人工标志点、关键测量点、双目光学相机、测量控制客户端和测量数据处理服务器；所述的圆形人工标志点粘贴于舱段柱面外形与端框表面上，用于标识舱段外形表面离散点的空间位置；所述的关键测量点粘贴于舱段柱面外形，用于舱段关键点的实时测量；所述的双目光学相机用于对圆形人工标志点成像，获取图像数据，包括舱段端面数据与柱面数据；所述的测量控制客户端用于对图像数据进行处理，计算得到舱段外表面人工标志点的空间位置坐标；所述的测量数据处理服务器用于接收测量客户端发来的测量点数据，通过对数据进行舱段端面与柱面模型参数拟合，基于实测数据模型进行舱段位置与姿态实时测量。

2.一种采用权利要求1所述的系统进行的位姿在线测量方法，其特征在于步骤如下：步骤1：在舱段四周布置多个双目测量相机，相机视场覆盖于舱段端面与柱面外形，建立全局坐标系，通过多相机联合标定算法，将多个双目光学相机组成的测量网络进行坐标系统一，将每个相机的局部坐标系转换到全局坐标系下，完成每对双目相机测量数据的坐标系统一；

步骤2：在舱段柱面粘贴一定数量的柱面圆形人工标志点，柱面圆形人工标志点布局原则是均匀分布于舱段柱面；在舱段端面粘贴一定数量的端面圆形人工标志点，布局原则是均匀分布于舱段端面；各视场下布局的双目光学相机获取舱段的柱面与端面图像信息，包括端面连接定位孔信息、柱面圆形人工标志点、端面圆形人工标志点及关键测量标志点图像，经双目立体视觉原理，获得柱面圆形人工标志点、端面圆形人工标志点及关键测量标志点的空间位置坐标以及端面连接定位孔位置坐标；

步骤3：将获得的端面圆形人工标志点位置坐标与定位孔位置坐标，通过平面多点拟合计算，得到舱段端框平面的几何形态参数；将获得的舱段柱面标志点测量数据进行圆柱面模型拟合，得到舱段柱面的几何形态参数；

步骤4：对基于实测数据拟合计算得到的舱段柱面、端面几何形态参数以及端面连接定位孔数据进行数据关联，建立舱段局部坐标系，并计算得到舱段的初始位置与姿态；

步骤5：使用双目光学相机测量得到关键测量标志点在全局坐标系下的位置坐标，通过舱段的初始位置与姿态经刚体变换计算得到关键测量标志点在舱段局部坐标系下的位置，该位置固定不变；

步骤6：对关键测量标志点进行实时在线测量，与步骤5得到的关键测量标志点在舱段局部坐标系下的位置结合，得到舱段局部坐标系与全局坐标系两者之间的转换关系，实现舱段位置与姿态的实时计算。

3.根据权利要求2所述的位姿在线测量方法，其特征在于所述端面连接定位孔为4个，并且之间不具有互换性。

4.根据权利要求2所述的位姿在线测量方法，其特征在于所述舱段柱面关键点比柱面圆形人工标志点面积和端面圆形人工标志点大；为4个以上，且不共线。