CN110211174A - 曲面测量装置标定的方法、设备和存储介质 - Google Patents

曲面测量装置标定的方法、设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曲面测量装置标定的方法、设备和存储介质，将用于曲面测量的测量装置置于坐标系中，根据位置关系通过两次标定，得到非接触式距离传感器基准点Od和基准轴Zd在标靶坐标系TaCS中的表示，构建计算公式，通过内点法优化算法，进行精标定计算，得到精确的Q、U、C，确定Od和Zd在TaCS坐标系的位置及方向。通过本发明，能够在曲面测量中实现提高测量点精度,实现柔性化检测的目的。

Description

曲面测量装置标定的方法、设备和存储介质
技术领域
本发明涉及曲面测量技术领域，尤其涉及一种曲面测量装置标定的方法、设备和存储介质。
背景技术
曲面测量在机械制造、汽车、航空航天等工业中具有广泛的应用，如发动机叶片、飞机机翼、汽车覆盖件、各种模具等都需要通过测量曲面面型和表面质量来保证其正常工作。
自由曲面形状复杂，如何进行测量，确保制造精度是制造业一个关键难题。由于三坐标测量机测量精度高且稳定性较好，自由曲面质量的检测主要采用三坐标测量机。由于三坐标测量机柔性不够高，且操作复杂，要提高测量效率，需要寻找一种新的柔性测量系统。
测量系统不对复杂、多样化的测量对象约束，而是通过自身灵活的配置以及强大的适应分析处理能力，来完成测量过程。基于视觉跟踪与非接触式距离传感器的高精度曲面点测量装置可以满足柔性测量。高精度空间点测量装置由跟踪仪、非接触式距离传感器，标靶组成，通过夹具把非接触式距离传感器和标靶固接一起，跟踪仪进行采集标靶在空间中的位姿信息，非接触式距离传感器测量点到测头原点的距离信息，通过非接触式距离传感器和标靶设备两者坐标系之间相对位姿关系，算出曲面点坐标。为了保证非接触式距离传感器和标靶设备数据采集同步，由同步线把两设备电信号连接起来，通过跟踪仪设备发送电信号，触发非接触式距离传感器，保证每组位姿和距离来自同一时刻。
因为高精度空间点测量装置由夹具把非接触式距离传感器和标靶固接一起，所以非接触式距离传感器与标靶的相对位置关系不够精确，依然无法获取点的准确信息，因此需要标定非接触式距离传感器和标靶设备两者坐标系之间相对位姿关系，以此保证点测量装置的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种曲面测量装置标定的方法、设备和存储介质。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种曲面测量装置标定的方法，该测量装置包括跟踪仪、非接触式距离传感器及标靶，其中，将非接触式距离传感器和标靶固接，包括：
确定测量装置的运动坐标系；其中，将标靶设备在跟踪仪中的坐标系定义为测量装置的参考坐标系，记为TaCS(Oa-xayaza)；
确定测量装置中非接触式距离传感器的基准；其中，将非接触式距离传感器给定的固定方向zd作为基准轴，在基准轴方向测量距离为0的点Od记为基准点，基准记为TCS(Od-zd)；
将非接触式距离传感器原点位置Od和基准轴zd在测量装置坐标系TaCS中表示，实现对靶标设备和非接触式距离传感器的坐标系之间位姿关系进行第一次标定；
设置一标准球，将标准球和测量装置同时置于一工作台上，使用测量装置以多种姿态对标准球进行测量，采集多组相对于标准球的标靶设备的位姿及非接触式距离传感器的距离，实现对靶标设备和非接触式距离传感器的坐标系之间位姿关系进行第二次标定；
结合第一次和第二次标定结果，通过优化算法，计算得出Od和Zd在TaCS坐标系的位置及方向。
其中，第一次标定的方式包括软件计算和分析计算。
其中，软件计算的步骤包括：将测量装置制作设计成软件模型并导入三维建模软件，根据零件模型的装配关系，设计尺寸，画出TaCS、Od和Zd，根据软件分析功能，得出Od、Zd在TaCS坐标系的位置及方向。
其中，分析计算的步骤包括：
根据非接触式距离传感器结构尺寸，设计非接触式距离传感器测头前端件的夹具，保证非接触式距离传感器测头前端件为圆孔及在传感器上上下可调；
将标准球固定在工作台上，操作测量装置以不同姿态置于高精度标准球任意侧，保证非接触式距离传感器的基准轴过标准球圆心，获取标靶的位姿及非接触式距离传感器距离信息；
根据测得数据分析并计算，得出Od、Zd在TaCS坐标系的位置及方向。
其中，操作测量装置以不同姿态置于高精度标准球任意侧时，将非接触式距离传感器测头前端件以不同姿态置于高精度标准球任意侧1-2mm，且使非接触式距离传感器测头前端件每次偏移距离不同。
其中，第一次标定包括步骤：
共获n组非接触式距离传感器到标准球的距离di，i＝1,2,3,…,n；以及与之对应的n组标靶在跟踪仪下的位姿{Ti,Ri}，i＝1,2,3,…,n；其中，n大于等于5；
采用最小二乘法，得到初值Q、U、C，求解公式可表达为
Ti+RiQ-(di+r)RiU＝C
其中，Q为非接触式距离传感器基准点Od在标靶坐标系TaCS中表示，U为非接触式距离传感器基准轴Zd在标靶坐标系TaCS中表示。
其中，第二次标定的过程中，对多个不同的标靶姿态，得到多组方程；由于有9个未知量(xQ,yQ,zQ,l,m,n,xc,yc,zc)，为保证获取的Q、U的精确性，测量装置以不同姿态在标准球球面测量m组，其中，m大于等于14，确保非接触式距离传感器距离值有效及跟踪仪跟踪到标靶前提下，共获得m组非接触式距离传感器到标准球的距离di，以及与之对应的m组标靶在跟踪仪下的位姿{Ti,Ri}。
其中，计算得出Od和Zd在TaCS坐标系的位置及方向的步骤中，包括步骤：
参考球坐标系，测量距离和标靶点之间的关系表达为；
Ti+RiQ-diRiU＝Psi
标靶上点表达为；
||Psi-C||＝r
其中，C(xc,yc,zc)为TrCS下标准球球心，Psi(xsi,ysi,zsi)为TrCS下标准球球上点，r为半径，光束原点Q坐标为(xQ,yQ,zQ)，方向U(l,m,n)；
C(xc,yc,zc)的初始值计算如下：Psi(xsi,ysi,zsi)点往U反方向延伸距离r得到C0i，对多个C0i取平均点得到初始球心，计算出C0；
将Q、U、C0的初值代入方程，公式变化为：
(xsi(Q,U)-xc)2+(ysi(Q,U)-yc)2+(zsi(Q,U)-zc)2-r2＝0
采用内点法优化算法，进行精标定计算，得到精确的Q、U、C。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种计算机设备，包括输入输出单元、存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如前述技术方案所述的曲面测量装置标定的方法中的步骤。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种存储有计算机可读指令的存储介质，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如前述技术方案所述的曲面测量装置标定的方法中的步骤。
区别于现有技术，本发明的曲面测量装置标定的方法将用于曲面测量的测量装置置于坐标系中，根据位置关系通过两次标定，得到非接触式距离传感器基准点Od和基准轴Zd在标靶坐标系TaCS中的表示，构建计算公式，通过内点法优化算法，进行精标定计算，得到精确的Q、U、C，确定Od和Zd在TaCS坐标系的位置及方向。通过本发明，能够在曲面测量中实现提高测量点精度,实现柔性化检测的目的。
附图说明
图1是本发明提供的一种曲面测量装置标定的方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种曲面测量装置标定的方法中参考球与非接触式距离传感器固接的示意图。
图3是本发明提供的一种曲面测量装置标定的方法中测量装置非接触式距离传感器测头前端件调节距离示意图。
图4是本发明提供的一种曲面测量装置标定的方法中参考球坐标TaCS与测头测得距离的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1所示，图1是本发明提供的一种曲面测量装置标定的方法的流程示意图。该测量装置包括跟踪仪、非接触式距离传感器及标靶，其中，将非接触式距离传感器和标靶固接，其步骤包括：
S110：确定测量装置的运动坐标系；其中，将标靶设备在跟踪仪中的坐标系定义为测量装置的参考坐标系，记为TaCS(Oa-xayaza)。
S120：确定测量装置中非接触式距离传感器的基准；其中，将非接触式距离传感器给定的固定方向zd作为基准轴，在基准轴方向测量距离为0的点Od记为基准点，基准记为TCS(Od-zd)。
S130：将非接触式距离传感器原点位置Od和基准轴zd在测量装置坐标系TaCS中表示，实现对靶标设备和非接触式距离传感器的坐标系之间位姿关系进行第一次标定。
S140：设置一标准球，将标准球和测量装置同时置于一工作台上，使用测量装置以多种姿态对标准球进行测量，采集多组相对于标准球的标靶设备的位姿及非接触式距离传感器的距离，实现对靶标设备和非接触式距离传感器的坐标系之间位姿关系进行第二次标定。
S150：结合第一次和第二次标定结果，通过优化算法，计算得出Od和Zd在TaCS坐标系的位置及方向。
高精度空间点测量装置由跟踪仪、非接触式距离传感器，标靶组成，通过夹具把非接触式距离传感器和标靶固接一起，跟踪仪进行采集标靶在空间中的位姿信息，非接触式距离传感器测量点到测头原点的距离信息，通过非接触式距离传感器和标靶设备两者坐标系之间相对位姿关系，算出曲面点坐标。
测量装置的运动位置姿态通过运动参考坐标系进行描述，参考坐标系记为TaCS。由于靶标点集和跟踪仪之间需要进行视觉标定，在该标定过程中已将靶标设备在跟踪仪中的运动坐标系确定下来，靶标点又固结在测量装置上，因此靶标设备在跟踪仪中的坐标系即可定义为是装置的参考坐标系TaCS(Oa-xayaza)。
非接触式距离传感器可测量传感器沿某固定方向，曲面上一点到传感器的相对距离。记基准点Ok为测量读数距离为0的点，基准轴为非接触式距离传感器所给定的固定方向Zd。因此记非接触式距离传感器的基准TCS(Od-zd)。由于在视觉标定中，测量装置的运动坐标系定义在跟踪仪坐标系TrCS中，因此基准TCS也定义在跟踪仪坐标系TrCS中。
非接触式距离传感器参考坐标系TCS位置及方向是装置的参考坐标系TaCS位姿而言，所以要确定两者坐标系之间相对的位姿关系Q，U。Q为非接触式距离传感器原点位置Od在标靶坐标系TaCS中表示，U为非接触式距离传感器Zd轴在标靶坐标系TaCS中表示。这里提供两种粗标定方法。
将点测量装置设计模型导入三维建模软件，根据零件模型的装配关系，设计尺寸，画出TaCS、Od、Zd，根据软件分析功能，得出、Od、Zd，在TaCS坐标系的位置及方向。
根据非接触式距离传感器结构尺寸，设计非接触式距离传感器测头前端件的夹具，保证非接触式距离传感器测头前端件为圆孔及在传感器上上下可调，标准球固定在工作台上，操作点测量装置以不同姿态扣到高精度标准球任意侧，保证非接触式距离传感器Zd轴过标准球圆心，获取标靶的位姿及非接触式距离传感器距离信息，根据测得数据分析并计算，得出Od、Zd，在TaCS坐标系的位置及方向。
靶标和非接触式距离传感器两者坐标系之间位姿关系精确标定。标准球固定在工作台上，操作空间点测量装置以多种姿态对标准球进行测量，采集多组标靶的位姿及非接触式距离传感器距离信息，由原先粗标定获取的数据，通过计算并根据优化算法，得出精确的Od、Zd，在TaCS坐标系的位置及方向。
按图2所示，通过夹具固接标靶和非接触式距离传感器，在工作台上固定一个高精度标准球。
第一次标定为粗标定，其方式包括软件计算和分析计算。
软件计算的步骤包括：将测量装置制作设计成软件模型并导入三维建模软件，根据零件模型的装配关系，设计尺寸，画出TaCS、Od和Zd，根据软件分析功能，得出Od、Zd在TaCS坐标系的位置及方向。
分析计算的步骤包括：
根据非接触式距离传感器结构尺寸，设计非接触式距离传感器测头前端件的夹具，保证非接触式距离传感器测头前端件为圆孔及在传感器上上下可调；
将标准球固定在工作台上，操作测量装置以不同姿态置于高精度标准球任意侧，保证非接触式距离传感器的基准轴过标准球圆心，获取标靶的位姿及非接触式距离传感器距离信息；
根据测得数据分析并计算，得出Od、Zd在TaCS坐标系的位置及方向。如图2所示。每次测量把操作测量装置以不同姿态置于高精度标准球任意侧约1-2mm，保证测头前端件每次偏移距离不同。
标准球固定在工作台上，按图3所示，操作测量装置以不同姿态对标准球进行测量，保证非接触式距离传感器Zd轴过标准球圆心及距离值有效，TaCSi在TrCS的位姿用{Ti,Ri}表示；TCS原点在TaCS中用Q表示，TCS的Z轴在TaCS中用U表示。
在本发明中，具体获取n组非接触式距离传感器到标准球的距离di，i＝1,2,3,…,n；
以及与之对应的n组标靶在跟踪仪下的位姿{Ti,Ri}，i＝1,2,3,…,n；为保证粗标定获取Q、U更精确，n大于等于5。
粗标定计算，采用最小二乘法，得到初值Q、U、C，求解公式可表达为；
Ti+RiQ-(di+r)RiU＝C；
进行精标定，对多个不同的标靶姿态，可以得到多组方程。由于有9个未知量(xQ,yQ,zQ,l,m,n,xc,yc,zc)，为保证精标定获取的Q、U更精确，手持点测量装置以不同姿态在标准球球面测量m组(m大于等于14)，确保非接触式距离传感器距离值有效及跟踪仪能够跟踪到标靶前提下，共获得m组非接触式距离传感器到标准球的距离di，以及与之对应的m组标靶在跟踪仪下的位姿{Ti,Ri}。
参考球坐标系，测量距离和标靶点之间的关系可表达为；
Ti+RiQ-diRiU＝Psi
标靶上点可表达为；
||Psi-C||＝r
其中，C(xc,yc,zc)为TrCS下标准球球心，Psi(xsi,ysi,zsi)为TrCS下标准球球上点，r为半径，光束原点Q(xQ,yQ,zQ)，方向U(l,m,n)。
C(xc,yc,zc)的初始值可如下得到：Psi(xsi,ysi,zsi)点往U反方向延伸距离r得到C0i，对多个C0i取平均点得到初始球心，计算出C0。
取粗标定获取的初值Q、U、C0，TCS在标定坐标系TaCS的位置光束原点Q(xQ,yQ,zQ)，方向U(l,m,n)的求解公式可表达为；
(xsi(Q,U)-xc)2+(ysi(Q,U)-yc)2+(zsi(Q,U)-zc)2-r2＝0
方程式均含未知量的二次项，所以采用内点法优化算法，进行精标定计算，得到更精确的Q、U、C。如图4所示。
进一步，本发明提供了一种计算机设备，包括输入输出单元、存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如前述技术方案所述的曲面测量装置标定的方法中的步骤。
进一步，本发明提供了一种存储有计算机可读指令的存储介质，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如前述技术方案所述的曲面测量装置标定的方法中的步骤。
区别于现有技术，本发明的曲面测量装置标定的方法将用于曲面测量的测量装置置于坐标系中，根据位置关系通过两次标定，得到非接触式距离传感器基准点Od和基准轴Zd在标靶坐标系TaCS中的表示，构建计算公式，通过内点法优化算法，进行精标定计算，得到精确的Q、U、C，确定Od和Zd在TaCS坐标系的位置及方向。通过本发明，能够在曲面测量中实现提高测量点精度,实现柔性化检测的目的。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种曲面测量装置标定的方法，该测量装置包括跟踪仪、非接触式距离传感器及标靶，其中，将非接触式距离传感器和标靶固接，其特征在于，包括：
确定测量装置的运动坐标系；其中，将标靶设备在跟踪仪中的坐标系定义为测量装置的参考坐标系，记为TaCS(Oa-xayaza)；
确定测量装置中非接触式距离传感器的基准；其中，将非接触式距离传感器给定的固定方向zd作为基准轴，在基准轴方向测量距离为0的点Od记为基准点，基准记为TCS(Od-zd)；
将非接触式距离传感器原点位置Od和基准轴zd在测量装置坐标系TaCS中表示，实现对靶标设备和非接触式距离传感器的坐标系之间位姿关系进行第一次标定；
设置一标准球，将标准球和测量装置同时置于一工作台上，使用测量装置以多种姿态对标准球进行测量，采集多组相对于标准球的标靶设备的位姿及非接触式距离传感器的距离，实现对靶标设备和非接触式距离传感器的坐标系之间位姿关系进行第二次标定；
结合第一次和第二次标定结果，通过优化算法，计算得出Od和Zd在TaCS坐标系的位置及方向。
2.根据权利要求1所述的曲面测量装置标定的方法，其特征在于，第一次标定的方式包括软件计算和分析计算。
3.根据权利要求2所述的曲面测量装置标定的方法，其特征在于，软件计算的步骤包括：将测量装置制作设计成软件模型并导入三维建模软件，根据零件模型的装配关系，设计尺寸，画出TaCS、Od和Zd，根据软件分析功能，得出Od、Zd在TaCS坐标系的位置及方向。
4.根据权利要求2所述的曲面测量装置标定的方法，其特征在于，分析计算的步骤包括：
根据非接触式距离传感器结构尺寸，设计非接触式距离传感器测头前端件的夹具，保证非接触式距离传感器测头前端件为圆孔及在传感器上上下可调；
将标准球固定在工作台上，操作测量装置以不同姿态置于高精度标准球任意侧，保证非接触式距离传感器的基准轴过标准球圆心，获取标靶的位姿及非接触式距离传感器距离信息；
根据测得数据分析并计算，得出Od、Zd在TaCS坐标系的位置及方向。
5.根据权利要求4所述的曲面测量装置标定的方法，其特征在于，操作测量装置以不同姿态置于高精度标准球任意侧时，将非接触式距离传感器测头前端件以不同姿态置于高精度标准球任意侧1-2mm，且使非接触式距离传感器测头前端件每次偏移距离不同。
6.根据权利要求1所述的曲面测量装置标定的方法，其特征在于，第一次标定包括步骤：
共获n组非接触式距离传感器到标准球的距离di，i＝1,2,3,…,n；以及与之对应的n组标靶在跟踪仪下的位姿{Ti,Ri}，i＝1,2,3,…,n；其中，n大于等于5；
采用最小二乘法，得到初值Q、U、C，求解公式可表达为
Ti+RiQ-(di+r)RiU＝C
其中，Q为非接触式距离传感器基准点Od在标靶坐标系TaCS中表示，U为非接触式距离传感器基准轴Zd在标靶坐标系TaCS中表示。
7.根据权利要求6所述的曲面测量装置标定的方法，其特征在于，第二次标定的过程中，对多个不同的标靶姿态，得到多组方程；由于有9个未知量(xQ,yQ,zQ,l,m,n,xc,yc,zc)，为保证获取的Q、U的精确性，测量装置以不同姿态在标准球球面测量m组，其中，m大于等于14，确保非接触式距离传感器距离值有效及跟踪仪跟踪到标靶前提下，共获得m组非接触式距离传感器到标准球的距离di，以及与之对应的m组标靶在跟踪仪下的位姿{Ti,Ri}。
8.根据权利要求1所述的曲面测量装置标定的方法，其特征在于，通过优化算法，计算得出Od和Zd在TaCS坐标系的位置及方向的步骤中，包括步骤：
参考球坐标系，测量距离和标靶点之间的关系表达为；
Ti+RiQ-diRiU＝Psi
标靶上点表达为；
||Psi-C||＝r
其中，C(xc,yc,zc)为TrCS下标准球球心，Psi(xsi,ysi,zsi)为TrCS下标准球球上点，r为半径，光束原点Q坐标为(xQ,yQ,zQ)，方向U(l,m,n)；
C(xc,yc,zc)的初始值计算如下：Psi(xsi,ysi,zsi)点往U反方向延伸距离r得到C0i，对多个C0i取平均点得到初始球心，计算出C0；
将Q、U、C0的初值代入方程，公式变化为：
(xsi(Q,U)-xc)2+(ysi(Q,U)-yc)2+(zsi(Q,U)-zc)2-r2＝0
采用内点法优化算法，进行精标定计算，得到精确的Q、U、C。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括输入输出单元、存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至8中的任一所述的曲面测量装置标定的方法中的步骤。
10.一种存储有计算机可读指令的存储介质，其特征在于，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行如权利要求1至7中的任一所述的曲面测量装置标定的方法中的步骤。
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