CN110516349B - 一种基于多源坐标融合的ers点误差修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于多源坐标融合的ERS点误差修正方法,属于激光测量领域,涉及一种基于多源坐标融合的ERS点误差修正方法。该方法首先通过激光跟踪仪多站位测量ERS点的坐标信息;然后依次将其他站位的测量数据转换到各站位坐标系下,求取误差均匀化质心;最后任选一个站位的坐标系为全局坐标系,并将其他站位的误差均匀化质心通过坐标变化转换至该站位的坐标系下,获得修正后的结果。该方法考虑了激光跟踪仪多站位测量下ERS点测量误差的非均匀性和各向异性,基于多源坐标融合,对ERS点的误差进行均匀化修正,能有效降低该特性所导致的装配坐标系下某局部站位测量数据偏差,实现ERS点测量误差均匀化,具有高精度、高效、高鲁棒性的优点。
Description
技术领域
本发明属于激光测量领域,涉及一种基于多源坐标融合的ERS点误差修正方法。
背景技术
测量辅助装配技术在航空航天领域重大装备装配过程中应用广泛,该技术通过构建大型的测量场,以实时测量结果辅助场内装配过程,形成具有高鲁棒性的数字化高精装配系统,可大幅提高装配效率。其中,大尺寸装配测量场的构建是测量辅助装配技术实现高效高精装配的基础。ERS点(Enhance Reference System)是大尺寸装配测量场内多站位测量数据向全局坐标系中转换的公共基准。在大尺寸装配测量场中,常以激光跟踪仪测量场内的可视ERS点及各站位的待测点。然而,在现场构建大尺寸测量场的过程中,由于复杂环境的扰动、激光跟踪仪的系统误差等因素,ERS点的坐标测量存在各向异性的非均匀误差。公共基准所具有的测量误差在坐标转换过程中会传递到最终测量结果中,引起局部测量数据严重超差。为了实现各站位测量数据到全局坐标系的高精高效转换,对作为公共基准的ERS点测量误差进行修正十分必要。
针对ERS点误差问题,清华大学的徐静等人于2017年在《IEEE Transaction onInstrumentation and Measurement》第66卷第2期发表了文章《An Accurate Point-BasedRigid Registration Method for Laser Tracker Relocation》,基于激光跟踪仪的不均匀性和各向异性的特性,推导了与距离和方向相关的加权矩阵,并将ERS点布置在边长为500mm的正方体的端点处,结合调查调整法以减少基准点的位置误差。北京航空航天大学的张承阳,在专利号:201610160703.X,专利《一种基于摄影测量提高激光跟踪仪转站精度的方法》中同时利用激光跟踪仪测量系统及摄影测量系统测量公共基准点的坐标,结合几何图像修正法,通过将不同测量系统测得的点云视为刚体,利用平移旋转变换使点云质心重合,且其他数据点大致重合,最后用精度较高的公共点云测量值代替精度较低的值,以此摄影测量系统辅助修正激光跟踪仪ERS点测量数据的误差。现有方法多对ERS点空间布局、坐标系转换参数等方面进行分析优化,以提高测量精度,较少涉及大尺寸测量场内ERS点各向异性的非线性误差的均匀化修正,而各测量站位下ERS点非均匀性和各向异性的误差,极易导致装配坐标系下某局部站位测量数据偏差过大。因此提出一种高鲁棒、高精度、高效率地修正ERS点测量误差均匀化的方法十分必要。
发明内容
本发明针对各测量站位下ERS点非均匀性和各向异性的误差导致的装配坐标系下某局部站位测量数据偏差过大问题,发明了一种基于多源坐标融合的ERS点误差修正方法。该方法利用多站冗余测量信息,基于多源坐标融合,对ERS点的误差进行均匀化修正。该方法首先利用激光跟踪仪多站位测量空间分布的ERS点,获取各个站位坐标系下每个ERS点的坐标信息;然后依次将其他站位的测量数据转换到各站位坐标系下,并求取均匀化质心;最后以均匀化质心作为该站位的测量值,任选一个站位的坐标系为全局坐标系,并将其他站位的均匀化质心通过坐标变化转换至该站位的坐标系下,获得修正后的结果。该方法可有效补偿不同测量站位下ERS点非均匀性和各向异性的误差,极大的降低了激光跟踪仪测量的系统误差的影响。该方法具有高鲁棒性、高精度、高效率的优点,在工程应用中具有较好的实用性。
本发明采用的技术方案是一种基于多源坐标融合的ERS点误差修正方法,其特征是,该方法首先通过激光跟踪仪多站位测量空间分布的ERS点的坐标信息;然后依次将其他站位的测量数据转换到各站位坐标系下,求取误差均匀化质心;最后任选一个站位的坐标系为全局坐标系,并将其他站位的误差均匀化质心通过坐标变化转换至该站位的坐标系下,获得修正后的结果;修正方法的具体步骤如下:
第一步、构建测量场,获取各站位ERS点球坐标信息。
在某空旷区域四周布置N台激光跟踪仪,并依次编号为A、B、C、D....N,同时,在该区域中布置n个作为ERS点的靶球,依次编号为1、2、....n,至此测量场的构建完成;开启各激光跟踪仪,依次对各个ERS点进行测量,以获取各点在不同站位下的坐标信息,形成公式(1)所示的球坐标矩阵。
其中,矩阵CoB为所有站位的激光跟踪仪测量得到的各个ERS点的球坐标信息组成的球坐标矩阵,i为矩阵行数,i=1,2,...,N,分别对应于编号为A、B、....N的激光跟踪仪,j为矩阵列数数,j=1,2,...,n,分别对应于编号为1、2、....n的ERS点,ai,j为第i行对应的激光跟踪仪测量的第j号ERS点的球坐标,θi,j为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的垂直角,为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的方位角,li,j为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的极径。
第二步、多源坐标转站融合,求取误差均匀化质心。
将球坐标矩阵CoB中的每个元素值通过式(2)转换为笛卡尔坐标矩阵CoD;
其中,bi,j为第i行对应的激光跟踪仪测量的第j号ERS点的笛卡尔坐标,θi,j为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的垂直角,为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的方位角,li,j为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的极径。将球坐标矩阵CoB中的每个球坐标ai,j均转换为笛卡尔坐标bi,j,并组成公式(3)所示的笛卡尔坐标CoD;
其中,矩阵CoD为所有站位的激光跟踪仪测量得到的各个ERS点的笛卡尔坐标信息组成的笛卡尔坐标矩阵。将1号激光跟踪仪A以外的N-1个激光跟踪仪测量而得的(N-1)n个数据的笛卡尔坐标通过式(4)配准至1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系下;
其中,i=2,3,...,N,j=1,2,...,n,bi,j,1为第i行对应的激光跟踪仪的第j号ERS点的笛卡尔坐标向第1行对应的1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系坐标转换配准后的结果,b1,j,1为1号激光跟踪仪A的第j号ERS点的笛卡尔坐标配准后的结果,Ri,1为第i行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系转换配准到第1行对应的1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系的旋转矩阵,Ti,1为第i行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系转换配准到第1行对应的1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系的平移矩阵。将1号激光跟踪仪A以外的N-1个激光跟踪仪测量而得的(N-1)n个数据的笛卡尔坐标全部配准至1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系后,通过式(5)求解1号激光跟踪仪A的误差均匀化质心;
其中,i=1,2,...,N,j=1,2,...,n,N为激光跟踪仪的个数,c1,j为第1行对应的A号激光跟踪仪的第j号ERS点的误差均匀化质心。重复第二步直至求出所有的N个激光跟踪仪的ERS点的误差均匀化质心。
第三步、任取站位转站,获得修正坐标。
选择第x行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系为全局坐标系,通过式(6)将其余N-1个激光跟踪仪的(N-1)n个误差均匀化质心转换配准至全局坐标系下;
其中,i∈{1,2,...,N}∪{i≠x},j=1,2,...,n,Ci,j,x为第i行对应的激光跟踪仪的第j号ERS点的笛卡尔坐标向第x行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系坐标转换配准后的结果,Cx,j,x为第x行对应的激光跟踪仪的第j号ERS点的笛卡尔坐标配准后的结果,Ri,x为第i行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系转换配准到第x行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系的旋转矩阵,Ti,x为第i行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系转换配准到第x行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系的平移矩阵。由此而得的数据集{Ci,j,x|i=1,2,...N;j=1,2,...,n}即为全局坐标系下各ERS点的修正坐标。
本发明的有益效果是该方法充分考虑了激光跟踪仪多测量站位下ERS点测量误差的非均匀性和各向异性,利用多站冗余测量信息,基于多源坐标融合,对ERS点的误差进行均匀化修正,能有效降低该特性所导致的装配坐标系下某局部站位测量数据偏差,实现ERS点测量误差均匀化,具有高精度、高效、高鲁棒性的优点。
附图说明
图1是基于多源坐标融合的ERS点误差修正方法的流程图。
图2是测量场示意图,其中,1-第1号ERS点靶球,2-第2号ERS点靶球,3-第3号ERS点靶球,4-第4号ERS点靶球,5-第5号ERS点靶球,6-第6号ERS点靶球,7-第7号ERS点靶球,8-第8号ERS点靶球,9-第9号ERS点靶球,A-1号激光跟踪仪,B-2号激光跟踪仪,C-3号激光跟踪仪,D-4号激光跟踪仪。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
本实施例选用的激光跟踪仪为Leica公司生产,激光跟踪仪的角度测量误差均为2秒,长度测量误差为0.5μm/m。
本发明首先通过激光跟踪仪多站位测量空间分布的ERS点的坐标信息;然后依次将其他站位的测量数据转换到各站位坐标系下,求取误差均匀化质心;最后任选一个站位的坐标系为全局坐标系,并将其他站位的误差均匀化质心通过坐标变化转换至该站位的坐标系下,获得修正后的结果。方法的具体步骤如下:
第一步、构建测量场,获取各站位ERS点坐标信息。
在某空旷区域四周布置4台激光跟踪仪,并依次编号为A、B、C、D,同时在该区域中布置9个作为ERS点的靶球,依次编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9,至此测量场的构建完成;开启各激光跟踪仪,依次对各个ERS点进行测量,以获取各点在不同站位下的坐标信息,组成球坐标矩阵CoB。
第二步、多源坐标转站融合,求取误差均匀化质心。
利用式(2),将球坐标矩阵CoB中的每个球坐标均转换为笛卡尔坐标,并组成的笛卡尔坐标矩阵CoD;将2号激光跟踪仪B、3号激光跟踪仪C、4号激光跟踪仪D共3台激光跟踪仪分别测量第1号ERS点靶球1至第9号ERS点靶球9,得到的27组数据的笛卡尔坐标,通过式(4)配准至1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系下。然后利用式(5)求解1号激光跟踪仪A的误差均匀化质心;重复第二步,用同样的方法求解2号激光跟踪仪B、3号激光跟踪仪C、4号激光跟踪仪D的所有ERS点的误差均匀化质心。
第三步、任取站位转站,获得修正坐标。
选择1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系为全局坐标系,2号将激光跟踪仪B、3号激光跟踪仪C、4号激光跟踪仪D共3台激光跟踪仪ERS点的误差均匀化质心的笛卡尔坐标,通过式(6)配准至1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系下,获得如下修正坐标;
其中,1、2、3、4列分别对应在全局坐标系下1号激光跟踪仪A、2号激光跟踪仪B、3号激光跟踪仪C、4号激光跟踪仪D的坐标,单位均为mm,1至9行对应编号为1至9的9个ERS点,由数据可知,经过该方法进行误差修正,不同站位下激光跟踪仪对同一ERS点的测量结果转换至全局坐标系后基本相同,有效降低了激光跟踪仪多测量站位下ERS点测量误差的非均匀性和各向异性导致的全局坐标系下某局部站位测量数据偏差。
该方法首先通过激光跟踪仪多站位测量空间分布的ERS点的坐标信息;然后依次将其他站位的测量数据转换到各站位坐标系下,求取误差均匀化质心;最后任选一个站位的坐标系为全局坐标系,并将其他站位的误差均匀化质心通过坐标变化转换至该站位的坐标系下,获得修正后的结果。该方法充分考虑了激光跟踪仪多测量站位下ERS点测量误差的非均匀性和各向异性,利用多站冗余测量信息,基于多源坐标融合,对ERS点的误差进行均匀化修正,能有效降低该特性所导致的装配坐标系下某局部站位测量数据偏差,实现ERS点测量误差均匀化,具有高精度、高效、高鲁棒性的优点,是具有工程实际应用价值的误差修正方法。
Claims (1)
1.一种基于多源坐标融合的ERS点误差修正方法,其特征是,该方法首先通过激光跟踪仪多站位测量空间分布的ERS点的坐标信息;然后依次将其他站位的测量数据转换到各站位坐标系下,求取误差均匀化质心;最后任选一个站位的坐标系为全局坐标系,并将其他站位的误差均匀化质心通过坐标变化转换至该站位的坐标系下,获得修正后的结果;误差修正方法的具体步骤如下:
第一步、构建测量场,获取各站位ERS点球坐标信息
在某空旷区域四周布置N台激光跟踪仪,并依次编号为(A、B、C、...N),同时在该区域中布置n个作为ERS点的靶球,依次编号为(1、2、3....n),至此测量场的构建完成;开启各激光跟踪仪,依次对各个ERS点进行测量,以获取各点在不同站位下的坐标信息,形成式(1)所示的球坐标矩阵;
其中,矩阵CoB为所有站位的激光跟踪仪测量得到的各个ERS点的球坐标信息组成的球坐标矩阵,i为矩阵行数,i=1,2,...,N,分别对应于编号为(A、B、C....N)的激光跟踪仪,j为矩阵列数数,j=1,2,...,n,分别对应于编号为(1、2、3.....n)的ERS点,ai,j为第i行对应的激光跟踪仪测量的第j号ERS点的球坐标,θi,j为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的垂直角,为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的方位角,li,j为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的极径;
第二步、多源坐标转站融合,求取误差均匀化质心
将球坐标矩阵CoB中的每个元素值通过式(2)转换为笛卡尔坐标矩阵CoD;
其中,bi,j为第i行对应的激光跟踪仪测量的第j号ERS点的笛卡尔坐标,θi,j为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的垂直角,为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的方位角,li,j为该ERS点在激光跟踪仪球坐标系下的极径;将球坐标矩阵CoB中的每个球坐标ai,j均转换为笛卡尔坐标bi,j,并组成公式(3)所示的笛卡尔坐标CoD;
其中,矩阵CoD为所有站位的激光跟踪仪测量得到的各个ERS点的笛卡尔坐标信息组成的笛卡尔坐标矩阵;将1号激光跟踪仪A以外的N-1个激光跟踪仪测量而得的(N-1)n个数据的笛卡尔坐标通过式(4)配准至1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系下;
其中,i=2,3,...,N,j=1,2,...,n,bi,j,1为第i行对应的激光跟踪仪的第j号ERS点的笛卡尔坐标向第1行对应的1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系坐标转换配准后的结果,b1,j,1为1号激光跟踪仪A的第j号ERS点的笛卡尔坐标配准后的结果,Ri,1为第i行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系转换配准到第1行对应的1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系的旋转矩阵,Ti,1为第i行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系转换配准到第1行对应的1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系的平移矩阵;将1号激光跟踪仪A以外的N-1个激光跟踪仪测量而得的(N-1)n个数据的笛卡尔坐标全部配准至1号激光跟踪仪A的笛卡尔坐标系后,通过式(5)求解1号激光跟踪仪A的误差均匀化质心;
其中,i=1,2,...,N,j=1,2,...,n,N为激光跟踪仪的个数,c1,j为第1行对应的1号激光跟踪仪A的第j号ERS点的误差均匀化质心;重复第二步直至求出所有的N个激光跟踪仪的ERS点的误差均匀化质心;
第三步、任取站位转站,获得修正坐标
选择第x行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系为全局坐标系,通过式(6)将其余N-1个激光跟踪仪的(N-1)n个误差均匀化质心转换配准至全局坐标系下;
其中,i∈{1,2,...,N}∪{i≠x},j=1,2,...,n,Ci,j,x为第i行对应的激光跟踪仪的第j号ERS点的笛卡尔坐标向第x行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系坐标转换配准后的结果,Cx,j,x为第x行对应的激光跟踪仪的第j号ERS点的笛卡尔坐标配准后的结果,Ri,x为第i行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系转换配准到第x行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系的旋转矩阵,Ti,x为第i行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系转换配准到第x行对应的激光跟踪仪的笛卡尔坐标系的平移矩阵;最终得到数据集{Ci,j,x|i=1,2,...N;j=1,2,...,n},即为全局坐标系下各ERS点的修正坐标。
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