CN111687631A - 一种基于室内gps和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐方法 - Google Patents

一种基于室内gps和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐方法 Download PDF

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CN111687631A CN202010577754.9A CN202010577754A CN111687631A CN 111687631 A CN111687631 A CN 111687631A CN 202010577754 A CN202010577754 A CN 202010577754A CN 111687631 A CN111687631 A CN 111687631A
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    • G01S19/53—Determining attitude

Abstract

一种基于室内GPS和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐方法，其测量工具主要为室内GPS和激光测距传感器，运动工具为全向运输平台，在承载定位器与结构件的全向运输平台安装室内GPS接收器和激光测距传感器，利用提出的位姿修正方法完成大尺寸转站与初步对齐，随后通过基于激光测距的位姿解算方法获取全向运输平台的位姿，解算全向运输平台的运动量并驱动其调整以自动、快速地完成预对齐过程。本发明特点在于：1）将大型结构件转站与粗对接结合，利用全向运输平台代替定位器进行位置调整，实现站位调整和位姿预对齐的高效同步完成；2）相对于激光跟踪仪、激光雷达等测量设备引导的粗对接，受温度、气流、现场开敞性影响小；3）自动化程度高，使用范围广。

Description

一种基于室内GPS和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐 方法
技术领域
本发明涉及一种测量辅助装配技术。尤其是一种室内GPS和激光位移传感器测量结构件位姿的方法，具体地说是一种基于室内GPS和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐方法。
背景技术：
测量辅助装配技术是飞机大型结构件高精度对接的重要保障之一，日益发展的航空业促使其具备高效率、灵活性等特点。以往大型结构件转运与调姿对接过程的衔接性差，且以人工方式进行大型结构件转运和依赖数控定位器进行循环调姿，时间周期长。此外，激光跟踪仪、激光雷达等测量设备用于调姿对接时对场所的开敞性要求高，设备站位调整费时费力。
因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容：
本发明的目的是针对现有大型结构件转站对接装配的整体自动化程度低、灵活性差等缺点提供一种基于室内GPS和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐方法。
本发明的技术方案是：
一种基于室内GPS和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐方法，其特征在于：首先，将测量用的室内GPS接收器2和激光测距传感器3安装在全向运输平台1上；通过室内GPS2 获取“运动构件-定位器-全向运输平台”的整体位姿，然后，使用位姿修正方法引导运动构件5向静止构件6靠近，随后通过激光测距系统获取平面双向相对距离，最后利用位姿解算方法分析得到整体位姿，解算全向运输平台1的运动量，从而引导运动构件5向静止构件6进行准确定位。
具体步骤如下：
1)运动构件上架定位，定位器调整姿态与目标姿态大致相同，完成后锁定定位器；
2)测量运动构件的特征点和调姿运输平台的控制点，并根据运动构件的目标位姿，计算全向运输平台的目标位姿；
运动构件上架且调整完毕后，运动构件特征点在当前时刻的测量数据为
Figure RE-GDA0002591050780000011
全向运输平台控制点的测量数据为
Figure RE-GDA0002591050780000012
运动构件特征点在全局坐标系下的目标位置为
Figure RE-GDA0002591050780000013
根据坐标转换原理有：
Figure RE-GDA0002591050780000021
其中，
Figure RE-GDA0002591050780000022
和
Figure RE-GDA0002591050780000023
为测量坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。
依据解算得到的坐标转换参数，全向运输平台控制点在全局坐标系下的目标位置为
Figure RE-GDA0002591050780000024
3)测量室内GPS接收器，计算全向运输平台的位姿及其与理论轨迹的偏差，实时修正运动方向；
(a)位姿计算
依据接收器在测量坐标系和局部坐标系下的坐标值
Figure RE-GDA0002591050780000025
和
Figure RE-GDA0002591050780000026
确定测量坐标系与局部坐标系的转换关系：
Figure RE-GDA0002591050780000027
依据公共基准点在测量坐标系和全局坐标系下的坐标值
Figure RE-GDA0002591050780000028
和
Figure RE-GDA0002591050780000029
确定测量坐标系与全局坐标系的转换关系：
Figure RE-GDA00025910507800000210
全向运输平台的位姿通过几何中心和运动方向来表示，其在局部坐标系下为Clocal和 nlocal。依据求解的测量坐标系、全局坐标系和局部坐标系的转换关系，位姿在全局坐标系下为：
Figure RE-GDA00025910507800000211
Figure RE-GDA00025910507800000212
其中，
Figure RE-GDA00025910507800000213
和
Figure RE-GDA00025910507800000214
为局部坐标系到测量坐标系间的旋转矩阵和平移向量。Cglobal和nglobal为几何中心和运动方向在全局坐标系下的表达。
(b)位姿修正
全向运输平台在测量时刻ti的位姿为
Figure RE-GDA00025910507800000215
实际情况下，由于测量、数据解算、命令传输需耗费时间，全向运输平台在数据获得时刻已经运动至新的位置。若记数据获得时刻为ti+k1Tm，此时的位姿为
Figure RE-GDA00025910507800000216
其与初始测量时刻ti的位姿的关系为：
Figure RE-GDA00025910507800000217
其中，上标+、-表示该时刻前后的运动方向，Tm为室内GPS的测量时钟周期，
Figure RE-GDA00025910507800000218
为设定运动速度。k1取决于算法效率。
将
Figure RE-GDA0002591050780000031
投影至理论轨迹上，结合
Figure RE-GDA0002591050780000032
计算全向运输平台调整至理论轨迹的预计周期节点k2和运动方向
Figure RE-GDA0002591050780000033
为：
Figure RE-GDA0002591050780000034
Figure RE-GDA0002591050780000035
其中，n0为当前轨迹上的初始运动方向。旋转角的正负取决于以最小角度从n0旋转至
Figure RE-GDA0002591050780000036
的旋转方向，逆时针取负，顺时针取正。
(c)运动观察
全向运输平台位置调整完毕后，改变运动方向为初始运动方向n0，平稳运行一段设定时间Δt＝ΔkTm后重新测量。
4)判断全向运输平台是否处于激光测距传感器测量范围决定的位姿区域内，若不是，重复执行3)，否则执行5)；
5)采集激光测距传感器数据，并计算全向运输平台位姿及运动量，驱动其进行调整；
激光测距传感器分布于全向运输平台的边界上。对于位于平行于局部坐标系y轴的激光测距传感器而言，其投影至固定装置上形成的光斑在当前位置的局部坐标系下的坐标为
Figure RE-GDA0002591050780000037
而其在目标位置的局部坐标下的坐标仅存在明确的xi′。基于平面转换关系，有
Figure RE-GDA0002591050780000038
同理，对于位于平行于局部坐标系x轴的激光测距传感器，其投影光斑存在
Figure RE-GDA0002591050780000039
其中，
Figure RE-GDA00025910507800000310
为有向的激光测距传感器测距值，若光线方向与局部坐标系x轴的正方向相同，
Figure RE-GDA00025910507800000311
为正，不同则为负。
Figure RE-GDA00025910507800000312
取决于光线方向与局部坐标系y轴的正方向，判断方法与
Figure RE-GDA00025910507800000313
相同。α、tx、ty为当前位置到目标位置的转换参数。
因此，
Figure RE-GDA0002591050780000041
令X′＝f(X)，X＝[α,tx,ty]T，则式(11)为
B＝Af(X) (12)
鉴于位姿解算为非线性问题，利用粒子群优化算法求解X。通过泰勒公式将式(12)展开，得到
B≈Af(X0)+AJΔX (13)
其中，
Figure RE-GDA0002591050780000042
拟合残差为
V＝AJΔX-(Β-Af(X0)) (14)
利用间接平差原理求解式(14)，解算出位姿改正数ΔX为：
ΔX＝((AJ)TPAJ)-1(AJ)TP(B-Af(X0)) (15)
其中，P为观测值权重。
当ΔX的每个分量均小于给定阈值后，迭代终止，所求解的X的相反数即为全向运输平台的位姿调整量。
6)判断全向运输平台是否达到预对齐精度，若不是，重复执行5)，否则结束，等待进行精对齐。
所述解算方法程序化实现并集成于对接测量与运动控制软件后，可自动计算运动量并搭载结构件完成预对齐。
本发明具有如下有益效果：
1)将大型结构件转站与粗对接结合，利用全向运输平台代替定位器进行位置调整，实现站位调整和位姿预对齐的高效同步完成；
2)相对于激光跟踪仪、激光雷达等测量设备引导的粗对接，受温度、气流、现场开敞性影响小；
3)自动化程度高，使用范围广。
附图说明：
图1基于室内GPS和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐总体示意图。
图2单运动周期内的时间规划和运动规划
图3基于激光测距的预对接模型。
其中：
1-全向运输平台；2-室内GPS接收器；3-激光测距传感器；4-定位器；5-运动构件；6-静止构件；7-室内GPS发射器。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示。
一种基于室内GPS和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐方法，其总体思路是：首先，将测量用的室内GPS接收器2和激光测距传感器3安装在全向运输平台1上；通过室内GPS2获取“运动构件-定位器-全向运输平台”的整体位姿，然后，使用位姿修正方法引导运动构件5向静止构件6靠近，随后通过激光测距系统获取平面双向相对距离，最后利用位姿解算方法分析得到整体位姿，解算全向运输平台1的运动量，从而引导运动构件 5向静止构件6进行准确定位，如图1所示，室内GPS发射器7用于发射平面激光以实时解算接收器2的位置。
具体步骤如下：
1)运动构件上架定位，定位器调整姿态与目标姿态大致相同，完成后锁定定位器；
2)测量运动构件的特征点和调姿运输平台的控制点，并根据运动构件的目标位姿，计算全向运输平台的目标位姿；
运动构件上架且调整完毕后，运动构件特征点在当前时刻的测量数据为
Figure RE-GDA0002591050780000051
全向运输平台控制点的测量数据为
Figure RE-GDA0002591050780000052
运动构件特征点在全局坐标系下的目标位置为
Figure RE-GDA0002591050780000053
根据坐标转换原理有：
Figure RE-GDA0002591050780000054
其中，
Figure RE-GDA0002591050780000055
和
Figure RE-GDA0002591050780000056
为测量坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量。
依据解算得到的坐标转换参数，全向运输平台控制点在全局坐标系下的目标位置为
Figure RE-GDA0002591050780000057
3)测量室内GPS接收器，计算全向运输平台的位姿及其与理论轨迹的偏差，实时修正运动方向；
(a)位姿计算
依据接收器在测量坐标系和局部坐标系下的坐标值
Figure RE-GDA0002591050780000061
和
Figure RE-GDA0002591050780000062
确定测量坐标系与局部坐标系的转换关系：
Figure RE-GDA0002591050780000063
依据公共基准点在测量坐标系和全局坐标系下的坐标值
Figure RE-GDA0002591050780000064
和
Figure RE-GDA0002591050780000065
确定测量坐标系与全局坐标系的转换关系：
Figure RE-GDA0002591050780000066
全向运输平台的位姿通过几何中心和运动方向来表示，其在局部坐标系下为Clocal和 nlocal。依据求解的测量坐标系、全局坐标系和局部坐标系的转换关系，位姿在全局坐标系下为：
Figure RE-GDA0002591050780000067
Figure RE-GDA0002591050780000068
其中，
Figure RE-GDA0002591050780000069
和
Figure RE-GDA00025910507800000610
为局部坐标系到测量坐标系间的旋转矩阵和平移向量。Cglobal和nglobal为几何中心和运动方向在全局坐标系下的表达。
(b)位姿修正
图2中，全向运输平台在测量时刻ti的位姿为
Figure RE-GDA00025910507800000611
实际情况下，由于测量、数据解算、命令传输需耗费时间，全向运输平台在数据获得时刻已经运动至新的位置。若记数据获得时刻为ti+k1Tm，此时的位姿为
Figure RE-GDA00025910507800000612
其与初始测量时刻ti的位姿的关系为：
Figure RE-GDA00025910507800000613
其中，上标+、-表示该时刻前后的运动方向，Tm为室内GPS的测量时钟周期，
Figure RE-GDA00025910507800000614
为设定运动速度。k1取决于算法效率。
将
Figure RE-GDA00025910507800000615
投影至理论轨迹上，结合
Figure RE-GDA00025910507800000616
计算全向运输平台调整至理论轨迹的预计周期节点k2和运动方向
Figure RE-GDA00025910507800000617
为：
Figure RE-GDA00025910507800000618
Figure RE-GDA0002591050780000071
其中，n0为当前轨迹上的初始运动方向。旋转角的正负取决于以最小角度从n0旋转至
Figure RE-GDA0002591050780000072
的旋转方向，逆时针取负，顺时针取正。
(c)运动观察
全向运输平台位置调整完毕后，改变运动方向为初始运动方向n0，平稳运行一段设定时间Δt＝ΔkTm后重新测量。
4)判断全向运输平台是否处于激光测距传感器测量范围决定的位姿区域内，若不是，重复执行3)，否则执行5)；
5)采集激光测距传感器数据，并计算全向运输平台位姿及运动量，驱动其进行调整；
图3中，激光测距传感器分布于全向运输平台的边界上。对于位于平行于局部坐标系 y轴的激光测距传感器而言，其投影至固定装置上形成的光斑在当前位置的局部坐标系下的坐标为
Figure RE-GDA00025910507800000710
而其在目标位置的局部坐标下的坐标仅存在明确的xi′。基于平面转换关系，有
Figure RE-GDA0002591050780000078
同理，对于位于平行于局部坐标系x轴的激光测距传感器，其投影光斑存在
Figure RE-GDA0002591050780000079
其中，
Figure RE-GDA0002591050780000073
为有向的激光测距传感器测距值，若光线方向与局部坐标系x轴的正方向相同，
Figure RE-GDA0002591050780000074
为正，不同则为负。
Figure RE-GDA0002591050780000075
取决于光线方向与局部坐标系y轴的正方向，判断方法与
Figure RE-GDA0002591050780000076
相同。α、tx、ty为当前位置到目标位置的转换参数。
因此，
Figure RE-GDA0002591050780000077
令X′＝f(X)，X＝[α,tx,ty]T，则式(11)为
B＝Af(X) (12)
鉴于位姿解算为非线性问题，利用粒子群优化算法求解X。通过泰勒公式将式(12)展开，得到
B≈Af(X0)+AJΔX (13)
其中，
Figure RE-GDA0002591050780000081
拟合残差为
V＝AJΔX-(Β-Af(X0)) (14)
利用间接平差原理求解式(14)，解算出位姿改正数ΔX为：
ΔX＝((AJ)TPAJ)-1(AJ)TP(B-Af(X0)) (15)
其中，P为观测值权重。
当ΔX的每个分量均小于给定阈值后，迭代终止，所求解的X的相反数即为全向运输平台的位姿调整量。
6)判断全向运输平台是否达到预对齐精度，若不是，重复执行5)，否则结束，等待进行精对齐。
所述解算方法程序化实现并集成于对接测量与运动控制软件后，可自动计算运动量并搭载结构件完成预对齐。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于室内GPS和激光测距的飞机结构件位姿自动预对齐方法，其特征在于：首先，将测量用的室内GPS接收器(2)和激光测距传感器(3)安装在全向运输平台(1)上；通过室内GPS(2)获取“运动构件-定位器-全向运输平台”的整体位姿，然后，使用位姿修正方法引导运动构件(5)向静止构件(6)靠近，随后通过激光测距系统获取平面双向相对距离，最后利用位姿解算方法分析得到整体位姿，解算全向运输平台(1)的运动量，从而引导运动构件(5)向静止构件(6)进行准确定位。
2.根据权利要求1所述的预对齐方法，其特征是它包括如下步骤：
1)运动构件上架定位，定位器调整姿态与目标姿态大致相同，完成后锁定定位器；
2)测量运动构件的特征点和调姿运输平台的控制点，并根据运动构件的目标位姿，计算全向运输平台的目标位姿；
运动构件上架且调整完毕后，运动构件特征点在当前时刻的测量数据为
Figure RE-FDA0002591050770000011
全向运输平台控制点的测量数据为
Figure RE-FDA0002591050770000012
运动构件特征点在全局坐标系下的目标位置为
Figure RE-FDA0002591050770000013
根据坐标转换原理有：
Figure RE-FDA0002591050770000014
其中，
Figure RE-FDA0002591050770000015
和
Figure RE-FDA0002591050770000016
为测量坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和平移向量；
依据解算得到的坐标转换参数，全向运输平台控制点在全局坐标系下的目标位置为
Figure RE-FDA0002591050770000017
3)测量室内GPS接收器，计算全向运输平台的位姿及其与理论轨迹的偏差，实时修正运动方向；
(a)位姿计算；
依据接收器在测量坐标系和局部坐标系下的坐标值
Figure RE-FDA0002591050770000018
和
Figure RE-FDA0002591050770000019
确定测量坐标系与局部坐标系的转换关系：
Figure RE-FDA00025910507700000110
依据公共基准点在测量坐标系和全局坐标系下的坐标值
Figure RE-FDA00025910507700000111
和
Figure RE-FDA00025910507700000112
确定测量坐标系与全局坐标系的转换关系：
Figure RE-FDA00025910507700000113
全向运输平台的位姿通过几何中心和运动方向来表示，其在局部坐标系下为Clocal和nlocal；依据求解的测量坐标系、全局坐标系和局部坐标系的转换关系，位姿在全局坐标系下为：
Figure RE-FDA0002591050770000021
Figure RE-FDA0002591050770000022
其中，
Figure RE-FDA0002591050770000023
Figure RE-FDA0002591050770000024
和
Figure RE-FDA0002591050770000025
为局部坐标系到测量坐标系间的旋转矩阵和平移向量；Cglobal和nglobal为几何中心和运动方向在全局坐标系下的表达；
(b)位姿修正；
全向运输平台在测量时刻ti的位姿为
Figure RE-FDA0002591050770000026
实际情况下，由于测量、数据解算、命令传输需耗费时间，全向运输平台在数据获得时刻已经运动至新的位置；若记数据获得时刻为ti+k1Tm，此时的位姿为
Figure RE-FDA0002591050770000027
其与初始测量时刻ti的位姿的关系为：
Figure RE-FDA0002591050770000028
其中，上标+、-表示该时刻前后的运动方向，Tm为室内GPS的测量时钟周期，
Figure RE-FDA0002591050770000029
为设定运动速度；k1取决于算法效率；
将
Figure RE-FDA00025910507700000210
投影至理论轨迹上，结合
Figure RE-FDA00025910507700000211
计算全向运输平台调整至理论轨迹的预计周期节点k2和运动方向
Figure RE-FDA00025910507700000212
为：
Figure RE-FDA00025910507700000213
Figure RE-FDA00025910507700000214
其中，n0为当前轨迹上的初始运动方向；旋转角的正负取决于以最小角度从n0旋转至
Figure RE-FDA00025910507700000215
的旋转方向，逆时针取负，顺时针取正；
(c)运动观察；
全向运输平台位置调整完毕后，改变运动方向为初始运动方向n0，平稳运行一段设定时间Δt＝ΔkTm后重新测量；
4)判断全向运输平台是否处于激光测距传感器测量范围决定的位姿区域内，若不是，重复执行3)，否则执行5)；
5)采集激光测距传感器数据，并计算全向运输平台位姿及运动量，驱动其进行调整；
激光测距传感器分布于全向运输平台的边界上；对于位于平行于局部坐标系y轴的激光测距传感器而言，其投影至固定装置上形成的光斑在当前位置的局部坐标系下的坐标为
Figure RE-FDA0002591050770000031
而其在目标位置的局部坐标下的坐标仅存在明确的x′i；基于平面转换关系，有
Figure RE-FDA0002591050770000038
同理，对于位于平行于局部坐标系x轴的激光测距传感器，其投影光斑存在
Figure RE-FDA0002591050770000039
其中，
Figure RE-FDA0002591050770000032
为有向的激光测距传感器测距值，若光线方向与局部坐标系x轴的正方向相同，
Figure RE-FDA0002591050770000033
为正，不同则为负；
Figure RE-FDA0002591050770000034
取决于光线方向与局部坐标系y轴的正方向，判断方法与
Figure RE-FDA0002591050770000035
相同；α、tx、ty为当前位置到目标位置的转换参数；
因此，
Figure RE-FDA0002591050770000036
令X′＝f(X)，X＝[α,tx,ty]T，则式(11)为
B＝Af(X) (12)
鉴于位姿解算为非线性问题，利用粒子群优化算法求解X；通过泰勒公式将式(12)展开，得到
B≈Af(X0)+AJΔX (13)
其中，
Figure RE-FDA0002591050770000037
拟合残差为
V＝AJΔX-(Β-Af(X0)) (14)
利用间接平差原理求解式(14)，解算出位姿改正数ΔX为：
ΔX＝((AJ)TPAJ)-1(AJ)TP(B-Af(X0)) (15)
其中，P为观测值权重；
当ΔX的每个分量均小于给定阈值后，迭代终止，所求解的X的相反数即为全向运输平台的位姿调整量；
6)判断全向运输平台是否达到预对齐精度，若不是，重复执行5)，否则结束，等待进行精对齐。
3.根据权利要求2所述的预对齐方法，其特征在于：所述解算方法程序化实现并集成于对接测量与运动控制软件后，自动计算运动量并搭载结构件完成预对齐。
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