CN111811483B - 一种用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法 - Google Patents

一种用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法，其通过激光跟踪对测量场地中的全局控制点进行测量，并通过平差模型构建全局测量坐标系，可有效控制飞机外形测量整体误差。通过多相机组网的摄影测量网络，对辅助基准点进行测量，高效获取高精度局部测量数据。通过RANSAC算法，将全局控制点与辅助基准点对齐融合，解决局部测量数据全局拼接误差累积问题，构建高精度的全局测量坐标系（测量场）。本发明通过激光跟踪与多相机组网相结合，不仅能够有效减少对激光跟踪仪设备数量的依赖，降低测量场构建成本，还能通过摄影测量提高测量场自动化构建能力，提高测量效率。

Description

一种用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法
技术领域
本发明属于数字化测量技术领域，具体涉及一种用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法。
背景技术
近几年来，随着国家对航空工业发展的关注和支持，我国的航空制造业得到快速发展，各式新型飞机成功研发并投入批量生产。然而，在飞机数字化装配过程中暴露出许多亟待解决的问题，如飞机整机测量。
目前，整机测量通常采用结构光扫描仪或者激光扫描仪与跟踪仪组合式扫描系统进行分站式测量，只能获取飞机局部测量数据。为获取飞机的整体测量数据，需要对测量传感器或者视觉跟踪器进行全局定位，然后根据定位姿态将局部测量数据进行拼接，得到整体测量数据。现有的定位方式，主要通过摄影测量系统对标识点进行局部定位，随后通过公共标识点进行相对位置转换，将局部测量数据进行拼接。这种定位方法，在分站数较多的情况下，会导致数据拼接过程中累积测量误差，降低整机测量精度。因此，在分站式测量过程中，需要对结构光扫描仪或者跟踪仪进行高精度全局定位，直接进行数据融合，从而能够有效地解决误差累积问题。
针对飞机整机测量过程中定位标定方法，北京航空航天大学提出了一种基于室内GPS(即iGPS或称作indoorGPS)测量网络和激光跟踪仪的多尺度测量场集成定位方法，该测量方案需要在测量场地内布置多个发射器、无线传感器(接收器)，安装过程繁琐，实际应用效果较差。同时，为保证测量场精度对发射器和接收器的高性能要求，需要配置高精度的发射器和接收器，而高精度仪器设备价格高昂，导致测量系统成本较高。
发明内容
本发明提出一种成本低、测量精度高的用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法，括如下步骤：
步骤一、确定定位对象，规划定位区域；
定位对象是指在待定位设备外表面上选取的参考点，作为待测量点；
定位区域规划过程为：确定定位对象的定位范围，选择飞机外形测量时，待定位设备所能到达的空间位置的凸多面体区域作为测量区域；
步骤二、构建多相机摄影测量网络；
步骤三、在测量场地中布置激光跟踪仪靶座作为全局控制点；
步骤四、通过激光跟踪仪对全局控制点位置坐标进行测量；
步骤五、依据全局控制点位置坐标测量值，通过平差模型解算全局控制点空间坐标，构建全局测量坐标系；步骤六、在测量场地中布置辅助基准点，通过多相机摄影测量网络对辅助基准点位置坐标进行测量；
步骤七、通过点匹配算法求解出辅助基准点和全局控制点的对应关系，并将辅助基准点位置坐标融合进全局测量坐标系；
步骤八，通过多相机摄影测量网络对待测量点位置坐标进行测量，并通过待测量点周围的辅助基准点，将待测量点位置坐标与全局测量坐标系对齐，计算出待测量点的全局位置坐标。
进一步地，步骤二包括：
步骤201、在测量场地的四周墙面及顶部安装多组测量相机，保证相邻测量相机视角具有至少50％的重叠区域，同时，保证多组测量相机能够覆盖整个定位区域；
步骤202、对测量相机进行分组，将视角重叠区域在50％以上的相邻两测量相机作为一组，每组测量相机构成一个摄影测量系统；
步骤203、通过基准尺，对每个摄影测量系统进行标定，完成多相机摄影测量网络的构建。
进一步地，步骤三包括：在测量场地中放置激光跟踪仪靶座作为全局控制点，并保证覆盖整个测量场地空间，激光跟踪仪靶座的数量和位置由定位区域的大小及定位精度要求共同决定；激光跟踪仪靶座可放置激光跟踪仪靶球并带有摄影测量标靶，通过激光跟踪仪和摄影测量系统分别对激光跟踪仪靶球和摄影测量标靶进行测量，建立激光跟踪仪测量和摄影测量系统测量的相对关系。
进一步地，步骤四包括：
步骤401、选取激光跟踪仪初始测量位置，测量位置选取依据激光跟踪仪5m范围内尽可能覆盖更多的全局控制点为准则；
步骤402、手持激光跟踪仪靶球，放置在激光跟踪仪探头的前方，启动激光跟踪功能并保持激光跟踪仪跟踪状态，将激光跟踪仪靶球放置在待测量的激光跟踪仪靶座上，读取激光跟踪仪测量值，实现对该全局控制点的测量；依此方式，完成该测量位置覆盖下，所有全局控制点的测量；
步骤403、移动激光跟踪仪至下一测量位置，测量位置选取依据激光跟踪仪5m范围内尽可能覆盖更多的全局控制点，同时，保证和上一测量位置至少有4个重叠的全局控制点；执行步骤402；
步骤404、重复步骤403，直至完成所有布置的全局控制点的测量。
进一步地，步骤五包括：
步骤501、读取激光跟踪仪初始测量位置全局控制点坐标集合
Figure GDA0002945328970000031
其中，i为该测量位置下全局控制点的数量；以激光跟踪仪当前空间定位坐标O1＝(x,y,z)作为原点，将集合P1中的全局控制点空间坐标与原点O1相加，添加至全局控制点总集合M中，并依次进行编号，全局控制点总集合M初始为空集；
步骤502、读取下一测量位置全局控制点空间坐标集合
Figure GDA0002945328970000032
其中，j为测量站位的编号，t为对应测量站位位置下全局控制点的数量；通过ICP匹配算法找到集合Pj与集合Pj-1中的重复的全局控制点集合G，将差集Tj＝Pj-G中的全局控制点重新编号添加至集合M中；
步骤503、重复步骤502直至所有测量位置中的全局控制点都已添加至集合M中；
步骤504、读取全局控制点测量值以及对应的编号，通过平差模型，解算全局控制点空间坐标，消去测量误差，构建高精度的全局测量坐标系。
进一步地，步骤六包括：
步骤601、在测量场地和待测量飞机部件外表面布置摄影测量标靶，将激光跟踪仪靶座和摄影测量标靶作为辅助基准点，布置时应保证同一组测量相机视角内能观察到共同辅助基准点，且共同辅助基准点的数量需保证6个以上；同时，保证相邻的摄影测量系统能观察到共同辅助基准点，且共同辅助基准点的数量需保证4个以上；
步骤602、选取摄影测量系统，并对辅助基准点进行测量，得到各辅助基准点空间坐标集合。
进一步地，步骤七包括：
步骤701、通过ICP算法，将相邻的摄影测量系统的辅助基准点测量值进行对齐，将辅助基准点空间坐标融合至同一坐标系；
步骤702、通过RANSAC算法，匹配全局控制点和辅助基准点，并根据全局控制点位置，将辅助基准点融合至全局测量坐标系中，建立稠密的高精度测量场；
步骤703、对部分多次测量的辅助基准点的测量结果进行蒙特卡洛模拟，得到最终测量坐标值。
进一步地，步骤八包括：
步骤801、选取摄影测量定位系统对待定位设备上的待测量点和周围的辅助基准点进行测量，得到测量点集合；
步骤802、通过ICP算法，将测量点集合与辅助基准点空间坐标集合进行匹配，找到公共辅助基准点，辅助基准点空间坐标集合中未能匹配的测量点为待测量点；
步骤803、根据公共辅助基准点空间位置，将待测量点空间坐标变换至全局测量坐标系中，完成待测量点的全局定位。
本发明的有益效果在于：
本发明中，通过激光跟踪对测量场地中的全局控制点进行测量，并通过平差模型构建全局测量坐标系，可有效控制飞机外形测量整体误差。通过多相机组网的摄影测量网络，对辅助基准点进行测量，高效获取高精度局部测量数据。通过RANSAC算法，将全局控制点与辅助基准点对齐融合，解决局部测量数据全局拼接误差累积问题，构建高精度的全局测量坐标系(测量场)。本发明通过激光跟踪与多相机组网相结合，不仅能够有效减少对激光跟踪仪设备数量的依赖，降低测量场构建成本，还能通过摄影测量提高测量场自动化构建能力，提高测量效率。最后，通过在带定位设备外表面(测量传感器或者视觉跟踪器)上布置测量点，通过摄影测量和点匹配，可自动捕获高精度全局定位姿态，从而提高保证飞机外形测量数据拼接精度，获取高精度的飞机整体外形测量点云。
附图说明
图1为本发明的用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法作进一步地详细说明。
如图1所示，一种用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法，包括如下步骤：
步骤一、确定定位对象，规划定位区域。
定位对象是指在待定位设备(如结构光扫描仪、跟踪仪)外表面上选取的参考点，作为待测量点。
定位区域规划过程为：确定定位对象的定位范围，选择飞机外形测量时，待定位设备所能到达的空间位置的凸多面体区域作为测量区域。
步骤二、构建多相机摄影测量网络。具体包括：
步骤201、在测量场地的四周墙面及顶部安装多组测量相机，保证相邻测量相机视角具有至少50％的重叠区域，同时，保证多组测量相机能够覆盖整个定位区域。
步骤202、对测量相机进行分组，将视角重叠区域在50％以上的相邻两测量相机作为一组，每组测量相机构成一个摄影测量系统。
步骤203、通过基准尺，对每个摄影测量系统进行标定，完成多相机摄影测量网络的构建。
步骤三、在测量场地中布置激光跟踪仪靶座作为全局控制点。具体包括：
在测量场地中放置激光跟踪仪靶座作为全局控制点，并保证覆盖整个测量场地空间，激光跟踪仪靶座的数量和位置由定位区域的大小及定位精度要求共同决定。激光跟踪仪靶座可放置激光跟踪仪靶球并带有摄影测量标靶，通过激光跟踪仪和摄影测量系统分别对激光跟踪仪靶球和摄影测量标靶进行测量，建立激光跟踪仪测量和摄影测量系统测量的相对关系。
步骤四、通过激光跟踪仪对全局控制点位置坐标进行测量。具体包括：
步骤401、选取激光跟踪仪初始测量位置，测量位置选取依据激光跟踪仪5m范围内尽可能覆盖更多的全局控制点为准则。
步骤402、手持激光跟踪仪靶球，放置在激光跟踪仪探头的前方，启动激光跟踪功能并保持激光跟踪仪跟踪状态，将激光跟踪仪靶球放置在待测量的激光跟踪仪靶座上，读取激光跟踪仪测量值，实现对该全局控制点的测量。依此方式，完成该测量位置覆盖下，所有全局控制点的测量。
步骤403、移动激光跟踪仪至下一测量位置，测量位置选取依据激光跟踪仪5m范围内尽可能覆盖更多的全局控制点，同时，保证和上一测量位置至少有4个重叠的全局控制点。执行步骤402。
步骤404、重复步骤403，直至完成所有布置的全局控制点的测量。
步骤五、依据全局控制点位置坐标测量值，通过平差模型解算全局控制点空间坐标，构建全局测量坐标系。具体包括：
步骤501、读取激光跟踪仪初始测量位置全局控制点坐标集合
Figure GDA0002945328970000051
其中，i为该测量位置下全局控制点的数量。以激光跟踪仪当前空间定位坐标O1＝(x,y,z)作为原点，将集合P1中的全局控制点空间坐标与原点O1相加，添加至全局控制点总集合M中，并依次进行编号，全局控制点总集合M初始为空集。
步骤502、读取下一测量位置全局控制点空间坐标集合
Figure GDA0002945328970000061
其中，j为测量站位的编号，t为对应测量站位位置下全局控制点的数量。通过ICP匹配算法找到集合Pj与集合Pj-1中的重复的全局控制点集合G，将差集Tj＝Pj-G中的全局控制点重新编号添加至集合M中。
步骤503、重复步骤502直至所有测量位置中的全局控制点都已添加至集合M中。
步骤504、读取全局控制点测量值以及对应的编号，通过平差模型，解算全局控制点空间坐标，消去测量误差，构建高精度的全局测量坐标系。
步骤六、在测量场地中布置辅助基准点，通过多相机摄影测量网络对辅助基准点位置坐标进行测量。具体包括：
步骤601、在测量场地和待测量飞机部件外表面布置摄影测量标靶，将激光跟踪仪靶座和摄影测量标靶作为辅助基准点，布置时应保证同一组测量相机视角内能观察到共同辅助基准点，且共同辅助基准点的数量需保证6个以上。同时，保证相邻的摄影测量系统能观察到共同辅助基准点，且共同辅助基准点的数量需保证4个以上。
步骤602、选取摄影测量系统，并对辅助基准点进行测量，得到各辅助基准点空间坐标集合。
步骤七、通过点匹配算法求解出辅助基准点和全局控制点的对应关系，并将辅助基准点位置坐标融合进全局测量坐标系。具体包括：
步骤701、通过ICP算法，将相邻的摄影测量系统的辅助基准点测量值进行对齐，将辅助基准点空间坐标融合至同一坐标系。
步骤702、通过RANSAC算法，匹配全局控制点和辅助基准点，并根据全局控制点位置，将辅助基准点融合至全局测量坐标系中，建立稠密的高精度测量场。
步骤703、由于摄影测量系统视角之间有重叠区域，部分辅助基准点会被多次测量，对于部分多次测量的辅助基准点的测量结果进行蒙特卡洛模拟，得到最终测量坐标值。
步骤八，通过多相机摄影测量网络对待测量点位置坐标进行测量，并通过待测量点周围的辅助基准点，将待测量点位置坐标与全局测量坐标系对齐，计算出待测量点的全局位置坐标。具体包括：
步骤801、选取摄影测量定位系统对待定位设备上的待测量点和周围的辅助基准点进行测量，得到测量点集合。
步骤802、通过ICP算法，将测量点集合与辅助基准点空间坐标集合进行匹配，找到公共辅助基准点，辅助基准点空间坐标集合中未能匹配的测量点为待测量点。
步骤803、根据公共辅助基准点空间位置，将待测量点空间坐标变换至全局测量坐标系中，完成待测量点的全局定位。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、确定定位对象，规划定位区域；
定位对象是指在待定位设备外表面上选取的参考点，作为待测量点；
定位区域规划过程为：确定定位对象的定位范围，选择飞机外形测量时，待定位设备所能到达的空间位置的凸多面体区域作为测量区域；
步骤二、构建多相机摄影测量网络；
步骤三、在测量场地中布置激光跟踪仪靶座作为全局控制点；
步骤四、通过激光跟踪仪对全局控制点位置坐标进行测量；
步骤五、依据全局控制点位置坐标测量值，通过平差模型解算全局控制点空间坐标，构建全局测量坐标系；
步骤六、在测量场地中布置辅助基准点，通过多相机摄影测量网络对辅助基准点位置坐标进行测量；
步骤七、通过点匹配算法求解出辅助基准点和全局控制点的对应关系，并将辅助基准点位置坐标融合进全局测量坐标系；
步骤八，通过多相机摄影测量网络对待测量点位置坐标进行测量，并通过待测量点周围的辅助基准点，将待测量点位置坐标与全局测量坐标系对齐，计算出待测量点的全局位置坐标；
步骤四包括：
步骤401、选取激光跟踪仪初始测量位置，测量位置选取依据激光跟踪仪5m范围内尽可能覆盖更多的全局控制点为准则；
步骤402、手持激光跟踪仪靶球，放置在激光跟踪仪探头的前方，启动激光跟踪功能并保持激光跟踪仪跟踪状态，将激光跟踪仪靶球放置在待测量的激光跟踪仪靶座上，读取激光跟踪仪测量值，实现对该全局控制点的测量；依此方式，完成该测量位置覆盖下，所有全局控制点的测量；
步骤403、移动激光跟踪仪至下一测量位置，测量位置选取依据激光跟踪仪5m范围内尽可能覆盖更多的全局控制点，同时，保证和上一测量位置至少有4个重叠的全局控制点；执行步骤402；
步骤404、重复步骤403，直至完成所有布置的全局控制点的测量；
步骤五包括：
步骤501、读取激光跟踪仪初始测量位置全局控制点坐标集合
Figure FDA0002945328960000021
其中，i为该测量位置下全局控制点的数量；以激光跟踪仪当前空间定位坐标O1＝(x,y,z)作为原点，将集合P1中的全局控制点空间坐标与原点O1相加，添加至全局控制点总集合M中，并依次进行编号，全局控制点总集合M初始为空集；
步骤502、读取下一测量位置全局控制点空间坐标集合
Figure FDA0002945328960000022
其中，j为测量站位的编号，t为对应测量站位位置下全局控制点的数量；通过ICP匹配算法找到集合Pj与集合Pj-1中的重复的全局控制点集合G，将差集Tj＝Pj-G中的全局控制点重新编号添加至集合M中；
步骤503、重复步骤502直至所有测量位置中的全局控制点都已添加至集合M中；
步骤504、读取全局控制点测量值以及对应的编号，通过平差模型，解算全局控制点空间坐标，消去测量误差，构建高精度的全局测量坐标系；
步骤六包括：
步骤601、在测量场地和待测量飞机部件外表面布置摄影测量标靶，将激光跟踪仪靶座和摄影测量标靶作为辅助基准点，布置时应保证同一组测量相机视角内能观察到共同辅助基准点，且共同辅助基准点的数量需保证6个以上；同时，保证相邻的摄影测量系统能观察到共同辅助基准点，且共同辅助基准点的数量需保证4个以上；
步骤602、选取摄影测量系统，并对辅助基准点进行测量，得到各辅助基准点空间坐标集合；
步骤七包括：
步骤701、通过ICP算法，将相邻的摄影测量系统的辅助基准点测量值进行对齐，将辅助基准点空间坐标融合至同一坐标系；
步骤702、通过RANSAC算法，匹配全局控制点和辅助基准点，并根据全局控制点位置，将辅助基准点融合至全局测量坐标系中，建立稠密的高精度测量场；
步骤703、对部分多次测量的辅助基准点的测量结果进行蒙特卡洛模拟，得到最终测量坐标值；
步骤八包括：
步骤801、选取摄影测量定位系统对待定位设备上的待测量点和周围的辅助基准点进行测量，得到测量点集合；
步骤802、通过ICP算法，将测量点集合与辅助基准点空间坐标集合进行匹配，找到公共辅助基准点，辅助基准点空间坐标集合中未能匹配的测量点为待测量点；
步骤803、根据公共辅助基准点空间位置，将待测量点空间坐标变换至全局测量坐标系中，完成待测量点的全局定位。
2.根据权利要求1所述的用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法，其特征在于，步骤二包括：
步骤201、在测量场地的四周墙面及顶部安装多组测量相机，保证相邻测量相机视角具有至少50％的重叠区域，同时，保证多组测量相机能够覆盖整个定位区域；
步骤202、对测量相机进行分组，将视角重叠区域在50％以上的相邻两测量相机作为一组，每组测量相机构成一个摄影测量系统；
步骤203、通过基准尺，对每个摄影测量系统进行标定，完成多相机摄影测量网络的构建。
3.根据权利要求2所述的用于飞机数字化装配的多相机组网定位标定方法，其特征在于，步骤三包括：在测量场地中放置激光跟踪仪靶座作为全局控制点，并保证覆盖整个测量场地空间，激光跟踪仪靶座的数量和位置由定位区域的大小及定位精度要求共同决定；激光跟踪仪靶座可放置激光跟踪仪靶球并带有摄影测量标靶，通过激光跟踪仪和摄影测量系统分别对激光跟踪仪靶球和摄影测量标靶进行测量，建立激光跟踪仪测量和摄影测量系统测量的相对关系。
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