CN111891382B - 一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，该方法在飞机部件托架上增制若干个ERS点，并标定球铰中心与ERS点的关系，在飞机部件调姿时可用激光跟踪仪直接测量ERS点，即可求解出定位器球铰中心位置。本发明可以大幅降低标定球铰中心所需的测量点数量，从而提高测量效率。

Description

一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法

技术领域

本发明属于飞机部件位姿调节的技术领域，具体涉及一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法。

背景技术

PPPS串并联机构具备结构简单、承载能力强、精度高、工作性能稳定可靠等优点，是目前应用最广泛的飞机大部件姿态调整机构。PPPS调姿机构是由不少于3个定位器与大部件组成的并联机构，大部件外形尺寸的大小决定了定位器的数量，每个定位器是由3个相互正交的移动副组成的串联装置，定位器与大部件通过球铰连接。

在PPPS调姿机构中，定位器球铰中心位置是机构运动学正反解的关键参数，是并联调姿机构运动学解析的基础。在部件上架前，对于三个坐标轴均为主动控制的数控定位器而言，必须获取球铰中心的精确位置才能控制定位器移动来完成产品上架。在部件位姿拟合完成后，也必须获取球铰中心的精确位置才能进行调姿轨迹规划。

目前最常用的有两种方法来获取定位器球铰中心，第一种方法是在飞机部件上架前，利用激光跟踪仪在每个定位器球头表面上测量8-10个点，然后拟合出球头的中心。在大型飞机全机对接时，往往需要十几个甚至数十个数控定位器来完成调姿和对接，需要测量数百个点才能将每组定位器的球铰中心拟合出来，导致测量时间增加，降低了调姿系统的总体效率。

第二种常用的方法是通过增加辅助测量杆的方式来标定球铰中心坐标，每次调姿时不需要再重复对每个定位器表面进行测量，而只需要在辅助测量杆上测量一个标定点即可。但辅助测量杆对安装精度要求较高，而且制造、安装以及保存和管理也需要消耗一定的成本。

针对上述传统的球头中心标定方法存在的缺陷，本发明公开了一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，实现对球头中心坐标的快速标定，大大提高了球头中心的标定效率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，包括以下步骤：

步骤1、建立托架局部坐标系，并在托架上设置若干个不共线的ERS点，求得ERS点在局部坐标系中的局部坐标；

步骤2、建立托架全机坐标系，跟踪监测ERS点在全机坐标系中的全机坐标；

步骤3、根据ERS点的局部坐标和全机坐标求解托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系；

步骤4、在托架局部坐标系下在测量球头表面设置若干表面标定点，并通过若干表面标定点的坐标拟合出球头在托架局部坐标系中的局部中心坐标；

步骤5、根据步骤3中求出的托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系以及步骤4中求出的球头在托架局部坐标系中的局部中心坐标求出球头在托架全机坐标系中的全机中心坐标以完成球头中心的标定。

以托架的重心为原点建立托架局部坐标系，并在托架上设置若干个ERS点，所有的ERS点不能共线，且所有的ERS最优处于同一个平面内，通过激光跟踪仪测量ERS点在托架局部坐标系中的局部坐标。

在位姿调节空间中建立托架全机坐标系，然后通过激光跟踪仪测量ERS点在托架全机坐标系中的全机坐标，然后求解ERS点的局部坐标转换至全机坐标的坐标转换关系，上述坐标转换关系即为托架局部坐标系转换至托架全机坐标系的位姿转换关系。

在球头的表面设置若干表面标定点，并通过激光跟踪仪测量表面标定点的坐标，然后根据若干表面标定点的坐标拟合出球头在托架局部坐标系下的局部中心坐标，然后即可根据已经求得的托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系将球头在托架局部坐标系下的局部中心坐标转换成球头在托架全机坐标系下的全机中心坐标。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述ERS点的数量大于等于三个，且所有的ERS点不能共线。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述表面标定点的数量大于等于9个，且所有的表面标定点不能处于同一圆周上。

为了更好的实现本发明，进一步地，采用奇异值分解法根据ERS点的局部坐标和全机坐标求解托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述位姿转换关系包括平移关系和旋转关系，所述平移关系为托架局部坐标系转换至托架全机坐标系的平移矩阵，所述旋转关系为托架局部坐标系转换至托架全机坐标系的旋转矩阵。

为了更好的实现本发明，进一步地，采用最小二乘法将若干表面标定点的坐标拟合呈球头在托架局部坐标系中的局部中心坐标。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤2中采用激光跟踪仪跟踪监测ERS点在全机坐标系中的全机坐标。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明通过在托架上加力若干ERS点，通过测量ERS点在托架局部坐标系中的局部坐标和在托架全机坐标系中的全机坐标，然后通过局部坐标与全机坐标之间的坐标转换关系求解得出托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系，然后通过在球头表面设置表面标定点并通过表面标定点拟合出球头在托架局部坐标系下的局部中心坐标，然后将局部中心坐标根据托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系中的平移矩阵和旋转矩阵进行求解即可得到球头在托架全机坐标系中的全机中心坐标，进而避免了对球头上的若干表面标定点直接进行位姿转换关系计算，大大减少了计算量，进而有效提高了球头的中心位置标定效率。

附图说明

图1为本发明的流程步骤示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、建立托架局部坐标系，并在托架上设置若干个不共线的ERS点，求得ERS点在局部坐标系中的局部坐标；

步骤2、建立托架全机坐标系，然后在位姿调节时跟踪监测ERS点在全机坐标系中的全机坐标；

步骤3、根据ERS点的局部坐标和全机坐标求解托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系；

步骤4、在托架局部坐标系下在测量球头表面设置若干表面标定点，并通过若干表面标定点的坐标拟合出球头在托架局部坐标系中的局部中心坐标；

步骤5、根据步骤3中求出的托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系以及步骤4中求出的球头在托架局部坐标系中的局部中心坐标求出球头在托架全机坐标系中的全机中心坐标以完成球头中心的标定。

以托架的重心为原点建立托架局部坐标系，并在托架上设置若干个不共线的ERS点，ERS点在托架局部坐标系内的局部坐标表示为

L表示托架局部坐标系，K＝{1,2…n}，n为ERS点的数量。同时在托架上加工对应每个ERS点加工出相应数量的激光更综艺靶球座安装孔并安装好激光跟踪仪，采用激光跟踪仪测量ERS点在托架局部坐标系中的局部坐标。

进一步的，为了使后续计算更加方便，所选取的ERS最优处于同一个平面内。

在位姿调节空间中建立托架全机坐标系，通过激光跟踪仪测量ERS点在托架全机坐标系中的全机坐标，ERS点的全机坐标表示为

A表示托架全机坐标系，K＝{1,2…n}，n为ERS点的数量。

然后求解ERS点的局部坐标转换至全机坐标的坐标转换关系，上述坐标转换关系即为托架局部坐标系转换至托架全机坐标系的位姿转换关系，ERS点的局部坐标与全机坐标之间的坐标转换关系如下：

其中：R为旋转矩阵；T为平移矩阵。

通过求解的出相应的旋转矩阵和平移矩阵，即得到托架局部坐标系到托架全机坐标系之间的位姿转换关系。

在球头的表面设置若干表面标定点

SP表示球头表面上的点；i＝{1,2…9}，i表示表面标定点的标号；j＝{1,2…m}，m为定位器的数量。并通过激光跟踪仪测量表面标定点在托架局部坐标系中的坐标，然后根据若干表面标定点的坐标拟合出球头在托架局部坐标系下的局部中心坐标

CN表示球头的中心点。然后即可根据已经求得的托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系将球头在托架局部坐标系下的局部中心坐标转换成球头在托架全机坐标系下的全机中心坐标

求解关系如下：

通过设置ERS点，并通过求解ERS的局部坐标与全机坐标之间的坐标转换关系，进而得到托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系，然后根据托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系将球头的局部中心坐标转换成全机中心坐标，即便捷完成球头中心坐标的标定，减少了所需测量点的数量，进而提高了球头中心标定的效率。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，所述ERS点的数量大于等于三个，且所有的ERS点不能共线。

为了提高对ERS点的局部坐标转换至全机坐标时得到的坐标转换关系的精确度，所以应尽量选择数量更多的ERS点，但是过多的ERS点会造成计算量加大，同时共线的若干ERS点对提高坐标转换关系的精确度并没有帮助，因此在综合考虑计算效率和计算精确度的前提下，选取的ERS点数量大于等于3个，且所有的ERS点不能共线。

进一步的，定位器的数量为m，若m大于3，则选取的ERS点的数量为t，且3≤t≤m；若m小于等于3，则选取的ERS点的数量为p，且p≥3。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，所述表面标定点的数量大于等于9个，且所有的表面标定点不能处于同一圆周上。

为了提高对球头中心点坐标的拟合精度，应尽可能多的选取表面标定点，但是选择过多的表面标定点会降低后续拟合计算的效率，因此在综合考虑拟合精度与拟合效率的前提下，在球头表面选取的标定点的数量大于等于9个，且所有的表面标定点不能位于同一个圆周之上。

进一步的，为了提高拟合效率，选取的表面标定点的数量小于等于15个。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上做进一步优化，所述步骤3中，采用奇异值分解法根据ERS点的局部坐标和全机坐标求解托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系，所述位姿转换关系包括平移关系和旋转关系，所述平移关系为托架局部坐标系转换至托架全机坐标系的平移矩阵，所述旋转关系为托架局部坐标系转换至托架全机坐标系的旋转矩阵。

计算方法如下：

设ERS点的局部坐标为

ERS点的全机坐标为

n为ERS点的数量；计算ERS点的重心化坐标

和

计算公式如下：

然后计算协方差矩阵H，公式如下：

然后对计算得到的协方差矩阵进行奇异值分解，公式如下：

H＝U∧V^T；其中∧为3×3的对角矩阵；

然后计算旋转矩阵R，计算公式如下：

R＝VU^T；

若det(V)＝1，则R＝VU^T；

若det(V)＝-1，则分析对角矩阵∧的三个对角元素，若存在为0的对角元素，则针对对矩阵V相应的列取负，如V＝[v1，v2，v3]，∧第二个对角元素为0，则对V的第二列取负得到V’＝[v1，-v2，v3]，然后得到：

R＝V’U^T；

然后计算平移矩阵T，计算公式如下：

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上做进一步优化，使用激光跟踪仪测量托架上球头表面9个点

SP表示球头表面上的点，i(i＝{1，2，…9})表示球头表面的测量点序号，j(j＝{1，2，…n}，n为定位器的数量)表示定位器的序号；在托架局部坐标系下用最小二乘法拟合出球头中心位置

CN表示球头中心。

具体求解过程为：对任意一个球头j，建立矩阵

Q为9×4阶矩阵，第四列的值均为1；建立矩阵

B为9×1阶矩阵；建立矩阵C＝(Q^T×Q)^-1×Q^T×B，其中C为4×1阶矩阵；则球头中心可表示为

其中C[i]表示矩阵C的第i列。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立托架局部坐标系，并在托架上设置若干个不共线的ERS点，求得ERS点在局部坐标系中的局部坐标；

步骤2、建立托架全机坐标系，然后在位姿调节时跟踪监测ERS点在全机坐标系中的全机坐标；

步骤3、根据ERS点的局部坐标和全机坐标求解托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系；

步骤4、在托架局部坐标系下在测量球头表面设置若干表面标定点，并通过若干表面标定点的坐标拟合出球头在托架局部坐标系中的局部中心坐标；

步骤5、根据步骤3中求出的托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系以及步骤4中求出的球头在托架局部坐标系中的局部中心坐标求出球头在托架全机坐标系中的全机中心坐标以完成球头中心的标定；

所述步骤4中，采用最小二乘法将若干表面标定点的坐标拟合成 球头在托架局部坐标系中的局部中心坐标，具体包括：

使用激光跟踪仪测量托架上球头表面设置的9个表面标定点

SP表示球头表面上的表面标定点，i(i＝{1，2，…9})表示球头表面的测量点序号，j(j＝{1，2，…n}，n为定位器的数量)表示定位器的序号；在托架局部坐标系下用最小二乘法拟合出球头中心位置

CN表示球头中心；

对任意一个球头，建立矩阵

Q为9×4阶矩阵，第四列的值均为1；建立矩阵

B为9×1阶矩阵；建立矩阵

其中C为4×1阶矩阵；则球头中心拟合为

其中C[i]表示矩阵C的第i

列。

2.根据权利要求1所述的一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，其特征在于，所述ERS点的数量大于等于三个。

3.根据权利要求1所述的一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，其特征在于，所述表面标定点的数量大于等于9个，且所有的表面标定点不能处于同一圆周上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，其特征在于，所述步骤3中，采用奇异值分解法根据ERS点的局部坐标和全机坐标求解托架局部坐标系与托架全机坐标系之间的位姿转换关系。

5.根据权利要求4所述的一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，其特征在于，所述位姿转换关系包括平移关系和旋转关系，所述平移关系为托架局部坐标系转换至托架全机坐标系的平移矩阵，所述旋转关系为托架局部坐标系转换至托架全机坐标系的旋转矩阵。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种针对飞机大部件调姿的球铰中心标定方法，其特征在于，所述步骤2中采用激光跟踪仪跟踪监测ERS点在全机坐标系中的全机坐标。

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