CN111907729A - 一种针对飞机大部件调姿的最佳位姿拟合方法 - Google Patents

一种针对飞机大部件调姿的最佳位姿拟合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对飞机大部件调姿的最佳位姿拟合方法，该方法针对大部件上调姿测量点对公差要求的不同，利用PSO算法结合WSVD算法来求解部件的位姿变换矩阵。以公差要求高的调姿基准点的综合转换残差最小为优化目标，以全部调姿基准点的转换误差都在公差要求范围内为约束条件，利用PSO算法为每个调姿基准点设置权值，并将权值带入WSVD算法中求解部件的位姿变换矩阵。该方法可以有效避免传统的SVD算法进行位姿拟合时造成公差要求高的点超差，在调姿时可有效减少人工干预判断，降低调姿次数，提高调姿效率。

Description

一种针对飞机大部件调姿的最佳位姿拟合方法
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最佳位姿拟合方法。
背景技术
飞机大部件位置和姿态的描述和求解是调姿的重要环节，精确快速地描述和求解大部件的位姿是提高大部件定位精度和效率的基础，在飞机大部件精加工或装配对接时，一般是通过在部件上选取若干测量点来拟合其位姿，测量点的理论坐标是在飞机设计坐标系下给出，测量点的实测值是在现场建立的全局坐标系下用激光跟踪仪等测量设备获得。因此求解飞机部件位姿等同于求解飞机设计坐标系和现场建立的全局坐标系的转换关系，在具体计算过程中体现为根据测量点集的理论值和实测值求解坐标系旋转矩阵和平移矩阵。
现有的位姿拟合求解一般是通过采用SVD算法求解测量点点集的理论值到实测值的位姿变换关系，通过对中心化的点集的协方差矩阵进行奇异值分解，进而求出坐标理论值变换至坐标实测值的平移矩阵和旋转矩阵。但是对于飞机大部件调姿而言，由于飞机大部件上不同位置的测量点的公差要求均不同，因此仅仅简单采用SVD算法进行位姿转换关系求解通常会导致部分测量点存在超差的问题。
针对上述问题，针对飞机大部件位姿调节，本发明公开了一种针对飞机大部件调姿的最佳位姿拟合方法。
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最佳位姿拟合方法，实现对飞机大部件上的测量点进行加权拟合，使得各测量点均不超差，同时有效提高位姿拟合的效率。
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最佳位姿拟合方法，包括以下步骤：
步骤1、在飞机大部件上建立测量点，并获取测量点的坐标理论值、坐标实测值、公差要求；
步骤2、利用SVD算法计算坐标理论值与坐标实测值之间的位姿转换关系，并求解出每个测量点的坐标转换残差；
步骤3、将每个测量点的坐标转换残差与公差要求进行比对，并记录超差的测量点；
步骤4、针对超差的测量点，利用WSVD算法计算坐标转换后测量点的转换残差，并采用PSO算法对每个测量点优化分配权重，并根据分配的权重对超差的测量点进行位姿调节，直到所有超差的测量点的坐标实测值经过坐标变换后与坐标路轮值之间的残差综合最小，并记录此时分配的最优权重；
步骤5、采用WSVD算法根据最优权重计算得到最优的位姿转换关系。
在建立测量点后，即可得到测量点的坐标理论值
Figure BDA0002563857160000021
同时针对不同位置的测量点得到其公差要求为Ti，然后采用激光跟踪仪测量飞机部件上各测量点的坐标实测值
Figure BDA0002563857160000022
其中i＝{1，2，...n}，n为所有测量点的数量。然后根据测量点的坐标理论值
Figure BDA0002563857160000023
和坐标实测值
Figure BDA0002563857160000024
计算出位姿转换关系，位姿转换关系包括平移矩阵TSVD和旋转矩阵RSVD，然后根据求出的平移矩阵TSVD和旋转矩阵RSVD求解出每个测量点的转换残差Ei，计算公式如下：
Figure BDA0002563857160000025
然后将求解出的测量点的转换残差Ei与当前测量点的公差要求Ti进行对比，若转换残差Ei大于等于公差要求Ti则为超差，记录所有超差的测量点，并将超差的测量点的坐标理论值记为
Figure BDA0002563857160000026
将超差的测量点的坐标实测值记为
Figure BDA0002563857160000027
其中j＝{1，2，...m}，m为超差的测量点的数量。
然后采用WSVD算法对超差的测量点进行赋权重奇异值分解计算，所赋权重通过PSO算法进行分配，首先通过PSO算法给各超差的测量点赋初始权重，然后WSVD算法根据初始权重对超差的测量点进行奇异值分解计算，降低超差的测量点的转换残差。经过WSVD计算后若仍存在测量点超差的情况，则通过PSO算法对权重进行调整，增加对仍然超差的测量点的权重，然后通过WSVD算法进行重新计算，重复上述过程直到所有的测量点的转化残差均小于公差要求，即得到一组可行权重。
采用WSVD算法根据可行权重即可计算得出超差的测量点的坐标理论值
Figure BDA0002563857160000028
转换至超差的测量点的坐标实测值
Figure BDA0002563857160000029
的平移矩阵和旋转矩阵，结合步骤1中通过SVD算法计算出的平移矩阵和旋转矩阵，即可得到所有测量点均满足公差要求的位姿转换参数。
上述采用SVD算法进行奇异值分解计算、通过WSVD算法进行奇异值分解计算、通过PSO算法进行赋值权重分配均为现有技术，其具体计算步骤及原理再次不做赘述。
为了更好的实现本发明，进一步地，步骤4中采用PSO算法进行权重分配的约束条件为每一个超差的测量点经过坐标变换后的转换残差均小于当前测量点自身的公差要求。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤4中通过PSO给各超差的测量点分配的初始的权重相等。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤1包括以下子步骤：
步骤1.1、在飞机大部件上选取原点并建立飞机设计坐标系，同时将飞机大部件划分为前端、中部、后端三个区域；
步骤2.2、在飞机大部件的前端、中部、后端三个区域中均至少选取一个测量点，并获取测量点的坐标理论值及其公差要求；
步骤2.3、利用激光跟踪仪获取每个测量点的坐标实测值；
步骤2.4、建立全局坐标系，并将飞机设计坐标系中的坐标理论值和坐标实测值转换至全局坐标系中的坐标理论值和坐标实测值。
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位姿关系和旋转位姿关系，所述平移位姿关系为坐标理论值与坐标实测值之间只经过平移得到的平移矩阵，所述旋转位姿关系为坐标理论值与坐标实测值之间只经过旋转得到的旋转矩阵。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤1中建立测量点的数量大于等于三个，且所有测量点不能共线。
为了更好的实现本发明，进一步地，若测量点的转换残差大于等于其公差要求则为超差。
为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤3中若不存在超差的测量点，则立即停止位姿态拟合计算并输出当前位姿转换关系。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过采用SVD算法首先对若干测量点进行位姿拟合并通过将计算得出的转换残差与公差要求对比，筛选出超差的测量点，然后通过后续算法对超差的测量点进行位姿拟合，减少了后续算法需要处理的测量点的数量，大大提高了位姿拟合的效率；
(2)针对超差的测量点，本发明通过采用PSO算法给WSVD算法优化分配权重，然后采用WSVD根据分配的权重对超差的测量点进行位姿调节拟合，通过PSO算法不断调整权重，最终使得所有的超差测量点不再超差，然后将此时的权重带入WSVD算法中求出对应的平移矩阵和旋转矩阵，即可保证所有的测量点不会存在超差的问题。
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最佳位姿拟合方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、在飞机大部件上建立测量点，并获取测量点的坐标理论值、坐标实测值、公差要求；
步骤2、利用SVD算法计算坐标理论值与坐标实测值之间的位姿转换关系，并求解出每个测量点的坐标转换残差；
步骤3、将每个测量点的坐标转换残差与公差要求进行比对，并记录超差的测量点；
步骤4、针对超差的测量点，利用WSVD算法计算坐标转换后测量点的转换残差，并采用PSO算法对每个测量点优化分配权重，并根据分配的权重对超差的测量点进行位姿调节，直到所有超差的测量点的坐标实测值经过坐标变换后与坐标路轮值之间的残差综合最小，并记录此时分配的最优权重；
步骤5、采用WSVD算法根据最优权重计算得到最优的位姿转换关系。
在建立测量点时，测量点的坐标理论值
Figure BDA0002563857160000041
和测量点的公差要求Ti即随之确定，然后采用激光跟踪仪测量飞机部件上各测量点的坐标实测值
Figure BDA0002563857160000042
其中i＝{1，2，...n}，n为所有测量点的数量。然后根据测量点的坐标理论值
Figure BDA0002563857160000043
和坐标实测值
Figure BDA0002563857160000044
计算出位姿转换关系，坐标理论值
Figure BDA0002563857160000045
实际上是通过平移和旋转相结合的转换关系转换至坐标实测值
Figure BDA0002563857160000046
即位姿转换关系包括平移矩阵TSVD和旋转矩阵RSVD。将测量点的坐标理论值
Figure BDA0002563857160000047
和坐标实测值
Figure BDA0002563857160000048
输入SVD算法软件中，SVD算法通过对中心化的测量点的点集的协方差矩阵进行奇异值分解，进而求解得到相应的平移矩阵TSVD和旋转矩阵RSVD。但是对于飞机部件调姿而言，每一个测量点的公差要求是不同的，这就存在部分测量点合格，另一部分测量点存在超差的情况。通过计算得出的平移矩阵TSVD和旋转矩阵RSVD求解每个测量点的转换残差Ei，计算公式如下：
Figure BDA0002563857160000049
然后将求解出的测量点的转换残差Ei与当前测量点的公差要求Ti进行对比，若转换残差Ei大于等于公差要求Ti则为超差，记录所有超差的测量点，并将超差的测量点的坐标理论值记为
Figure BDA00025638571600000410
将超差的测量点的坐标实测值记为
Figure BDA00025638571600000411
j＝{1，2，...m}，m为超差的测量点的数量。
针对超差的测量点采用WSVD算法对超差的测量点进行赋权重奇异值分解计算，对合格的测量点则保存其平移矩阵TSVD和旋转矩阵RSVD，进而大大减少了需要计算的测量点的数量，极大提高了位姿计算的效率。通过WSVD算法对超差的测量点进行计算之前需要对每个测量点赋值权重，所赋值的权重则通过PSO算法进行分配优化。
首先通过PSO算法给各超差的测量点赋初始权重，然后WSVD算法根据初始权重对超差的测量点进行奇异值分解计算，降低超差的测量点的转换残差。经过WSVD计算后若仍存在测量点超差的情况，则通过PSO算法对权重进行调整，增加对仍然超差的测量点的权重，然后通过WSVD算法进行重新计算，重复上述过程直到所有的测量点的转化残差均小于公差要求，即得到一组可行权重，可行权重即指使得所有超差的测量点的转换残差均小于公差要求的赋值权重。
在得到第一组可行权重后，采用PSO算法继续调整赋值权重采用WSVD算法重复上述计算步骤，若计算出的赋值权重仍然为可行权重，即计算得出第二组可行权重，则重复进行赋值权重调整和后续计算，直到连续得出第k组可行权重，第k+1组赋值权重为不可行权重为止，为了提高迭代计算的效率，若上述k≤5。
采用WSVD算法根据可行权重即可计算得出超差的测量点的坐标理论值
Figure BDA0002563857160000051
转换至超差的测量点的坐标实测值
Figure BDA0002563857160000052
的平移矩阵TWSVD和旋转矩阵RWSVD，结合步骤1中通过SVD算法计算出的平移矩阵TSVD和旋转矩阵RSVD，即可得到所有测量点均满足公差要求的位姿转换参数。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，所述步骤4中采用PSO算法进行权重分配的约束条件为每一个超差的测量点经过坐标变换后的转换残差均小于当前测量点自身的公差要求。
转换残差为Ei，公差要求为Ti，则约束条件如下：
|E(a，b)|≤||T(a，b)|，其中a＝(x，y，z)，(x，y，z)为测量点的坐标，b为测量点的标号，b＝{1，2，...n}。
最终优化目标为超差的测量点的坐标实测值
Figure BDA0002563857160000053
经过平移矩阵TWSVD和旋转矩阵
Figure BDA0002563857160000054
转换后与坐标理论值
Figure BDA0002563857160000055
之间的转换残差最小，优化目标如下：
Figure BDA0002563857160000056
为了提高初始计算的效率，所述步骤4中通过PSO给各超差的测量点分配的初始的权重相等。
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，所述步骤1包括以下子步骤：
步骤1.1、在飞机大部件上选取原点并建立飞机设计坐标系，同时将飞机大部件划分为前端、中部、后端三个区域；
步骤2.2、在飞机大部件的前端、中部、后端三个区域中均至少选取一个测量点，并获取测量点的坐标理论值及其公差要求；
步骤2.3、利用激光跟踪仪获取每个测量点的坐标实测值；
步骤2.4、建立全局坐标系，并将飞机设计坐标系中的坐标实测值转换至全局坐标系中的坐标实测值，进行转换关系计算时是采用飞机设计坐标系中的坐标标准值与全局坐标系中的坐标实测值进行计算。
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，所述位姿转换关系包括平移位姿关系和旋转位姿关系，所述平移位姿关系为坐标理论值与坐标实测值之间只经过平移得到的平移矩阵，所述旋转位姿关系为坐标理论值与坐标实测值之间只经过旋转得到的旋转矩阵。
旋转矩阵如下：
Figure BDA0002563857160000061
其中，α为绕着x轴旋转的欧拉角，β为绕着y轴旋转的欧拉角，γ为绕着z轴旋转的欧拉角。
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，所述步骤1中建立测量点的数量大于等于三个，且所有测量点不能共线。
最少选择三个测量点，且三个测量点不能全部共线，即三个测量点能够确定唯一平面，以提高后续计算精确度。
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。
实施例6：
本实施例在上述实施例1-5任一项的基础上做进一步优化，所述步骤3中，若测量点的转换残差大于等于其公差要求则为超差，所述步骤3中若不存在超差的测量点，则表明当前所有测量点的位姿转换关系均达标，则立即停止位姿态拟合计算并输出当前位姿转换关系，不再进行后续的WSVD算法和PSO算法，即不再进行后续位姿转换关系优化，大大提高计算效率。
本实施例的其他部分与上述实施例1-5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 (8)

1.一种针对飞机大部件调姿的最佳位姿拟合方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、在飞机大部件上建立测量点，并获取测量点的坐标理论值、坐标实测值、公差要求；
步骤2、利用SVD算法计算坐标理论值与坐标实测值之间的位姿转换关系，并求解出每个测量点的坐标转换残差；
步骤3、将每个测量点的坐标转换残差与公差要求进行比对，并记录超差的测量点；
步骤4、针对超差的测量点，利用WSVD算法计算坐标转换后测量点的转换残差，并采用PSO算法对每个测量点优化分配权重，并根据分配的权重对超差的测量点进行位姿调节，直到所有超差的测量点的坐标实测值经过坐标变换后与坐标路轮值之间的残差综合最小，并记录此时分配的最优权重；
步骤5、采用WSVD算法根据最优权重计算得到最优的位姿转换关系。
2.根据权利要求1所述的一种针对飞机大部件调姿的最佳位姿拟合方法，其特征在于，所述步骤4中采用PSO算法进行权重分配的约束条件为每一个超差的测量点经过坐标变换后的转换残差均小于当前测量点自身的公差要求。
3.根据权利要求2所述的一种针对飞机大部件调姿的最佳位姿拟合方法，其特征在于，所述步骤4中通过PSO给各超差的测量点分配的初始的权重相等。
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最佳位姿拟合方法，其特征在于，所述步骤1包括以下子步骤：
步骤1.1、在飞机大部件上选取原点并建立飞机设计坐标系，同时将飞机大部件划分为前端、中部、后端三个区域；
步骤2.2、在飞机大部件的前端、中部、后端三个区域中均至少选取一个测量点，并获取测量点的坐标理论值及其公差要求；
步骤2.3、利用激光跟踪仪获取每个测量点的坐标实测值；
步骤2.4、建立全局坐标系，并将飞机设计坐标系中的坐标理论值和坐标实测值转换至全局坐标系中的坐标理论值和坐标实测值。
5.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最佳位姿拟合方法，其特征在于，所述位姿转换关系包括平移位姿关系和旋转位姿关系，所述平移位姿关系为坐标理论值与坐标实测值之间只经过平移得到的平移矩阵，所述旋转位姿关系为坐标理论值与坐标实测值之间只经过旋转得到的旋转矩阵。
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最佳位姿拟合方法，其特征在于，所述步骤1中建立测量点的数量大于等于三个，且所有测量点不能共线。
7.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最佳位姿拟合方法，其特征在于，所述步骤3中，若测量点的转换残差大于等于其公差要求则为超差。
8.根据权利要求7所述的一种针对飞机大部件调姿的最佳位姿拟合方法，其特征在于，所述步骤3中若不存在超差的测量点，则立即停止位姿态拟合计算并输出当前位姿转换关系。
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