CN112362037B - 一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法，包括以下步骤：S1：首先由T‑Scan的扫描位姿点数据计算出T‑Scan的4个反射镜的位姿数据，即反射镜的位置与法向；S2：由激光跟踪仪与T‑Scan的测量特点建立测量约束模型，包含入射约束、俯仰约束、距离约束与干涉约束；S3：将站位空间离散为点集，通过搜索公共可行站位将扫描位姿点划分为几个连续段，相邻的两个连续位姿点段无公共可行站位，并遍历站位空间，搜索每个连续位姿点段的可行站位。本发明该方法为组合测量系统的激光跟踪仪站位提供了一种理论的规划方法，减少了站位数量与转站次数，提高了整个系统的测量效率。

Description

一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法

技术领域

本发明涉及一种激光跟踪仪站位规划方法，特别涉及一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法，属于激光跟踪仪测量技术领域。

背景技术

组合测量系统由激光跟踪仪、库卡机器人与激光扫描仪组成，将激光扫描仪LeicaT-Scan5(简称T-Scan)安装在机器人末端，由机器人携带T-Scan沿扫描轨迹运动且T-Scan发出线扫描激光扫描被测物体外形，激光跟踪仪光源发射出激光束入射T-Scan反射镜并实时跟踪测量T-Scan的位姿参数。组合测量系统的测量原理为：T-Scan用均匀旋转的棱镜将激光发生器射出的激光束分散为若干束线激光，每束激光照在被测物体的表面上会被反射，反射光经透镜在CCD线阵上成像，控制器解算线阵信号便得到线激光上所有点在T-Scan坐标系下的二维坐标；T-Scan上有9个LED红外线指示灯和4个激光反射镜，激光跟踪仪发出的激光束入射T-Scan反射镜，测出T-Scan在激光跟踪仪测量坐标系下的位置，激光跟踪仪上的T-Cam获取LED指示灯发出的红外线可确定T-Scan在测量坐标系下的姿态；有了T-Scan在测量坐标系下的位姿数据，即可将在T-Scan坐标系下的被测物体上点的二维坐标转为激光跟踪仪测量坐标系下的点的三维坐标。

在开展测量前需要规划T-Scan扫描轨迹与激光跟踪仪站位。激光跟踪仪站位规划便是由所规划的T-Scan扫描轨迹来规划激光跟踪仪的放置位置与姿态。在测量时，T-Scan的扫描位姿不断变化，激光跟踪仪在测量T-Scan位姿时会出现断光现象，断光之后再对光也十分麻烦，且当前激光跟踪仪的站位布置纯依靠经验判断，缺少理论的规划方法，容易出现布置的站位数量多、转站次数多、对光过程繁琐与测量效率低下等问题。对此本文提出了一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括以下步骤：

S1：首先由T-Scan的扫描位姿点数据计算出T-Scan的4个反射镜的位姿数据，即反射镜的位置与法向；

S2：由激光跟踪仪与T-Scan的测量特点建立测量约束模型，包含入射约束、俯仰约束与距离约束；

S3：将站位空间离散为点集，通过搜索公共可行站位将扫描位姿点划分为几个连续段，相邻的两个连续位姿点段无公共可行站位，并遍历站位空间，搜索每个连续位姿点段的可行站位，形成可行站位区域，在每个可行站位区域任取一点作为站位，即可测量其所对应的连续位姿点段里的所有T-Scan位姿。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中由T-Scan扫描位姿点计算4个反射镜的位姿数据包括以下步骤：

a1：T-Scan安装在机器人末端，则T-Scan的4个反射镜的位姿(位置与法向)在机器人末端坐标系下为定值，分别记为P6_j(P6_{j_x}，P6_{j_y}，P6_{j_z})和

(F6_{j_x}，F6_{j_y}，F6_{j_z})(j＝1,2,3,4)；

a2：T-Scan扫描路径由n个扫描位姿点T_i(i＝1，···，n)组成，每个位姿点是机器人末端坐标系相对于机器人坐标系的一个齐次坐标变换矩阵，则T-Scan位于扫描位姿点T_i时，根据P6_j与

的值，利用矩阵变换则可将第j个反射镜在机器人坐标系下的位置与法向P0_{j_i}(P0_{j_i_x}，P0_{j_i_y}，P0_{j_i_z})和

(F0_{j_i_x}，F0_{j_i_y}，F0_{j_i_z})计算出来，记为反射镜位姿PF_{j_i}

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S2中由激光跟踪仪与T-Scan的测量特点建立测量约束模型包括以下步骤：

b1：T-Scan的反射镜有入射夹角限制±α，由激光跟踪仪光源位置P与反射镜位姿PF_{j_i}建立入射约束数学关系：

b2：激光跟踪仪有俯仰测量夹角限制β，由激光跟踪仪光源位置P与主轴方向及待测T-Scan反射镜的位置P0_{j_i}建立俯仰约束数学关系：

b3：激光跟踪仪与T-Scan反射镜有距离限制，由激光跟踪仪光源位置P与T-Scan反射镜

位置P0_{j_i}建立距离约束数学关系，该距离为PP0_{j_i}在垂直于

的平面上的投影长度：

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S3中将站位空间离散为点集，通过搜索公共可行站位将扫描位姿点划分为几个连续段，相邻的两个连续位姿点段无公共可行站位，并遍历站位空间，搜索每个连续位姿点段的可行站位包括以下步骤：

c1：激光跟踪仪的站位S

由光源位置与主轴方向组成，站位空间指的是激光跟踪仪光源可以处于的空间，沿着机器人坐标系的坐标轴的方向等间距取空间点，以此将站位空间离散为点集，点集里的每个点附加一个方向即构成站位点，方向的附加方式采用球坐标系的形式，即

换算之后为

从0开始每隔一定的弧度给θ与

赋值，直到取完所有的方向，然后将所有的方向附加给点集里的点，最后将点与方向按照与站位S

相同的形式存入站位点集合R；

c2：令j＝1，i＝1，k＝1，初始化集合Z1和J为空集，将R中所有站位点存入集合Z2；

c3：将反射镜位姿PF_{ji_i}存入集合Z1；

c4：逐个判断Z2中的站位点在测量Z1中的反射镜位姿时是否满足测量约束模型，若满足则记为可行测量站位，并将该站位点存入J，反之则不存入J；

c5：判断J是否为空集，若J为空集，则判断k是否等于i，若k等于i，则记录下该反射镜位姿无法用反射镜j_i测得，再令k＝k+1，i＝i+1，转步骤c3，若k不等于i，则转步骤c8；若J不为空集，则用J中的所有站位点取代Z2中站位点，再清空J，转步骤c6；

c6：令i＝i+1，再比较i与n，若i>n，则依次记下测量第k至第i个位姿点的可行站位点，记录方式为(t,j_t,Z2)，其中t为位姿点序号且k≤t≤i，j_t为测量第t个T-Scan位姿时激光跟踪仪的激光束入射的反射镜号，Z2为可行站位点的集合，即机器人携带T-Scan运动至位姿点T_t时，激光跟踪仪位于Z2中的任意一个站位点便可测此时的反射镜j_t，再清空Z1，转步骤c7；若i≤n，则转步骤

c7：令j＝j+1，再比较j与4，若j>4则结束；若j≤4，则令i＝1，k＝1，j_i＝j，再转步骤c3；

c8：求出Z1中第k至第i-1个反射镜方向的平均方向，并比较该平均方向与

和

的夹角大小，取夹角最小的反射镜号并赋给j_i，再将反射镜更换为j_i，并将Z1中第i个反射镜位姿更换为新的反射镜位姿

然后逐个判断集合Z2中的站位点在测量集合Z1中的反射镜位姿时是否可行，若仍无可行站位点，则记录下测量第k至第i-1个位姿的可行站位点，记录方式同步骤c6，再令k＝i，j_i＝j，清空集合Z1，再用R中的站位点替换Z2中站位点，转步骤c3；若存在可行站位，则将所有可行站位点存入J，j_i值不变，并用J中站位点替换Z2中站位点，清空J，转步骤c6。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法，该方法为组合测量系统的激光跟踪仪站位提供了一种理论的规划方法，减少了站位数量与转站次数，提高了整个系统的测量效率。

附图说明

图1为本发明的组合测量系统结构示意图；

图2为本发明的组合测量约束模型结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供了一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法的技术方案：

根据图1-2所示，括以下步骤：

S1：首先由T-Scan的扫描位姿点数据计算出T-Scan的4个反射镜的位姿数据，即反射镜的位置与法向；

S2：由激光跟踪仪与T-Scan的测量特点建立测量约束模型，包含入射约束、俯仰约束与距离约束；

S3：将站位空间离散为点集，通过搜索公共可行站位将扫描位姿点划分为几个连续段，相邻的两个连续位姿点段无公共可行站位，并遍历站位空间，搜索每个连续位姿点段的可行站位，形成可行站位区域，在每个可行站位区域任取一点作为站位，即可测量其所对应的连续位姿点段里的所有T-Scan位姿。

参照图1：步骤S1中由T-Scan的扫描位姿点数据计算出T-Scan的4个反射镜的位姿数据：T-Scan安装在机器人末端，则T-Scan的4个反射镜的位姿(位置与法向)在机器人末端坐标系下为定值，分别记为P6_j(P6_{j_x}，P6_{j_y}，P6_{j_z})和

(F6_{j_x}，F6_{j_y}，F6_{j_z})(j＝1,2,3,4)；

T-Scan扫描路径由n个扫描位姿点T_i(i＝1，···，n)组成，每个位姿点是机器人末端坐标系相对于机器人坐标系的一个齐次坐标变换矩阵，则T-Scan位于扫描位姿点T_i时，根据P6_j与

的值，利用矩阵变换将第j个反射镜在机器人坐标系下的位置与法向P0_{j_i}(P0_{j_i_x}，P0_{j_i_y}，P0_{j_i_z})和

(F0_{j_i_x}，F0_{j_i_y}，F0_{j_i_z})计算出来，记为反射镜位姿PF_{j_i}

即

参照图2：T-Scan的反射镜有入射夹角限制±α，由激光跟踪仪光源位置P与反射镜位姿PF_{j_i}建立入射约束数学关系：

激光跟踪仪有俯仰测量夹角限制β，由激光跟踪仪光源位置P与主轴方向及待测T-Scan反射镜的位置P0_{j_i}建立俯仰约束数学关系：

激光跟踪仪与T-Scan反射镜有距离限制，由激光跟踪仪光源位置P与T-Scan反射镜

位置P0_{j_i}建立距离约束数学关系，该距离为PP0_{j_i}在垂直于

的平面上的投影长度：

参照图2：离散站位空间，划分扫描位姿点为若干连续段，遍历站位空间以搜索可行站位：

1).激光跟踪仪的站位S

由光源位置与主轴方向组成，站位空间指的是激光跟踪仪光源可以处于的空间，沿着机器人坐标系的坐标轴的方向等间距取空间点，以此将站位空间离散为点集，点集里的每个点附加一个方向即构成站位点，方向的附加方式采用球坐标系的形式，即

换算之后为

从0开始每隔一定的弧度给θ与

赋值，直到取完所有的方向，然后将所有的方向附加给点集里的点，最后将点与方向按照与站位S

相同的形式存入站位点集合R；

2).令j＝1，i＝1，k＝1，初始化集合Z1和J为空集，将R中所有站位点存入集合Z2；

3).将反射镜位姿PF_{ji_i}存入集合Z1；

4).逐个判断Z2中的站位点在测量Z1中的反射镜位姿时是否满足测量约束模型，若满足则记为可行测量站位，并将该站位点存入J，反之则不存入J。

5).判断J是否为空集，若J为空集，则判断k是否等于i，若k等于i，则记录下该反射镜位姿无法用反射镜j_i测得，再令k＝k+1，i＝i+1，转3，若k不等于i，则转8；若J不为空集，则用J中的所有站位点取代Z2中站位点，再清空J，转6；

6).令i＝i+1，再比较i与n，若i>n，则依次记下测量第k至第i个位姿点的可行站位点，记录方式为(t,j_t,Z2)，其中t为位姿点序号且k≤t≤i，j_t为测量第t个T-Scan位姿时激光跟踪仪的激光束入射的反射镜号，Z2为可行站位点的集合，即机器人携带T-Scan运动至位姿点T_t时，激光跟踪仪位于Z2中的任意一个站位点便可测此时的反射镜j_t，再清空Z1，转7；若i≤n，则转3；

7).令j＝j+1，再比较j与4，若j>4则结束；若j≤4，则令i＝1，k＝1，j_i＝j，再转3；

8).求出Z1中第k至第i-1个反射镜方向的平均方向，并比较该平均方向与

和

的夹角大小，取夹角最小的反射镜号并赋给j_i，再将反射镜更换为j_i，并将Z1中第i个反射镜位姿更换为新的反射镜位姿

然后逐个判断集合Z2中的站位点在测量集合Z1中的反射镜位姿时是否可行，若仍无可行站位点，则记录下测量第k至第i-1个位姿的可行站位点，记录方式同6，再令k＝i，j_i＝j，清空集合Z1，再用R中的站位点替换Z2中站位点，转3；若存在可行站位，则将所有可行站位点存入J，j_i值不变，并用J中站位点替换Z2中站位点，清空J，转6。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：首先由T-Scan的扫描位姿点数据计算出T-Scan的4个反射镜的位姿数据，即反射镜的位置与法向；

S2：由激光跟踪仪与T-Scan的测量特点建立测量约束模型，包含入射约束、俯仰约束、距离约束与干涉约束；

S3：将站位空间离散为点集，通过搜索公共可行站位将扫描位姿点划分为几个连续段，相邻的两个连续位姿点段无公共可行站位，并遍历站位空间，搜索每个连续位姿点段的可行站位，形成可行站位区域，在每个可行站位区域任取一点作为站位，即可测量其所对应的连续位姿点段里的所有T-Scan位姿；

所述步骤S3中将站位空间离散为点集，通过搜索公共可行站位将扫描位姿点划分为几个连续段，相邻的两个连续位姿点段无公共可行站位，并遍历站位空间，搜索每个连续位姿点段的可行站位包括以下步骤：

c1：激光跟踪仪的站位S

由光源位置与主轴方向组成，站位空间指的是激光跟踪仪光源可以处于的空间，沿着机器人坐标系的坐标轴的方向等间距取空间点，以此将站位空间离散为点集，点集里的每个点附加一个方向即构成站位点，方向的附加方式采用球坐标系的形式，即

换算之后为

从0开始每隔一定的弧度给θ与

赋值，直到取完所有的方向，然后将所有的方向附加给点集里的点，最后将点与方向按照与站位S

相同的形式存入站位点集合R；

c2：令j＝1，i＝1，k＝1，初始化集合Z1和J为空集，将R中所有站位点存入集合Z2；

c3：将反射镜位姿

存入集合Z1；

c4：逐个判断Z2中的站位点在测量Z1中的反射镜位姿时是否满足测量约束模型，若满足则记为可行测量站位，并将该站位点存入J，反之则不存入J；

c5：判断J是否为空集，若J为空集，则判断k是否等于i，若k等于i，则记录下该反射镜位姿无法用反射镜j_i测得，再令k＝k+1，i＝i+1，转步骤c3，若k不等于i，则转步骤c8；若J不为空集，则用J中的所有站位点取代Z2中站位点，再清空J，转步骤c6；

c6：令i＝i+1，再比较i与n，若i>n，则依次记下测量第k至第i个位姿点的可行站位点，记录方式为(t,j_t,Z2)，其中t为位姿点序号且k≤t≤i，j_t为测量第t个T-Scan位姿时激光跟踪仪的激光束入射的反射镜号，Z2为可行站位点的集合，即机器人携带T-Scan运动至位姿点T_t时，激光跟踪仪位于Z2中的任意一个站位点便可测此时的反射镜j_t，再清空Z1，转步骤c7；若i≤n，则转步骤c7：令j＝j+1，再比较j与4，若j>4则结束；若j≤4，则令i＝1，k＝1，j_i＝j，再转步骤c3；

c8：求出Z1中第k至第i-1个反射镜方向的平均方向，并比较该平均方向与

和

的夹角大小，取夹角最小的反射镜号并赋给j_i，再将反射镜更换为j_i，并将Z1中第i个反射镜位姿更换为新的反射镜位姿

然后逐个判断集合Z2中的站位点在测量集合Z1中的反射镜位姿时是否可行，若仍无可行站位点，则记录下测量第k至第i-1个位姿的可行站位点，记录方式同步骤c6，再令k＝i，j_i＝j，清空集合Z1，再用R中的站位点替换Z2中站位点，转步骤c3；若存在可行站位，则将所有可行站位点存入J，j_i值不变，并用J中站位点替换Z2中站位点，清空J，转步骤c6。

2.根据权利要求1所述的一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法，其特征在于：所述步骤S1中由T-Scan扫描位姿点计算4个反射镜的位姿数据包括以下步骤：

a1：T-Scan安装在机器人末端，则T-Scan的4个反射镜的位姿(位置与法向)在机器人末端坐标系下为定值，分别记为P6_j(P6_{j_x}，P6_{j_y}，P6_{j_z})和

a2：T-Scan扫描路径由n个扫描位姿点T_i(i＝1，···，n)组成，每个位姿点是机器人末端坐标系相对于机器人坐标系的一个齐次坐标变换矩阵，则T-Scan位于扫描位姿点T_i时，根据P6_j与

的值，利用矩阵变换则可将第j个反射镜在机器人坐标系下的位置与法向P0_{j_i}(P0_{j_i_x}，P0_{j_i_y}，P0_{j_i_z})和

计算出来，记为反射镜位姿

3.根据权利要求1所述的一种基于组合测量的激光跟踪仪站位规划方法，其特征在于：所述步骤S2中由激光跟踪仪与T-Scan的测量特点建立测量约束模型包括以下步骤：

b1：T-Scan的反射镜有入射夹角限制±α，由激光跟踪仪光源位置P与反射镜位姿PF_{j_i}建立入射约束数学关系：

b2：激光跟踪仪有俯仰测量夹角限制β，由激光跟踪仪光源位置P与主轴方向及待测T-Scan反射镜的位置P0_{j_i}建立俯仰约束数学关系：

b3：激光跟踪仪与T-Scan反射镜有距离限制，由激光跟踪仪光源位置P与T-Scan反射镜

位置P0_{j_i}建立距离约束数学关系，该距离为PP0_{j_i}在垂直于

的平面上的投影长度：

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