CN112362238B - 一种重心测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重心测量方法，属于测量技术领域，本发明的测量方法利用悬挂法测量重心的原理，通过获得待测物体3D数模；使用悬线多次悬挂待测物体；测量每次悬挂时垂线相对于物体的位置，进而获得垂线相对于待测物体的方程；求解多个垂线方程的交点，所得的交点就是待测物体的重心。本发明的测量方法通过多次测量缩小误差，因而测量精度高；并由于可以在待测物体上布置多个基准点，但在测量中一次最少使用其中3个三个基准点就可以完成测量，因而测量过程易于实现；而且对待测物体和悬挂方式无要求。本发明具有测量精度高、测量过程易于实现、对待侧物体和悬挂方式无特殊要求的优点。

Description

一种重心测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种重心测量方法。

背景技术

工程技术领域经常有准确测量物体重心(另外，当重力场均匀时，重心与质心是重合的)的需求，而悬挂法就是重心测量方法的一种，但传统意义上的悬挂法更适用于薄板状物体重心的测量，而且现有的利用悬挂法原理测量不规则物体重心的方法都存在这样或那样的缺陷。

专利申请公开了一种质心测量方法，但由于测量需要多次吊挂，而且每一次吊挂都需要测量a、b、c、d、a’、b’、c’、d’、A1和B1 等10个点的位置，使得该技术有过程繁琐、实现困难(使用三坐标或激光跟踪仪是无法测量被遮盖的测量点的)的问题。

专利申请公开了一种异形物体的质量中心的测量方法，但由于“待测异形物体不同位置上设置有挂接孔”导致对待测物体需要有“挂接孔”；并且由于要求“光栅同时出现两个第一特征点”，而显然由于第一特征点数量稀少，所以导致光栅难以同时出现两个第一特征点,或光栅上难以准确地同时出现两个第一特征点,或难以准确地“在对应的3D数据上找到这两个所述第一特征点”。这些问题将导致测量过程不易进行或测量精度低。

专利申请公开了一种不规则物体质心测量方法，但由于难以准确获得悬吊点A、B、C点的准确位置，并且获得交点A1、B1、C1的过程繁琐需要大量手工操作，因而存在精度不易保证和激光水平仪调整困难的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种重心测量方法，其目的在于通过将悬挂法测量重心、CAD模型技术、 3D测量技术相结合，快速、灵活、准确、方便地测量物体重心，另外，当重力场均匀时，所测得的重心与质心是重合的。

本发明通过如下技术方案实现：

一种重心测量方法，具体步骤如下：

1)获得待测物体的3D数学模型；

2)在待测物体上选择或设置不少于3个基准点，并且基准点中至少有3个点不在一条直线上；

3)获得步骤2)中基准点在待测物体上的3D数学模型中的坐标；

4)用悬线悬挂被测物体，使被测物体自由下垂并静止；

5)选择任意一个坐标系，用3D测量仪器测量悬线竖直部分，得到至少2个悬线点的坐标；

6)用3D测量仪器任意测量待测物体上不在一条直线上的至少3 个基准点的坐标；

7)根据三维空间两点距离公式计算步骤5)和步骤6)中每一个悬线点到每一个值基准点的距离；其中，每个悬线点计算出自身与不少于3个基准点的距离值；

8)在待测物体的3D数学模型中的坐标系下，以悬线点到基准点距离为基础，求得每个悬线点的坐标——悬线点为三个以基准点为球心、球半径为悬线点到基准点距离的三个球面的公共交点；并且，

a)当球心不在一条直线上的3个球面相交，至多有2个交点，当交点不唯一时，根据已知的悬线点与基准点相对方向和大致位置关系，排除掉位置方向错误的交点；

b)当在步骤6) 中获得的有坐标值的基准点的数量多于3个时，每个悬线点的位置不唯一时，运用数学方法将这些点合并成1个点；

9)根据步骤8)求得的每个悬线点的坐标，按照一定的直线拟合规则(例在三维空间中用最小二乘法拟合直线方程的方法。)在待测物体的3D数学模型坐标系下拟合得到悬线的直线方程；

10)更换悬挂位置，再次重复步骤4)、步骤5)、步骤6)、步骤 7)，步骤8)和步骤9)，得到另一条悬线的直线方程；

11)再次重复执行步骤10) 至少0次。

12)按照一定的求解规则求解各次悬挂时获得的悬线的直线方程的交点，此交点即为待测物体的重心。

优选地，步骤1)中所述的获得待测物体的3D数学模型具体地通过3D形貌仪扫描、白光扫描仪扫描、激光跟踪仪扫描或直接使用待测物体已有的3D数模来获得，所述3D数学模型为3D图或三维数据。

优选地，步骤2)中所述的在待测物体上选择或设置不少于3 个基准点，即在待测物体上安装与待测物体刚性连接的便于测量的标识，所述标识通过磁力座、胶粘或螺钉紧固的方式安装在待测物体上。

步骤2)中选择或设置基准点时，在测量误差不随测量距离增加而大幅度增加的情况下，为了提高精度，基准点优先选择相距较远和靠紧待测物体轮廓边缘的点。

步骤3)中获得基准点在待测物体上的3D数学模型中的坐标的方法为测量或在已知各部分3D数据的前提下计算。

优选地，步骤3)选择通过三坐标或激光跟踪仪的方式测量。

优选地，步骤4)中的悬线中串入包含刚性圆直杆的万向铰链拉杆，通过测量便于获得刚性圆直杆轴线上的点的坐标，并将此坐标作为悬线点的坐标，万向铰链拉杆的万向铰链为球形万向铰链、若干个单轴铰链的组合而成的铰链。

优选地，步骤5)中所述的悬线点是指在悬线竖直部分上的点。

优选地，步骤5)中所述的悬线点为悬线竖直部分轴线上的点。

优选地，步骤5)及步骤6)中测量时选择相距较远的垂线点和基准点，可以在测量误差不随测量距离增加而大幅度增加的情况下，提高精度。

优选地，步骤8)所述的数学方法具体为取位置的平均值作为悬线点或取到各个位置距离平方和最小的点作为悬线点。

优选地，步骤12)所述的一定的求解规则具体为将求解交点转化为求解一个到各条直线距离最短的点。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、可以通过多次测量缩小误差，因而测量精度高；

2、由于可以在待测物体上布置多个基准点，但在测量中一次最少使用其中3个三个基准点就可以完成测量，因而测量过程易于实现；

3、对待测物体和悬挂方式无要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为待测物体第1次悬挂时的示意图；

图2为待测物体第2次悬挂时的示意图；

图3为在待测物体1的3D数学模型坐标系下求解重心的示意图；

图4为待测物体2第1次悬挂时的示意图；

图5为待测物体2第2次悬挂时的示意图；

图6为在待测物体2的3D数学模型坐标系下求解重心的示意图；

图7为一种包含铰链球的万向球铰链刚性挂杆的示意图；

图8为一种可与待测物体刚性连接的便于测量的标识的示意图；

图中：

101-悬线点1；102-悬线点2；103-悬线点3；104-悬线点4；

201-第1次悬挂时的悬线；202-第2次悬挂时的悬线；

3-待测物体；301-待测物体1；302-待测物体2

401-基准点1；402-基准点2；403-基准点3；404-基准点4； 405-基准点5；406-基准点6；407-基准点7；408-基准点8；

5-重心；

6-万向刚性挂杆；601-吊环；602-球形万向铰链；603-刚性圆直杆；

7-一种可与待测物体刚性连接的便于测量的标识；701-基准点球；702-连接杆；703-底座。

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例1

参阅图1，图2、图3和图8，一种重心测量方法，包括如下步骤：

1)通过3D形貌仪扫描、白光扫描仪扫描、激光跟踪仪扫描、直接使用待测物体已有的3D数模(例如Catia零、合件文件)等方式获得待测物体1的3D数学模型(3D图、三维数据)；

2)在待测物体1上选择或设置(在待测物体上安装与待测物体刚性连接的便于测量的标识)如图所示的8个基准点，可知基准点中至少有3个点不在一条直线上。

如果在步骤2)中使用了测量标识作为基准点，为了提高测量精度，可以单独计算或测量标识的重心后，运用力的平衡原理通过数学计算在测量结果中消去测量标识的影响。

3)通过三坐标、激光跟踪仪等方式准确地测量步骤2)中基准点在待测物体的3D数学模型中的坐标。

4)用悬线悬挂(用挂钩、捆绑等各种方式挂起来就行)被测物体，使被测物体自由下垂并静止。

为了提高精度，可以在垂线中串入包含刚性圆直杆的万向铰链拉杆，通过测量便于获得刚性圆直杆轴线上的点的坐标，并将此坐标作为悬线点的坐标。

所述的万向铰链拉杆的万向铰链可以是球形万向铰链、若干个单轴铰链的组合而成的铰链。

对于自身刚性较低或悬挂时容易变形的待测物体，可以采用制作支撑框架、设置多个起吊点等方式，先将待测物体放在支撑框架内吊起测量重心，然后在单独测量或计算出支撑框架的重心，最后通过数学计算，消除框架等对重心的影响。

5)选择任意一个坐标系，用三坐标、激光跟踪仪等3D测量仪器测量悬线竖直部分，得到至少2个悬线点的坐标。

6)用三坐标、激光跟踪仪等3D测量仪器任意测量待测物体上不在一条直线上的至少3个基准点的坐标(坐标系与步骤5) 相同)。

7)根据三维空间两点距离公式计算步骤5)和步骤6)中每一个悬线点到每一个值基准点的距离。此时，每个悬线点可以计算出自身与不少于3个基准点的距离值。

三维空间两点距离公式如下：

a)设点1的坐标为(x₁，y₁，z₁)、点2的坐标为(x₂，y₂，z₂)

b)则

8)在待测物体1的3D数学模型中的坐标系下，以悬线点到基准点距离为基础，求得每个悬线点的坐标——悬线点为三个以基准点为球心、球半径为悬线点到基准点距离的三个球面的公共交点。并且，

a)理论上，球心不在一条直线上的3个球面相交，至多有2 个交点，当交点不唯一时，可以根据已知的悬线点与基准点相对方向和大致位置关系，排除掉位置方向错误的交点；

b)当在步骤6) 中获得的有坐标值的基准点的数量多于3个时，每个悬线点的位置也可能不唯一，此时即运用数学方法(例如取位置的平均值作为悬线点、取到各个位置距离平方和最小的点作为悬线点等…)将这些点合并成1个点。

9)根据步骤8)求得的每个悬线点的坐标，按照一定的直线拟合规则(例如最小二乘法拟合)在待测物体的3D数学模型坐标系下拟合得到的悬线的直线方程。

10)更换悬挂位置，再次重复步骤4)、步骤5)、步骤6)、步骤 7) ，步骤8)和步骤9)，得到另一条悬线的直线方程。

11)再次重复执行步骤10) 至少0次。

12)按照一定的求解规则(例如将求解交点转化为求解一个到各条直线距离最短的点)求解各次悬挂时获得的悬线的直线方程的交点，此交点即为待测物体的重心。

所述的“与待测物体刚性连接的便于测量的标识”包含便于三坐标、扫描仪、激光跟踪仪测量的标识，通过磁力座、胶粘和螺钉紧固等方式安装在待测物体上。与待测物体刚性连接的便于测量的标识的一个例子如图8所示。

本实施例中的“一种可与待测物体刚性连接的便于测量的标识”通过基座与待测物体1刚性连接。

所述的悬线点是指在悬线竖直部分上的点，优选地，为悬线竖直部分轴线上的点。

进一步地，如果在步骤2)中使用了测量标识作为基准点，为了提高测量精度，可以单独计算或测量标识的重心后，运用力的平衡原理通过数学计算在测量结果中消去测量标识的影响。

进一步地，在测量误差不随测量距离增加而大幅度增加的情况下，为了提高精度，步骤2)中选择或设置基准点时，基准点优先选择相距较远和靠紧待测物体轮廓边缘的点。

进一步地，在测量误差不随测量距离增加而大幅度增加的情况下，为了提高精度，步骤5)和步骤6)测量时优先选择相距较远和的垂线点和基准点。

实施例2

参阅图4、图5、图6、图7和图8，一种重心测量方法，包括如下步骤：

1)通过3D形貌仪扫描、白光扫描仪扫描、激光跟踪仪扫描、直接使用待测物体2已有的3D数模(例如Catia零、合件文件)等方式获得待测物体2的3D数学模型(3D图、三维数据)；

2)在待测物体2上选择或设置(在待测物体2上安装与待测物体2刚性连接的便于测量的标识)5个基准点，可知：其中至少有3 个点不在一条直线上。

3)通过三坐标、激光跟踪仪等方式准确地测量步骤2)中基准点在待测物体2的3D数学模型中的坐标。

4)用悬线悬挂(用挂钩、捆绑等各种方式挂起来就行)被测物体，使被测物体自由下垂并静止。

5)选择任意一个坐标系，用三坐标、激光跟踪仪等3D测量仪器测量悬线竖直部分，得到2个悬线点的坐标。

6)用三坐标、激光跟踪仪等3D测量仪器任意测量待测物体2上不在一条直线上的至少3个基准点的坐标(坐标系与步骤5) 相同)。

7)根据三维空间两点距离公式计算步骤5)和步骤6)中每一个悬线点到每一个值基准点的距离。此时，每个悬线点可以计算出自身与不少于3个基准点的距离值。

8)在待测物体2的3D数学模型中的坐标系下，以悬线点到基准点距离为基础，求得每个悬线点的坐标——悬线点为三个以基准点为球心、球半径为悬线点到基准点距离的三个球面的公共交点。并且，

a)理论上，球心不在一条直线上的3个球面相交，至多有2 个交点，当交点不唯一时，可以根据已知的悬线点与基准点相对方向和大致位置关系，排除掉位置方向错误的交点；

b)当在步骤6) 中获得的有坐标值的基准点的数量多于3个时，每个悬线点的位置也可能不唯一，此时即运用数学方法(例如取位置的平均值作为悬线点、取到各个位置距离平方和最小的点作为悬线点等…)将这些点合并成1个点。

9)根据步骤8)求得的每个悬线点的坐标，按照一定的直线拟合规则(例如最小二乘法拟合)在待测物体2的3D数学模型坐标系下拟合得到的悬线的直线方程。

10)更换悬挂位置，再次重复步骤4)、步骤5)、步骤6)、步骤 7) ，步骤8)和步骤9)，得到另一条悬线的直线方程。

11)再次重复执行步骤10) 至少0次。

12)按照一定的求解规则(例如将求解交点转化为求解一个到各条直线距离最短的点)求解各次悬挂时获得的悬线的直线方程的交点，此交点即为待测物体2的重心。

所述的“与待测物体2刚性连接的便于测量的标识”包含便于三坐标、扫描仪、激光跟踪仪测量的标识，通过磁力座、胶粘和螺钉紧固等方式安装在待测物体2上。与待测物体2刚性连接的便于测量的标识的一个例子如图8所示。

所述的悬线点是指在悬线竖直部分上的点，优选地，为悬线竖直部分轴线上的点。

进一步地，如果在步骤2)中使用了测量标识作为基准点，为了提高测量精度，可以单独计算或测量标识的重心后，运用力的平衡原理通过数学计算在测量结果中消去测量标识的影响。

进一步地，在测量误差不随测量距离增加而大幅度增加的情况下，为了提高精度，步骤2)中选择或设置基准点时，基准点优先选择相距较远和靠紧待测物体2轮廓边缘的点。

进一步地，在测量误差不随测量距离增加而大幅度增加的情况下，为了提高精度，步骤5)和步骤6)测量时优先选择相距较远和的垂线点和基准点。

进一步地，为了提高精度，可以在垂线中串入包含刚性圆直杆的万向铰链拉杆，通过测量便于获得刚性圆直杆轴线上的点的坐标，并将此坐标作为悬线点的坐标。包含刚性圆直杆的万向铰链拉杆的一个例子如图7所示。

所述的万向铰链拉杆的万向铰链可以是球形万向铰链、若干个单轴铰链的组合而成的铰链。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种重心测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)获得待测物体的3D数学模型；

2)在待测物体上选择或设置不少于3个基准点，并且基准点中至少有3个点不在一条直线上；

3)获得步骤2)中基准点在待测物体上的3D数学模型中的坐标；

4)用悬线悬挂待测物体，使待测物体自由下垂并静止；

5)选择任意一个坐标系，用3D测量仪器测量悬线竖直部分，得到至少2个悬线点的坐标；

6)用3D测量仪器任意测量待测物体上不在一条直线上的至少3个基准点的坐标；

7)根据三维空间两点距离公式计算步骤5)和步骤6)中每一个悬线点到每一个基准点的距离；其中，每个悬线点计算出自身与不少于3个基准点的距离值；

8)在待测物体的3D数学模型中的坐标系下，以悬线点到基准点距离为基础，求得每个悬线点的坐标——悬线点为三个以基准点为球心、球半径为悬线点到基准点距离的三个球面的公共交点；并且，

a)当球心不在一条直线上的3个球面相交，至多有2个交点，当交点不唯一时，根据已知的悬线点与基准点相对方向和大致位置关系，排除掉位置方向错误的交点；

b)当在步骤6)中获得的有坐标值的基准点的数量多于3个时，每个悬线点的位置不唯一时，运用数学方法将这些点合并成1个点；

9)根据步骤8)求得的每个悬线点的坐标，按照一定的直线拟合规则在待测物体的3D数学模型坐标系下拟合得到悬线的直线方程；

10)更换悬挂位置，再次重复步骤4)、步骤5)、步骤6)、步骤7)，步骤8)和步骤9)，得到另一条悬线的直线方程；

11)再次重复执行步骤10) 至少0次；

12)按照一定的求解规则求解各次悬挂时获得的悬线的直线方程的交点，此交点即为待测物体的重心。

2.如权利要求1所述的一种重心测量方法，其特征在于，步骤1)中所述的获得待测物体的3D数学模型具体地通过3D形貌仪扫描、白光扫描仪扫描、激光跟踪仪扫描或直接使用待测物体已有的3D数模来获得，所述3D数学模型为3D图或三维数据。

3.如权利要求1所述的一种重心测量方法，其特征在于，步骤2)中所述的在待测物体上选择或设置不少于3个基准点，具体地是在待测物体上安装与待测物体刚性连接的便于测量的标识，所述标识通过磁力座、胶粘或螺钉紧固的方式安装在待测物体上。

4.如权利要求1所述的一种重心测量方法，其特征在于，步骤3)选择通过三坐标或激光跟踪仪的方式测量。

5.如权利要求1所述的一种重心测量方法，其特征在于，步骤4)中的悬线中串入包含刚性圆直杆的万向铰链拉杆，通过测量便于获得刚性圆直杆轴线上的点的坐标，并将此坐标作为悬线点的坐标，万向铰链拉杆的万向铰链为球形万向铰链、若干个单轴铰链的组合而成的铰链。

6.如权利要求1所述的一种重心测量方法，其特征在于，步骤5)中所述的悬线点为悬线竖直部分轴线上的点。

7.如权利要求1所述的一种重心测量方法，其特征在于，步骤8)所述的数学方法具体为取位置的平均值作为悬线点或取到各个位置距离平方和最小的点作为悬线点。

8.如权利要求1所述的一种重心测量方法，其特征在于，步骤9)所述的一定的直线拟合规则为在三维空间中用最小二乘法拟合直线方程的方法。

9.如权利要求1所述的一种重心测量方法，其特征在于，步骤12)所述的一定的求解规则具体为将求解交点转化为求解一个到各条直线距离最短的点。

Images