CN112833786B - 一种舱段位姿测量及对准系统、控制方法及应用 - Google Patents

Abstract

本应用技术关于舱段的对接技术领域，公开了一种舱段位姿测量及对准系统、控制方法及应用，通过直线扫描的方法扫描舱段的表面通过使用轴线的拟合和母线拟合的综合方法，结合轴线法沿Y轴测量精度较高和母线法沿X轴测量精度较高的优点，避免单一轴线法或母线法分别沿Y轴和X轴的测量误差，并且通过蒙特卡洛数值模拟方法来对轴线和母线进行大量的数值模拟；通过同端面相机组的重合变换和几何变换和一种标定方法用以对同一端面进行拍摄的相机组进行配准。其基本思路为通过算法寻求使两轨迹重合的变换关系，根据两轨迹之间确定的几何关系进行变换，得到两个轨迹在空间中的真实位姿。直接针对返回的图像特征进行配准，摆脱了对昂贵的激光跟踪仪的依赖。

Description

一种舱段位姿测量及对准系统、控制方法及应用

技术领域

本应用技术属于舱段的对接技术领域，尤其涉及一种舱段位姿测量及对准系统、控制方法及应用。

背景技术

目前：作为国家工业的重要组成部分，航空航天制造业的生产能力代表了一个国家综合国力和生产力的强弱。同时，该领域在很大程度上也受到了智能制造概念的影响。从目前航空航天产品的发展状况来说，传统的生产模式已经难以满足愈发提高的性能和质量要求，因此基于机器人和各种智能设备的新型生产线将会成为航天器制造业的改革发展方向。

其中作为航天器生产的关键环节，航天器总装的质量将直接决定产品的最终性能，因此，总装环节的升级在航天系统升级改造过程中的地位极其重要。同时，由于涉及的部件比部装环节来说质量更大，精度要求不变甚至更高，且产品型号多变，因此对所涉及的装配系统在效率、质量以及柔性等方面都有着相对严格的要求。然而，对于航天器自动化总装，我国目前研究则相对滞后，相关的生产、制造部门需要的往往正是这些智能化的工装设备。究其原因，在于智能化设备的研发需要高昂的人力、技术、财力乃至实际操作经验的投入，该代价往往是科研院所、高校等研究单位难以承受的。且不同于以往，智能化生产设备的设计与制造往往涉及多领域的交叉合作，各领域的关键问题、疑难杂症都会在智能设备的制造中得以体现，这也使得智能化工装的设计无法像以往一样，由生产部门像传统工装一样独立承担其设计与制造任务。特别是对于航空航天总装来说，由于所涉及的零件尺寸、重量较大，已远超现有机械手等执行机构的承受范围，因此依靠选型、组装来设计生产线将难以解决很多关键的技术问题。

综上所述，现有技术的研究目标是：

(1)非接触：接触式测量需要反复移动探针取得被测物表面点的位置，进而拟合零件的位姿，一方面，需要通过机械装置完成探针的移动，这样将挤占其他设备的安装空间，导致设备臃肿；另一方面，接触式测量设备的探针需要和零件表面接触，一些特殊情况中，该方法使用将受到限制，如被测物温度较高，表面柔软等。目前的CMM虽然可以取得较高的精度(0.001mm级)，但其庞大的驱动结构使其仅可以作为单独的测量仪器使用，无法被集成在装配生产线中。

(2)无靶标：在被测物表面喷涂或安放测量靶标虽然便于测量仪器得到被测物的位置，但对于整个装配流程来说，需要增加额外的人力成本以完成该过程。例如激光跟踪仪、双目视觉近景测量技术等需要在被测物表面喷涂测量靶标或安置相应的测量靶标后，才能完成测量。

(3)大范围：舱段类零件往往具有较大的长径比，因此测量设备的视场范围要大。对于单一的视觉测量手段来说，随着视场范围的增大，精度将会减小，无法满足舱段的对接要求。

(4)自动化。对于自动化装配系统来说，不应因引入人工而带来额外的工作量，因此一些需要人工干预的测量手段显然是不能胜任该工作要求的。例如关节式测量臂需要人力操作以完成对零件位姿的测量，一些场合中需要人工移动激光跟踪仪的靶球完成位姿的拟合等。

(5)稳健性。实际工程环境往往为非结构化环境，存在各种干扰，因此要求测量系统具有较强的抗干扰能力。对于目前市面上常见的不依赖靶标的精密视觉测量系统来说，通常需要纯净的背景和结构化的光照，因此无法满足工程环境下的测量需求。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有接触式测量通过机械装置完成探针的移动，挤占其他设备的安装空间，导致设备臃肿；接触式测量设备的探针需要和零件表面接触，一些特殊情况中，该方法使用将受到限制。

(2)现有在被测物表面喷涂或安放测量靶标对于整个装配流程需要增加额外的人力成本以完成该过程。

(3)对于单一的视觉测量手段来说，随着视场范围的增大，精度将会减小，无法满足舱段的对接要求。

(4)现有实际工程环境往往为非结构化环境，存在各种干扰，因此要求测量系统具有较强的抗干扰能力；目前市面上常见的不依赖靶标的精密视觉测量系统来说，无法满足工程环境下的测量需求。

解决以上问题及缺陷的难度为：首先因为是运动单一视觉测量的手段，所以视场范围增大是，精度的减小会达不到舱段的对接要求，针对这一问题现阶段只能通过人工来调整相机和目标的距离使其达到测量要求；针对于目前系统抗干扰能力的不足，在不使用依赖靶标的精密测量系统情况下，目前市场存在的测量系统无法满足工程环境下的测量要求。

解决以上问题及缺陷的意义为：如果没有使用人力来喷涂或者安放靶标和使用相同的就能够准确识别被测物体的一些特征，并且能够准确的拟合物体。这对于算法来说是一个巨大的突破，对于视觉识别物体来说也是有了一个巨大的飞跃。如果测量系统拥有很高的抗干扰能力，那么对于系统来说所需要的靶标也就会减少，针对于目前市场上的无靶标的测量系统的精度不够的问题来说，是一个补充，而且拥有很高的抗干扰能力，对于此套系统在市场的应用前景也十分广阔。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本技术提供了一种舱段位姿测量及对准系统、控制方法及应用。

本技术方法是这样实现的，一种舱段位姿测量及对准控制方法，所述舱段位姿测量及对准控制方法包括：

通过直线扫描的方法扫描舱段的表面通过使用轴线的拟合和母线拟合的综合方法，结合轴线法沿Y轴测量精度较高和母线法沿X轴测量精度较高的优点，避免单一轴线法或母线法分别沿Y轴和X轴的测量误差，并且通过蒙特卡洛数值模拟方法来对轴线和母线进行大量的数值模拟；

根据原理样机实验量化分析了分布式相机配准过程中的误差，提出了一种基于刚体变换矩阵H_trans、缩放修正矩阵H_scale以及几何变换矩阵H_Geo的舱段配准模型。在其基础之上提出了基于物理特征的相机组配准方法。其中，对同一端面进行拍照的相机组而言，采用了一种标准筒形件并通过其上的配准孔对相机组进行配准。对于拍摄相对端面上配合特征的相机对来说，本发明设计了一种专用配准装置，用以对相机对进行配准。最后，通过原理样机对本发明方法进行验证，证明了该方法的正确性。

进一步，所述舱段位姿测量及对准控制方法通过结构光三角法获取的点云包含有深度信息，用三维扫描传感器都将沿着扫描方向获取的光带叠加，得到被测面的亮度图，冀以获取端面特征的精确三维位置信息。

进一步，所述舱段位姿测量及对准控制方法测量结合RANSAC对M-估计改进，在进行圆心识别的同时对轮廓有效性判定；同时，针对截面圆弧轮廓的圆心估计问题，基于工程实际对圆拟合和椭圆拟合的精度进行讨论和改进。

进一步，所述舱段位姿测量及对准控制方法基于分布式相机的法兰角度的测量，采用相同数目，分布环状布置的两组工业相机倾斜向内对两个待对接的筒形件A和B的端面分别进行拍照，构成分布式单目系统；其中，单目标定目的在于准确获取每个销/孔在对应相机各自实际坐标系的位置；相机组配准目的在于以获取所有相机到全局坐标系中的配准矩阵H，进行坐标转化和计算。

进一步，所述舱段位姿测量及对准控制方法通过单目相机对销-孔特征进行倾斜拍照，再根据相机的成像原理对直接获得的图像进行矫正和重投影，以准确获销-孔特征在空间中的真实位置。

进一步，所述舱段位姿测量及对准控制方法采用多个相机从不同的方向倾斜拍摄；通过同端面相机组的重合变换和几何变换和一种标定方法用以对同一端面进行拍摄的相机组进行配准；通过一定的算法寻求使上述两轨迹重合的变换关系，根据两轨迹之间确定的几何关系进一步对其进行变换，得到两个轨迹在空间中的真实位姿。

进一步，所述舱段位姿测量及对准控制方法的姿态测量，上位机可控制的激光轮廓扫描仪沿给定方向对舱段的侧面进行扫描，并从获取的点云数据中求解舱段的轴线位姿；同时，分布式相机组对两个待对接的端面进行拍照以捕获两舱段端面上的配合特征，并计算舱段法兰的转角误差；对于控制部分发送数据进行调整：控制系统对装配过程进行控制，包括处理测量系统采集的数据并计算位姿误差，根据位姿误差计算各执行元件的调整量，规划调姿路径；与工厂生产管理系统的通讯，对生产环节的智能化控制以及提供人机接口。

进一步，所述舱段位姿测量及对准控制方法的姿态调整包括；

1)六自由度平台归零，六条支腿长度构成的矢量为

此时，六自由度操作平台与之对应的位姿为：t₁＝(x₁,y₁,z₁,α₁,β₁,γ₁)^T，这两个矢量值在系统调试、标定后固化在控制软件中；

2)在舱段一上建立坐标系2，通过控制软件中自行开发的位姿变换程序，得到其原点坐标和姿态角共6个参数，记为t₁＝(x₂,y₂,z₂,α₂,β₂,γ₂)^T；

坐标系2和操作平台坐标系1的位姿关系变换矩阵为：

其中R表示旋转变换矩阵，其左上标表示本次变换时固定坐标系的序号，左下标表示本次变换时运动坐标系的序号，0表示全局坐标系：

3)在舱段2的平台上的对接口上建立坐标系3；通过位姿变换程序，得到其原点坐标和姿态角共6个参数，记为t₃＝(x₃,y₃,z₃,α₃,β₃,γ₃)^T；

4)将坐标系2，3的信息即t₂,t₃的值送入上位机的控制软件，对准机软件中的运动学解算程序计算出坐标系2在调整后要到达的位姿t'₂＝(x₃,y₃,z₃-h_z,α₃,β₃,γ₃)^T；为了实现对准目标中的高度方差值(h₁-h′₁)²+(h₂-h′₂)²最小，h_z的选取采用如下的最优化方法确定：

式中，h₁,h₂分别为舱段1和2相对于地面上的高度；δh₁₂为舱段1和2的法兰端面的圆心的高度差；

由t′₂和前述的坐标系1，2的关系，得操作平台坐标系1在调整后要到达的原点位置坐标为：o'₁＝(x₂-x₃,y₂-y₃,z₂-z₃)^T，姿态旋转变换阵为：

在六自由度平台建造时，已经确定了其第i个球铰在坐标系1中的位置向量p_i，并且已知第i个胡克铰在大地坐标系中的位置向量p_b，以上，计算调整后第i个支腿的长度为：

运行六自由度平台的控制软件，使每条支腿在伺服系统的驱动下，长度量增加：

6条电动缸同时运行，进行操作平台带动舱段1的调整；至此，完成了两工件的轴线平行度和高度要求；

5)为了实现对准目标中的角度方差值(α₁-α′₁)²+(β₁-β′₁)²最小，在保持舱段1高度和轴线方向不变的前提下，调整舱段1使其绕轴线旋转角度γ₇；γ₇的值由控制软件中的优化程序模块采用如下的最优化方法确定：

式中，α₁β₁分别为以过舱段1对接口、舱段2对接口法兰端面的圆心垂直于各自轴线的夹角理论值；对准机控制软件根据指令参数γ₇，调整六自由度平台6条支腿的长度，实现涡轮泵绕其轴线旋转角度γ₇；

6)测量并检验两舱段法兰端面的圆心的高度和角度要求是否满足对接要求；若满足，则对准过程结束。否则，再进行一次调姿运动，即重复上述第4)和5)步。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述舱段位姿测量及对准控制方法的舱段位姿测量及对准系统，所述舱段位姿测量及对准装置包括：

测量模块，用于对于两个舱段的拍照和测量；

对接模块，安置在调整对准装置上，每个舱段的自由度相当于有留个自由度，用于进行平移反转和滚动运动。

所述舱段位姿测量及对准系统设置有光学平台，光学平台上装有扫描测量模块、照相测量模块；

照相测量模块由两台工业照相机分别安装在支撑架上用于照相和测量两段舱体；两个舱体两个舱段分别由两个六自由度机器人平台支撑；标定架安装在平台上和两个相机的中间；

扫描测量模块直接安装在光学平台上；

视觉测量模块和标定块通过安装架安装在两个舱段之间用于对于两个舱段的拍照和测量；舱段安置在调整对准装置上，每个舱段的自由度相当于有留个自由度，进行平移反转和滚动运动。

本发明的另一目的在于提供一种智能制造控制终端，所述智能制造控制终端用于实现所述的舱段位姿测量及对准控制方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的舱段安置在调整对准装置上，每个舱段的自由度相当于有六个自由度，能够进行平移反转和滚动运动；通过直线扫描的方法扫描舱段的表面通过使用轴线的拟合和母线拟合的综合方法，结合轴线法沿Y轴测量精度较高和母线法沿X轴测量精度较高的优点，避免单一轴线法或母线法分别沿Y轴和X轴的测量误差，并且通过蒙特卡洛数值模拟方法来对轴线和母线进行大量的数值模拟，在满足测量精度误差的条件下，综合法的标准差值更小，如表1、表2、表3所示；

本发明通过结构光三角法获取的点云包含有较高精度的深度信息，但在垂直于深度的方向上，其信息是离散的。因此，用三维扫描传感器都可以将沿着扫描方向获取的光带叠加，得到被测面的亮度图，冀以获取端面特征的精确三维位置信息，也就是能够精确的确定端面的圆心坐标。如图9各种方法得到圆心的点云分布所示。

本发明在测量的稳健性增强方面，考虑到激光扫描数据具有较大的冗余性，结合RANSAC的思路对M-估计进行改进，使其在进行圆心识别的同时可以对轮廓有效性进行判定，剔除干扰较多的轮廓。同时，针对截面圆弧轮廓的圆心估计问题，基于工程实际对圆拟合和椭圆拟合的精度进行讨论和改进。在特别追求调姿精度的位姿测量-调整流程中，可采用此种方法以降低测量效率的代价进一步提高精度。如图10和表4为前后对比数据。

本发明单目标定目的在于准确获取每个销/孔在对应相机各自实际坐标系的位置；相机组配准目的在于以获取所有相机到全局坐标系中的配准矩阵H。从而能够进行简单的坐标转化和计算；通过单目相机对销-孔特征进行倾斜拍照，再根据相机的成像原理对直接获得的图像进行矫正和重投影，以准确获销-孔特征在空间中的真实位置；采用多个相机从不同的方向倾斜拍摄。这样，每个相机视场范围内仅有一个特征，因此可以取得较高的精度。

综上所述，本发明在扫描测量上使用的轴线和母线综合方法，并且使用蒙特卡洛数值模拟对于得到的数值进行了模拟实验，因此对于求出舱段的轴线的位姿起到了提高精确测量的效果；并且在后续中使用的改进M-估计，使其在进行圆心识别的同时可以对轮廓有效性进行判定，剔除干扰较多的轮廓。对圆拟合和椭圆拟合的精度进行讨论和改进，进一步的提高了测量的稳定性和精确性；在确定法兰的转角和销孔的问题上提出了一种基于分布式相机倾斜拍照的筒形件法兰转角位姿测量方法。该方法可以不依赖测量靶标自动、高效地对舱段对接过程中法兰的转角位姿进行精密测量，从而驱动伺服装置闭环地完成转角位姿的调整以进行准确地对接；根据原理样机实验量化分析了分布式相机配准过程中的误差，提出了一种基于刚体变换矩阵、缩放修正矩阵，以及几何变换矩阵的舱段配准模型。在其基础之上提出了基于物理特征的相机组配准方法；提出的方法相对基于激光跟踪仪的方法，直接针对返回的图像特征进行配准，摆脱了对昂贵的激光跟踪仪的依赖。相对于基于反射镜的方法，这种方法不需要复杂的光学系统，因此在实际生产中更容易实施。

表1蒙特卡洛仿真得到各方法估计椭圆圆心的分布参数(mm)

表2各轴线求解方法对轴线位姿参数的数值仿真结果

表3绝对精度测量数据

注：方法A：综合法方法B：轴线法方法C：LTS的测量方法

表4测量位姿参数对比

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的舱段位姿测量及对准系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的舱段位姿测量及对准控制方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的测量部分结构示意图；

图4是本发明实施例提供的对接部分结构示意图；

图5是本发明实施例提供的调整机构的六自由度并联机构示意图；

图6是本发明实施例提供的激光扫描模块结构示意图；

图7是本发明实施例提供的激光轮廓传感器测量原理示意图示意图；

图8是本发明实施例提供的采用辅助配准装置的相机配准方法示意图；

图中：1、光学平台；2、扫描测量模块；3、标定架；4、视觉测量模块；5、舱段模块；6、扫描传感器；7、步进电机；8、编码器；9、支撑柱；10、拖链；11、直线模组；12、测量模块；13、对接模块。

图9本发明实施例提供的各种方法得到圆心的点云分布图。

图中(a)轴线法和综合法得到的圆心分布图，(b)母线法和综合法得到的圆心分布图。

图10本发明实施例提供的圆拟合估计圆心和椭圆拟合估计圆心的对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种舱段位姿测量及对准系统、控制方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的舱段位姿测量及对准系统包括：测量模块12、对接模块13。

测量模块12，用于对于两个舱段的拍照和测量。

对接模块13，安置在调整对准装置上，每个舱段的自由度相当于有留个自由度，用于进行平移反转和滚动运动。

本发明主要有光学平台支撑整个结构，光学平台上装有扫描测量模块、照相测量模块，照相测量模块由两台工业照相机分别安装在支撑架上用于照相和测量两段舱体；两个舱体两个舱段分别由两个六自由度机器人平台支撑，所以每个平台都有六个自由度，能够完成相应的平移，翻滚和旋转；标定架安装在平台上和两个相机的中间。扫描测量部分直接安装在光学平台上；视觉测量模块和标定块通过安装架安装在两个舱段之间用于对于两个舱段的拍照和测量；舱段安置在调整对准装置上，每个舱段的自由度相当于有留个自由度，能够进行平移反转和滚动运动。

如图2所示，本发明提供的舱段位姿测量及对准控制方法包括：

S101：通过直线扫描的方法扫描舱段的表面通过使用轴线的拟合和母线拟合的综合方法，结合轴线法沿Y轴测量精度较高和母线法沿X轴测量精度较高的优点，避免单一轴线法或母线法分别沿Y轴和X轴的测量误差，并且通过蒙特卡洛数值模拟方法来对轴线和母线进行大量的数值模拟；

S102：通过同端面相机组的重合变换和几何变换和一种标定方法用以对同一端面进行拍摄的相机组进行配准。其基本思路为通过一定的算法寻求使上述两轨迹重合的变换关系，根据两轨迹之间确定的几何关系进一步对其进行变换，得到两个轨迹在空间中的真实位姿。

本发明的提供的舱段位姿测量及对准控制方法还包括：通过结构光三角法获取的点云包含有较高精度的深度信息，但在垂直于深度的方向上，其信息是离散的。因此，用三维扫描传感器都可以将沿着扫描方向获取的光带叠加，得到被测面的亮度图，冀以获取端面特征的精确三维位置信息，也就是能够精确的确定端面的圆心坐标。

本发明的提供的舱段位姿测量及对准控制方法还包括：在测量的稳健性增强方面，考虑到激光扫描数据具有较大的冗余性，结合RANSAC的思路对M-估计进行改进，使其在进行圆心识别的同时可以对轮廓有效性进行判定，剔除干扰较多的轮廓。同时，针对截面圆弧轮廓的圆心估计问题，基于工程实际对圆拟合和椭圆拟合的精度进行讨论和改进。在特别追求调姿精度的位姿测量-调整流程中，可采用此种方法以降低测量效率的代价进一步提高精度。

本发明的提供的舱段位姿测量及对准控制方法还包括：基于分布式相机的法兰角度的测量，该方法采用相同数目，分布环状布置的两组工业相机倾斜向内对两个待对接的筒形件A和B的端面分别进行拍照，构成分布式单目系统。其中，单目标定目的在于准确获取每个销/孔在对应相机各自实际坐标系的位置；相机组配准目的在于以获取所有相机到全局坐标系中的配准矩阵H。从而能够进行简单的坐标转化和计算。

本发明的提供的舱段位姿测量及对准控制方法还包括：通过单目相机对销-孔特征进行倾斜拍照，再根据相机的成像原理对直接获得的图像进行矫正和重投影，以准确获销-孔特征在空间中的真实位置。

本发明的提供的舱段位姿测量及对准控制方法还包括：采用多个相机从不同的方向倾斜拍摄。这样，每个相机视场范围内仅有一个特征，因此可以取得较高的精度。并且通过同端面相机组的重合变换和几何变换和一种标定方法用以对同一端面进行拍摄的相机组进行配准。其基本思路为通过一定的算法寻求使上述两轨迹重合的变换关系，根据两轨迹之间确定的几何关系进一步对其进行变换，得到两个轨迹在空间中的真实位姿。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明提供的舱段位姿测量及对准控制方法包括以下步骤：

第一步，姿态测量，测量系统主要包含激光轮廓扫描仪、工业相机以及相应的数据处理算法。其中，上位机可控制图6的激光轮廓扫描仪沿给定方向对舱段的侧面进行扫描，并从获取的点云数据中求解舱段的轴线位姿。同时，分布式相机组对两个待对接的端面进行拍照以捕获两舱段端面上的配合特征，并计算舱段法兰的转角误差。接下来就是对于控制部分发送数据进行调整：控制系统包括硬件和软件两部分，其中硬件包括控制计算机，伺服控制器、驱动器以及光电编码器等，上位机软件包括工业组态软件，传感器数据处理软件以及伺服控制软件等。控制系统主要负责两方面的工作，一方面是对装配过程进行控制，包括处理测量系统采集的数据并计算位姿误差，根据位姿误差计算各执行元件的调整量，规划调姿路径等；另一方面是与工厂生产管理系统的通讯，对生产环节的智能化控制以及提供人机接口等工作。

第二步，姿态调整；

1)六自由度平台归零，六条支腿长度构成的矢量为

此时，六自由度操作平台与之对应的位姿为：t₁＝(x₁，y₁，z₁，α₁，β₁，γ₁)^T，这两个矢量值在系统调试、标定后固化在控制软件中；

2)在舱段一上建立坐标系2如图4，通过控制软件中自行开发的位姿变换程序，得到其原点坐标和姿态角共6个参数，记为t₁＝(x₂，y₂，z₂，α₂，β₂，γ₂)^T；

坐标系2和操作平台坐标系1的位姿关系变换矩阵为：

其中R表示旋转变换矩阵，其左上标表示本次变换时固定坐标系的序号，左下标表示本次变换时运动坐标系的序号，0表示全局坐标系：

3)在舱段2的平台上的对接口上建立坐标系3。通过位姿变换程序，得到其原点坐标和姿态角共6个参数，记为t₃＝(x₃，y₃，z₃，α₃，β₃，γ₃)^T；

4)将坐标系2，3的信息即t₂，t₃的值送入上位机的控制软件，对准机软件中的运动学解算程序计算出坐标系2在调整后要到达的位姿t′₂＝(x₃，y₃，z₃-h_z，α₃，β₃，γ₃)^T；

为了实现对准目标中的高度方差值(h₁-h′₁)²+(h₂-h′₂)²最小，h_z的选取采用如下的最优化方法确定：

式中，h₁，h₂分别为舱段1和2相对于地面上的高度；δh₁₂为舱段1和2的法兰端面的圆心的高度差(可测出)。

由t′₂和前述的坐标系1，2的关系，可得操作平台坐标系1在调整后要到达的原点位置坐标为：o′₁＝(x₂-x₃，y₂-y₃，z₂-z₃)^T，姿态旋转变换阵为：

在六自由度平台建造时，已经确定了其第i个球铰(连接第i个支腿与操作平台)在坐标系1中的位置向量p_i，并且已知第i个胡克铰(连接第i个支腿与竖直桁架)在大地坐标系中的位置向量p_b，以上i＝1，2，...，6。因此可计算调整后第i个支腿的长度为：

运行六自由度平台的控制软件，使每条支腿在伺服系统的驱动下，长度量增加：

6条电动缸同时运行，进行操作平台带动舱段1的调整；至此，完成了两工件的轴线平行度和高度要求。

5)为了实现对准目标中的角度方差值(α₁-α′₁)²+(β₁-β′₁)²最小，还需在保持舱段1高度和轴线方向不变的前提下，调整舱段1使其绕轴线旋转角度γ₇；

γ₇的值由控制软件中的优化程序模块采用如下的最优化方法确定：

式中，α₁β₁分别为以过舱段1对接口、舱段2对接口法兰端面的圆心垂直于各自轴线的夹角理论值。

对准机控制软件根据指令参数γ₇，调整六自由度平台6条支腿的长度，实现涡轮泵绕其轴线旋转角度γ₇，其详细调整原理与4)中相同，此处不再重复叙述。至此，完成了两工件的绕轴线的角度要求。

6)测量并检验两舱段法兰端面的圆心的高度和角度要求是否满足对接要求；若满足，则对准过程结束。否则，再进行一次调姿运动，即重复上述第4)和5)步。

本发明在测量上使用靶标来配准相机完成测量工作，而且在测量设备的视觉厂范围上更大，在自动化上的程度上更加高，免去了在一些人为干预下产生的误差，同时具有更高的稳定性，在满足需求的前提下极大的简化了操作和节约了制造成本。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种舱段位姿测量及对准控制方法，其特征在于，所述舱段位姿测量及对准控制方法包括：

通过直线扫描的方法扫描舱段的表面通过使用轴线的拟合和母线拟合的综合方法，结合轴线法沿Y轴测量精度较高和母线法沿X轴测量精度较高的优点，避免单一轴线法或母线法分别沿Y轴和X轴的测量误差，并且通过蒙特卡洛数值模拟方法来对轴线和母线进行大量的数值模拟；

所述舱段位姿测量及对准控制方法基于分布式相机的法兰角度的测量，采用相同数目，分布环状布置的两组工业相机倾斜向内对两个待对接的舱段一和二的端面分别进行拍照，构成分布式单目系统；其中，单目标定准确获取每个销/孔在对应相机各自实际坐标系的位置；相机组配准以获取所有相机到全局坐标系中的配准矩阵H，进行坐标转化和计算；

所述舱段位姿测量及对准控制方法采用多个相机从不同的方向倾斜拍摄；通过同端面相机组的重合变换和几何变换和一种标定方法用以对同一端面进行拍摄的相机组进行配准；通过一定的算法寻求使两轨迹重合的变换关系，根据两轨迹之间确定的几何关系进一步对其进行变换，得到两个轨迹在空间中的真实位姿；

所述舱段位姿测量及对准控制方法的姿态测量，上位机可控制的激光轮廓扫描仪沿给定方向对舱段的侧面进行扫描，并从获取的点云数据中求解舱段的轴线位姿；同时，分布式相机组对两个待对接的端面进行拍照以捕获两舱段端面上的配合特征，并计算舱段法兰的转角误差；对于控制部分发送数据进行调整：控制系统对装配过程进行控制，包括处理测量系统采集的数据并计算位姿误差，根据位姿误差计算各执行元件的调整量，规划调姿路径；与工厂生产管理系统的通讯，对生产环节的智能化控制以及提供人机接口；

所述舱段位姿测量及对准控制方法的姿态调整包括；

1)舱段分别由两个六自由度机器人平台支撑，六自由度平台归零，六条支腿长度构成的矢量为

此时，六自由度操作平台与之对应的位姿为：t₁＝(x₁,y₁,z₁,α₁,β₁,γ₁)^T，这两个矢量值在系统调试、标定后固化在控制软件中；

2)在舱段一上建立坐标系2，通过控制软件中自行开发的位姿变换程序，得到其原点坐标和姿态角共6个参数，记为t₂＝(x₂,y₂,z₂,α₂，β₂，γ₂)^T；

坐标系2和操作平台坐标系1的位姿关系变换矩阵为：

其中R表示旋转变换矩阵，其左上标表示本次变换时固定坐标系的序号，左下标表示本次变换时运动坐标系的序号，0表示全局坐标系：

3)在舱段二的平台上的对接口上建立坐标系3；通过位姿变换程序，得到其原点坐标和姿态角共6个参数，记为t₃＝(x₃,y₃,z₃,α₃,β₃,γ₃)^T；

4)将坐标系2，3的信息即t₂,t₃的值送入上位机的控制软件，对准机软件中的运动学解算程序计算出坐标系2在调整后要到达的位姿t'₂＝(x₃,y₃,z₃-h_z,α₃,β₃,γ₃)^T；为了实现对准目标中的高度方差值(h₁-h′₁)²+(h₂-h′₂)²最小，h_z的选取采用如下的最优化方法确定：

式中，h₁,h₂分别为舱段一和二相对于地面上的高度；δh₁₂为舱段一和二的法兰端面的圆心的高度差；

由t′₂和前述的坐标系1，2的关系，得操作平台坐标系1在调整后要到达的原点位置坐标为：o'₁＝(x₂-x₃,y₂-y₃,z₂-z₃)^T，姿态旋转变换阵为：

在六自由度平台建造时，已经确定了其第i个球铰在坐标系1中的位置向量p_i，并且已知第i个胡克铰在大地坐标系中的位置向量p_b，以上，计算调整后第i个支腿的长度为：

运行六自由度平台的控制软件，使每条支腿在伺服系统的驱动下，长度量增加：

6条电动缸同时运行，进行操作平台带动舱段一的调整；至此，完成了两工件的轴线平行度和高度要求；

5)为了实现对准目标中的角度方差值(α₁-α′₁)²+(β₁-β′₁)²最小，在保持舱段一高度和轴线方向不变的前提下，调整舱段一使其绕轴线旋转角度γ₇；γ₇的值由控制软件中的优化程序模块采用如下的最优化方法确定：

式中，α₁β₁分别为以过舱段一对接口、舱段二对接口法兰端面的圆心垂直于各自轴线的夹角理论值；对准机控制软件根据指令参数γ₇，调整六自由度平台6条支腿的长度，实现涡轮泵绕其轴线旋转角度γ₇；

6)测量并检验两舱段法兰端面的圆心的高度和角度要求是否满足对接要求；若满足，则对准过程结束，否则，再进行一次调姿运动，即重复上述第4)和5)步。

2.如权利要求1所述的舱段位姿测量及对准控制方法，其特征在于，所述舱段位姿测量及对准控制方法通过结构光三角法获取的点云包含有深度信息，用三维扫描传感器将沿着扫描方向获取的光带叠加，得到被测面的亮度图，冀以获取端面特征的精确三维位置信息。

3.如权利要求1所述的舱段位姿测量及对准控制方法，其特征在于，所述舱段位姿测量及对准控制方法通过单目相机对销-孔特征进行倾斜拍照，再根据相机的成像原理对直接获得的图像进行矫正和重投影，以准确获销-孔特征在空间中的真实位置。

4.一种实施权利要求1～3任意一项所述舱段位姿测量及对准控制方法的舱段位姿测量及对准系统，其特征在于，所述舱段位姿测量及对准系统包括：

测量模块，用于对于两个舱段的拍照和测量；

对接模块，安置在调整对准装置上，每个舱段的自由度相当于有六个自由度，用于进行平移反转和滚动运动；

所述舱段位姿测量及对准系统设置有光学平台，光学平台上装有扫描测量模块、照相测量模块；

照相测量模块由两台工业照相机分别安装在支撑架上用于照相和测量两段舱体；两个舱段分别由两个六自由度机器人平台支撑；标定架安装在平台上和两个相机的中间；

扫描测量模块直接安装在光学平台上；

视觉测量模块和标定块通过安装架安装在两个舱段之间用于对于两个舱段的拍照和测量；舱段安置在调整对准装置上，每个舱段的自由度相当于有六个自由度，进行平移反转和滚动运动。

5.一种智能制造控制终端，其特征在于，所述智能制造控制终端用于实现权利要求1～3任意一项所述的舱段位姿测量及对准控制方法。

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