CN114396872A - 飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置及其转换测量方法 - Google Patents

Abstract

飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置及其转换测量方法，属于飞行器制造技术领域，本发明为解决现有采用外部视觉相机对舱段自动对接进行测量过程中，舱段端面隐藏特征无法直接精确测量的问题。它包括：视觉测量靶标组固定于转换测量光笔架组件上，销测量头和孔测量头分别安装在转换测量光笔架组件的两端；转换测量光笔架组件包括“T”型笔架主体和手持握把，视觉测量靶标组的各靶点均布于“T”型笔架主体的上端面。采用视觉测量系统测量获取销测量头或孔测量头的位姿信息，以及靶标的位姿信息，获取相对位置关系，再根据实时采集的靶标位姿信息，反推定位销或定位孔的实时位姿信息。本发明用于飞行器舱段进行自动对接时对隐藏特征进行转换测量。

Description

飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置及其转换测量方法

技术领域

本发明涉及一种飞行器舱段对接的相对位姿测量装置，属于飞行器制造技术领域。

背景技术

为适应各类型飞行器的发展需求以及尽量降低同类型产品的研制生产周期和成本，飞行器大型化、批量化已成为目前飞行器发展的大趋势。然而，传统的利用辅助工装进行的人工舱段对接方式已不能满足大型飞行器舱段的对接需求，因此，近年来，随着自动化技术以及外部测量技术的发展，大型飞行器舱段自动对接技术也得到了较好的发展。在大型飞行器舱段自动对接装配中，一个关键技术便是对舱段的各相对位姿进行精确测量，目前常见的外部测量手段主要是依靠激光跟踪仪或者视觉相机实现的。

利用高精度的激光跟踪仪可以实现对飞行器舱段相对位姿的精确测量，然而高精度的激光跟踪仪成本较高，并且为实现对舱段六自由度位姿的测量，需要多套激光跟踪仪配合使用，因此整体的使用成本很高，不适合批量化的实际对接装配生产应用。

利用视觉相机进行舱段相对位姿的测量，其整体使用成本较低，且相比较而言适用性较强，布置方便，能够较好的适应实际的舱段自动化对接装配应用，但是由于其视觉测量的特性，整体测量精度相比激光跟踪仪系统较低。

此外，舱段对接装配时还需对舱段端面上的某些关键特征进行位姿的确定，如对接定位销以及定位孔等，这些关键特征由于其形状、大小、分布位置等的影响，一般无法直接对其位姿进行精确测量，这类特征一般称为隐藏特征。因此，为实现大型飞行器舱段的全流程高精度自动对接，对舱段端面上的隐藏特征的精确测量也是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有采用外部视觉相机对舱段自动对接进行测量过程中，舱段端面隐藏特征无法直接精确测量的问题，提供了一种飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置及其转换测量方法。

本发明所述一种飞行器舱段自动对接的隐藏特征转换测量装置，它包括转换测量光笔架组件、视觉测量靶标组、销测量头和孔测量头；

视觉测量靶标组固定于转换测量光笔架组件上，销测量头和孔测量头分别安装在转换测量光笔架组件的两端；

所述转换测量光笔架组件包括“T”型笔架主体和手持握把，视觉测量靶标组的各靶点均布于“T”型笔架主体的上端面，手持握把固定于“T”型笔架主体的下端面。

优选的，所述销测量头和孔测量头均为可拆卸结构，且销测量头和孔测量头的轴线重合。

优选的，所述转换测量光笔架组件还包括调节锁紧螺钉，销测量头和孔测量头分别通过调节锁紧螺钉安装在“T”型笔架主体的两端。

优选的，所述视觉测量靶标组位于“T”型笔架主体垂直交点处的靶点位于销测量头和孔测量头的轴线上。

优选的，对舱段端面的定位销的相对位姿进行测量时，将销测量头的一端安装在转换测量光笔架组件上，另一端插在舱段端面的定位销上。

优选的，对舱段端面的定位孔的相对位姿进行测量时，将孔测量头的一端安装在转换测量光笔架组件上，另一端插在舱段端面的定位孔上。

优选的，视觉测量靶标组的安装高度均不相同。

本发明所述飞行器舱段对接隐藏特征转换测量方法，该转换测量方法包括：

S1、根据待对接的飞行器舱段端面的定位销或定位孔的尺寸，选择相匹配的销测量头或孔测量头；

S2、将转换测量光笔架组件通过销测量头或孔测量头安装在飞行器舱段端面上；

S3、采用视觉测量系统获取销测量头或孔测量头的位姿信息，即为定位销或定位孔的位姿信息；视觉测量系统同时获取飞行器舱段固连的靶标进行测量，获得靶标的位姿信息；

S4、根据定位销或定位孔的位姿信息，以及靶标的位姿信息，获取靶标与定位销或定位孔的位置关系；

S5、将转换测量光笔架组件拆卸下来，随着飞行器舱段进行对接，视觉测量系统获取靶标的实时位姿信息；

S6、根据靶标的实时位姿信息和S4获取的位置关系，反推出定位销或定位孔的实时位姿信息。

优选的，S3所述采用视觉测量系统获取销测量头或孔测量头的位姿信息的具体方法包括：

设视觉测量系统的测量坐标系为O_a-X_aY_aZ_a，两个待对接的飞行器舱段的销测量头或孔测量头处分别为A和B，“T”型笔架主体垂直交点处为O，“T”型笔架主体垂直交点处的坐标系为O-XYZ；

视觉测量系统采集获得O点的位姿信息

其中：x_o表示O点相对O_a-X_aY_aZ_a的x轴位置坐标，y_o表示O点相对O_a-X_aY_aZ_a的y轴位置坐标，z_o表示O点相对O_a-X_aY_aZ_a的z轴位置坐标，

表示O-XYZ与O_a-X_aY_aZ_a在x轴分量上的夹角，θ_o表示O-XYZ与O_a-X_aY_aZ_a在y轴分量上的夹角，ψ_o表示O-XYZ与O_a-X_aY_aZ_a在z轴分量上的夹角；

根据O点与A点的距离||OA||＝a，获得A点的位姿信息；

根据O点与B点的距离||OB||＝b，获得B点的位姿信息。

优选的，S4所述获取靶标与定位销或定位孔的位置关系的具体方法包括：

视觉测量系统获得的靶标O_b在视觉测量系统坐标系O_a-X_aY_aZ_a的位姿信息；

再根据A点的位姿信息，获得O_b和A的位置关系；根据B点的位姿信息，获得O_b和B的位置关系。

本发明的优点：本发明提出的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置，通过结构特性将飞行器舱段对接过程中所需测量的隐藏特征进行转换，避免了直接测量时由于隐藏特征的形状、大小、分布位置等因素造成的不便于测量的问题，为使用外部设置的视觉测量系统对飞行器舱段自动对接过程中相对位姿的测量提供了转换测量方法，降低了对飞行器舱段端面对接时定位销或定位孔等隐藏特征的相对位姿精确测量的难度。

附图说明

图1是本发明所述一种飞行器舱段自动对接的隐藏特征转换测量装置的结构示意图；

图2是在本发明所述“T”型笔架主体垂直交点处建立坐标系的示意图；

图3是本发明所述将转换测量光笔架组件安装在飞行器舱段端面上的示意图，其中，101和102分别表示两个待对接的飞行器舱段，101-1表示飞行器舱段101上的靶标，102-1表示表示飞行器舱段102上的靶标；

图4是图3的坐标系示意图；

图5是视觉测量系统的测量坐标系的示意图；

图6是将转换测量光笔架组件拆卸下来，飞行器舱段进行对接过程的示意图；

图7是图6的坐标系示意图。

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置，它包括转换测量光笔架组件1、视觉测量靶标组2、销测量头3和孔测量头4；

视觉测量靶标组2固定于转换测量光笔架组件1上，销测量头3和孔测量头4分别安装在转换测量光笔架组件1的两端；

所述转换测量光笔架组件1包括”T”型笔架主体1-1和手持握把1-2，视觉测量靶标组2的各靶点均布于”T”型笔架主体1-1的上端面，手持握把1-2固定于”T”型笔架主体1-1的下端面。

本实施方式中，”T”型笔架主体1-1为视觉测量靶标组2提供精确的安装位置，并且和手持握把1-2共同组成该隐藏特征转换测量装置的主体机械结构。

进一步的，所述销测量头3和孔测量头4均为可拆卸结构，且销测量头3和孔测量头4的轴线重合。

再进一步的，所述转换测量光笔架组件1还包括调节锁紧螺钉1-3，销测量头3和孔测量头4分别通过调节锁紧螺钉1-3安装在”T”型笔架主体1-1的两端。

本实施方式中，调节锁紧螺钉1-3能够对销测量头3和孔测量头4进行调节和锁紧。通过调节锁紧螺钉1-3将销测量头3和孔测量头4安装在转换测量光笔架组件1上，使得销测量头3和孔测量头4的拆卸、更换、加工更加地便利。

再进一步的，所述视觉测量靶标组2位于”T”型笔架主体1-1垂直交点处的靶点位于销测量头3和孔测量头4的轴线上。

本实施方式中，位于”T”型笔架主体1-1垂直交点处的靶点位于销测量头3和孔测量头4的轴线上，能够保证在加工、组装的过程中保证此位置的关系约束。

再进一步的，对舱段端面的定位销的相对位姿进行测量时，将销测量头3的一端安装在转换测量光笔架组件1上，另一端插在舱段端面的定位销上。

本实施方式中，当对舱段端面定位销的相对位姿进行测量时，将转换测量光笔可更换的销测量头3一侧插在舱段端面定位销上，对于不同形式的对接定位销或定位孔，可选择不同的测量头进行测量。

再进一步的，对舱段端面的定位孔的相对位姿进行测量时，将孔测量头4的一端安装在转换测量光笔架组件1上，另一端插在舱段端面的定位孔上。

本实施方式中，当对舱段端面定位孔的相对位姿进行测量时，将转换测量光笔可更换的孔测量头4一侧插在舱段端面定位孔上，对于不同形式的对接定位孔，可选择不同的测量头进行测量。

本实施方式中，根据实际的飞行器舱段端面上对接定位销以及定位孔的尺寸进行设计加工，通过可更换式的设计，提升了转换测量光笔的整体适应性。

再进一步的，视觉测量靶标组2的安装高度均不相同。

本实施方式中，所述视觉测量靶标组2在安装时，高度具有一定的错落性，即避免处于同一高度上，能够提高整体转换测量装置的转换测量效果。

本实施方式中，可更换的销测量头3和孔测量头4根据实际的飞行器舱段端面上对接定位销以及定位孔的尺寸进行设计加工，通过可更换式的设计，提升转换测量光笔的整体适应性。

具体实施方式二：下面结合图2-图7说明本实施方式，本实施方式所述飞行器舱段对接隐藏特征转换测量方法，该转换测量方法包括：

S1、根据待对接的飞行器舱段端面的定位销或定位孔的尺寸，选择相匹配的销测量头3或孔测量头4；

S2、将转换测量光笔架组件1通过销测量头3或孔测量头4安装在飞行器舱段端面上；

S3、采用视觉测量系统获取销测量头3或孔测量头4的位姿信息，即为定位销或定位孔的位姿信息；视觉测量系统同时获取飞行器舱段固连的靶标进行测量，获得靶标的位姿信息；

S4、根据定位销或定位孔的位姿信息，以及靶标的位姿信息，获取靶标与定位销或定位孔的位置关系；

S5、将转换测量光笔架组件1拆卸下来，随着飞行器舱段进行对接，视觉测量系统获取靶标的实时位姿信息；

S6、根据靶标的实时位姿信息和S4获取的位置关系，反推出定位销或定位孔的实时位姿信息。

进一步的，S3所述采用视觉测量系统获取销测量头3或孔测量头4的位姿信息的具体方法包括：

设视觉测量系统的测量坐标系为O_a-X_aY_aZ_a，两个待对接的飞行器舱段的销测量头3或孔测量头4处分别为A和B，”T”型笔架主体1-1垂直交点处为O，”T”型笔架主体1-1垂直交点处的坐标系为O-XYZ；

视觉测量系统采集获得O点的位姿信息

其中：x_o表示O点相对O_a-X_aY_aZ_a的x轴位置坐标，y_o表示O点相对O_a-X_aY_aZ_a的y轴位置坐标，z_o表示O点相对O_a-X_aY_aZ_a的z轴位置坐标，

表示O-XYZ与O_a-X_aY_aZ_a在x轴分量上的夹角，θ_o表示O-XYZ与O_a-X_aY_aZ_a在分量上y轴的夹角，ψ_o表示O-XYZ与O_a-X_aY_aZ_a在z轴分量上的夹角；

根据O点与A点的距离||OA||＝a，获得A点的位姿信息；

根据O点与B点的距离||OB||＝b，获得B点的位姿信息。

本实施方式中，由于可更换销测量头插入到舱段端面上的对接定位孔中，因此舱段端面上对接定位孔的位姿信息即可用销测量头的位姿信息表示；同样，舱段端面上的定位销的位姿信息即可用套在其上的转换测量光笔装置的可更换式孔测量头位姿信息表示。

再进一步的，S4所述获取靶标与定位销或定位孔的位置关系的具体方法包括：

视觉测量系统获得的靶标O_b在视觉测量系统坐标系O_a-X_aY_aZ_a的位姿信息；

再根据A点的位姿信息，获得O_b和A的位置关系；根据B点的位姿信息，获得O_b和B的位置关系。

本实施方式中，如图5所示，设置在外部的视觉测量系统的测量坐标系为O_a-X_aY_aZ_a，测量获得O点的位姿信息

在”T”型笔架主体1-1垂直交点处的坐标系为O-XYZ中，根据O点与A点的距离||OA||＝a，获得A点的位姿信息；根据O点与B点的距离||OB||＝b，获得B点的位姿信息。由于可更换销测量头3或孔测量头4插入到舱段端面上的对接定位销或定位孔中，因此舱段端面上对接定位销或定位孔的位姿信息即可用销测量头3或孔测量头4的位姿信息表示。如图4所示，视觉测量系统同时对两个飞行器舱段101和102固连的靶标101-1和102-1进行测量，获的固连的靶标101-1和102-1的初始位姿，获得O_b在视觉相机测量坐标系O_a-X_aY_aZ_a中的位姿信息。结合之前获得的O点、A点和B点的位姿信息，获得O_bA以及O_bB之间的相对关系。随着舱段对接，舱段之间的距离不断缩小，舱段端面上的定位销或定位孔随之被遮挡，此时，外部设置的诗句测量系统无法对定位销或定位孔进行直接测量，根据O_b测量的实时位置信息，以及O_bA以及O_bB之间的相对关系，能够反推出舱段端面定位销以及定位孔处的位姿信息。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置，其特征在于，它包括转换测量光笔架组件(1)、视觉测量靶标组(2)、销测量头(3)和孔测量头(4)；

视觉测量靶标组(2)固定于转换测量光笔架组件(1)上，销测量头(3)和孔测量头(4)分别安装在转换测量光笔架组件(1)的两端；

所述转换测量光笔架组件(1)包括“T”型笔架主体(1-1)和手持握把(1-2)，视觉测量靶标组(2)的各靶点均布于“T”型笔架主体(1-1)的上端面，手持握把(1-2)固定于“T”型笔架主体(1-1)的下端面。

2.根据权利要求1所述的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置，其特征在于，所述销测量头(3)和孔测量头(4)均为可拆卸结构，且销测量头(3)和孔测量头(4)的轴线重合。

3.根据权利要求2所述的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置，其特征在于，所述转换测量光笔架组件(1)还包括调节锁紧螺钉(1-3)，销测量头(3)和孔测量头(4)分别通过调节锁紧螺钉(1-3)安装在“T”型笔架主体(1-1)的两端。

4.根据权利要求2所述的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置，其特征在于，所述视觉测量靶标组(2)位于“T”型笔架主体(1-1)垂直交点处的靶点位于销测量头(3)和孔测量头(4)的轴线上。

5.根据权利要求2所述的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置，其特征在于，对舱段端面的定位销的相对位姿进行测量时，将销测量头(3)的一端安装在转换测量光笔架组件(1)上，另一端插在舱段端面的定位销上。

6.根据权利要求2所述的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置，其特征在于，对舱段端面的定位孔的相对位姿进行测量时，将孔测量头(4)的一端安装在转换测量光笔架组件(1)上，另一端插在舱段端面的定位孔上。

7.根据权利要求4所述的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置，其特征在于，视觉测量靶标组(2)的安装高度均不相同。

8.飞行器舱段对接隐藏特征转换测量方法，该转换测量方法根据权利要求1所述的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量装置实现，其特征在于，该转换测量方法包括：

S1、根据待对接的飞行器舱段端面的定位销或定位孔的尺寸，选择相匹配的销测量头(3)或孔测量头(4)；

S2、将转换测量光笔架组件(1)通过销测量头(3)或孔测量头(4)安装在飞行器舱段端面上；

S3、采用视觉测量系统获取销测量头(3)或孔测量头(4)的位姿信息，即为定位销或定位孔的位姿信息；视觉测量系统同时获取飞行器舱段固连的靶标进行测量，获得靶标的位姿信息；

S4、根据定位销或定位孔的位姿信息，以及靶标的位姿信息，获取靶标与定位销或定位孔的位置关系；

S5、将转换测量光笔架组件(1)拆卸下来，随着飞行器舱段进行对接，视觉测量系统获取靶标的实时位姿信息；

S6、根据靶标的实时位姿信息和S4获取的位置关系，反推出定位销或定位孔的实时位姿信息。

9.根据权利要求8所述的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量方法，其特征在于，S3所述采用视觉测量系统获取销测量头(3)或孔测量头(4)的位姿信息的具体方法包括：

设视觉测量系统的测量坐标系为O_a-X_aY_aZ_a，两个待对接的飞行器舱段的销测量头(3)或孔测量头(4)处分别为A和B，“T”型笔架主体(1-1)垂直交点处为O，“T”型笔架主体(1-1)垂直交点处的坐标系为O-XYZ；

视觉测量系统采集获得O点的位姿信息

其中：x_o表示O点相对O_a-X_aY_aZ_a的x轴位置坐标，y_o表示O点相对O_a-X_aY_aZ_a的y轴位置坐标，z_o表示O点相对O_a-X_aY_aZ_a的z轴位置坐标，

表示O-XYZ与O_a-X_aY_aZ_a在x轴分量上的夹角，θ_o表示O-XYZ与O_a-X_aY_aZ_a在分量上y轴的夹角，ψ_o表示O-XYZ与O_a-X_aY_aZ_a在z轴分量上的夹角；

根据O点与A点的距离||OA||＝a，获得A点的位姿信息；

根据O点与B点的距离||OB||＝b，获得B点的位姿信息。

10.根据权利要求9所述的飞行器舱段对接隐藏特征转换测量方法，其特征在于，S4所述获取靶标与定位销或定位孔的位置关系的具体方法包括：

视觉测量系统获得的靶标O_b在视觉测量系统坐标系O_a-X_aY_aZ_a的位姿信息；

再根据A点的位姿信息，获得O_b和A的位置关系；根据B点的位姿信息，获得O_b和B的位置关系。

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