[发明专利]一种基于点集测量的刚体位置与姿态测量不确定度评估方法

说明书

本发明涉及一种基于点集测量的刚体位置与姿态测量不确定度评估方法。该方法利用激光跟踪仪等数字化测量系统测量刚体表面关键点集，与三维模型中点集理论数据对比，可解算刚体位置与姿态。对测量不确定度源进行分析，采用主成分分析法对点集测量数据中的定位不确定度和测量不确定度进行分离，进而给出数字化测量系统的不确定度评价。设计计算刚体位置与姿态不确定度的方法，并在三维空间中表现为具有几何边界的实体几何特征在某个范围内随机存在，该范围存在一个最大边界和最小边界，构成了位置与姿态所描述的刚体的几何特征的最小包络范围，为刚体装配方案的调整提供决策依据。

技术领域

本发明利用激光跟踪仪测量刚体表面关键点集，解算刚体位置与姿态。对测量不确定度源进行分析，采用主成分分析法对点集测量数据中的定位不确定度和测量不确定度进行分离。设计刚体位置与姿态测量不确定度计算方法，为刚体装配方案的调整提供决策依据。属于针对大尺寸部件的测量辅助装配领域。

背景技术

在航空、航天、船舶领域，其产品通常尺寸大，精度要求高，工艺复杂。大部件装配作为生产过程中的关键步骤，其首要任务是确定被装配部件之间的相对位置与姿态，需要大尺度空间测量技术的支持。目前常用的测量仪器有激光跟踪仪、iGPS、视觉测量、三坐标测量机、激光雷达等，其测量实质是获取目标点在参考坐标系下的三维坐标，再根据相应关系进行位置与姿态拟合。

不确定度是一个与测量结果相关联的、表征被测量之合理赋值的分散程度的参量。任何测量结果均存在一定的不确定性，表现为采用相同手段进行多次重复测量的测量结果各不相同，测量结果只有在与相应的测量不确定度同时出现时，才具有可信性和完整性。由于测量不确定度的存在，使得单次测量结果无法完全准确地反映被测量对象的实际状态，即存在测量误差；与零件的制造误差、部件的装配误差一样，测量误差同样对装配协调性产生影响。因此，需要对测量不确定度进行研究，为装配测量精度分析提供支持。

发明内容

本发明为解决刚体位置与姿态的测量不确定度评价问题，首先对测量不确定度源进行分析，采用主成分分析法对点集测量数据中的定位不确定度和测量不确定度进行分离，进而给出数字化测量系统的不确定度评价。设计计算刚体位置与姿态不确定度的方法，为刚体装配测量方案的调整提供决策依据。

为了确保位置与姿态拟合结果的有效性，根据国际标准提出位置与姿态不确定度的概念，并给出位置与姿态不确定度评估算法。根据国际标准化组织等发布的《测量不确定度表示指南》(GUM)中表述的方法，刚体位置与姿态是一个六维矢量，其不确定度评定基于多维参数不确定度计算方法给出。多维测量结果的不确定度是一个协方差矩阵，矩阵的对角线上的元素是各个测量分量自身的不确定度，对角线外的元素是各分量的互不确定度；对于多维测量结果不确定度的比较，可采用常用的矩阵大小比较方法，包括矩阵的行列式比较、矩阵绝对值的最大或最小特征根比较、矩阵的迹比较等。

在数字化装配环境中，多种因素与过程误差均会造成刚体关键测量特性位置与姿态的测量误差，对于多次重复测量而言，关键测量特性的位置与姿态测量结果以其理论值为中心，在一定范围内波动。

为了实现位置与姿态不确定度的测量与分析，分别从刚体位置与姿态不确定度的几何含义和数学含义进行阐述。

在几何形式上，位置与姿态反映了装配基准局部坐标系原点在空间全局坐标系中的位置，以及局部坐标系各轴绕全局坐标系各轴的旋转角度，位置与姿态的不确定性则表现为局部坐标系原点在空间全局坐标系中位置的不确定性，以及局部坐标系各轴指向的不确定性，而且这二者之间并不是完全独立的。研究位置与姿态不确定性的时候，抛开位置与姿态所依附的对象而只考虑局部坐标系的特性是没有意义的；位置与姿态所描述的对象是具有几何边界的实体，在三维空间中，其位置与姿态不确定度最终表现为该实体的几何特征在某个范围内随机存在，如图1中长方体边框所示，该范围存在一个最大边界和最小边界，构成了位置与姿态所描述的实体的几何特征的最小包络范围。