[发明专利]一种基于测量精度的曲面扫描轨迹生成与优化方法

说明书

一种基于测量精度的曲面扫描轨迹生成与优化方法，其特征是首先，建立轨迹优化问题的数学模型，所述的轨迹优化问题数学模型是以激光扫描仪测量误差中系统误差为评估函数，该评估函数在给定机器人末端位姿参数下，能够计算出对应系统误差的数值，并将测量设备约束转化为惩罚函数。在轨迹优化的过程中，分别计算评估函数和惩罚函数，获得满足测量设备约束且测量系统误差最小的扫描轨迹；其次，生成机器人系统曲面扫描初始轨迹，所述的曲面扫描初始轨迹以一系列机器人末端位姿参数表示；第三，根据轨迹优化问题数学模型求解最优扫描轨迹。

技术领域

本发明涉及一种测量技术，尤其是一种曲面扫描的轨迹生成与优化技术，具体地说是一种基于测量精度的曲面扫描轨迹生成与优化方法。

背景技术

在飞机装配过程中，为了保证装配的质量，需要对飞机构件的外形进行高精度的测量。飞机制造中常用的测量设备有激光雷达、激光扫描仪和摄影测量等，其中激光扫描仪与激光跟踪仪组成的测量系统可以快速获取待测物体外形数据，测量效率高，测量范围大，能够以多种姿态实现测量。在飞机外形数据测量中，常将激光跟踪仪安装在机器人或者机床末端，组成自动化扫描系统。其中扫描轨迹的生成与优化是扫描系统顺利完成飞机外形数据自动化测量的核心流程。

扫描轨迹的生成与优化需要综合考虑测量设备约束，测量效率和测量精度。目前常见的扫描轨迹的生成与优化，只考虑测量设备约束和测量效率，没有考虑到扫描轨迹对测量精度的影响。激光扫描仪的测量精度通常比触发式探头的测量精度低一个数量等级，提高扫描系统的测量精度可以有效提高测量结果可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的机器人扫描系统的扫描轨迹的生成与优化只考虑测量设备约束和测量效率，没有考虑到扫描轨迹对测量精度的影响而导致测量精度不高的问题，根据激光扫描仪的测量误差变化规律，发明一种基于测量精度的曲面扫描轨迹生成与优化方法。

本发明的技术方案是：

一种基于测量精度的曲面扫描轨迹生成与优化方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，建立轨迹优化问题的数学模型；该轨迹优化问题数学模型是以激光扫描仪测量误差中系统误差为评估函数，该评估函数在给定机器人末端位姿参数下，能够计算出对应系统误差的数值，并将测量设备约束量化为惩罚函数；在轨迹优化的过程中，分别计算评估函数和惩罚函数，获得满足测量设备约束且测量系统误差最小的扫描轨迹；

其次，生成机器人系统曲面扫描初始轨迹；

最后，根据轨迹优化问题数学模型求解最优扫描轨迹。最优扫描轨迹的求解为标准的约束最优化问题，可以采用粒子群算法进行求解。

所述的测量误差是指测量数据中的系统误差，测量数据中包含系统误差和随机误差，系统误差占主要地位，相对于扫描姿态呈现规律分布，通过实验建立系统误差预测模型。

所述的轨迹优化问题数学模型建立方法为：

通过对激光扫描仪系统误差建立评估函数：

E＝k₁(d₀-d)·(ψ-ψ₀)+E₀+k₂|φ|

其中E为评估值，[d ψ φ]表示激光扫描仪位姿参数扫描深度、面外角和面内角，取决于给定的机器人末端位姿参数[x y z α β γ]，d₀、ψ₀为模型常数，E₀为误差常数，k₁、k₂为函数系数；

将激光扫描仪测量约束量化为惩罚函数，激光扫描仪测量约束包括接收镜约束、有效扫描宽度约束、面外角约束和面内角约束，惩罚函数为：