[发明专利]基于大型虚拟计量器的测量数据配准精度评价方法

权利要求书

1.一种基于大型虚拟计量器的测量数据配准精度评价方法，其特征是，该方法首先在空间内布置多个非共面的光学回射镜作为被测目标点，并以此作为大型虚拟计量器的角点；其次，通过激光追踪仪的多边测量对计量器角点进行精密标定，获取各个角点的空间坐标，从而构建大型虚拟计量器；然后，使用激光跟踪仪在多个站位下测量大型虚拟计量器的角点和公共点坐标，并将各站位的测量数据配准到全局坐标系；最后，以配准后的自测角偏差、点距偏差和相关角偏差为精度指标，对数据配准精度进行综合评价；该方法的具体步骤如下：

第一步，大型虚拟计量器的构建

在大尺寸空间内，布置4个非共面的激光追踪仪测量站位，采用多边测量法标定4个激光追踪仪的站位原点坐标分别为：

M₁＝(0,0,0),M₂＝(X₂,0,0),M₃＝(X₃,Y₃,0),M₄＝(X₄,Y₄,Z₄)，从而建立计量器坐标系O_MXYZ；然后，再布置n，n≥3个非共面的120°光学回射镜作为被测目标点；依次测量第i个被测目标点P_i与第j个激光追踪仪站位原点M_j的距离d_ij，其中i＝1,2,…,n，j＝1,2,3,4；设第i个被测目标点P_i坐标为(x_i,y_i,z_i)，得到非线性非齐次方程组公式：

求解该方程组可得到目标点P_i在计量器坐标系O_MXYZ中的坐标值，同理可完成所有n个被测目标点空间坐标的精密标定；以n个被测目标点为大型虚拟计量器的角点，任意连接两个角点可构造一个一维虚拟标准杆，任意连接3个角点可构造一个二维虚拟标准平面，任意连接4个不共面的角点可构造一个三维虚拟标准器；

第二步，激光跟踪仪多站位测量与全局数据配准

移走激光追踪仪，在上述大尺寸空间内合理布置N,N≥3个激光跟踪仪靶球作为公共点；使用激光跟踪仪测量临近的部分虚拟计量器角点和所有公共点的三维坐标，建立全局坐标系O_GXYZ；然后改变激光跟踪仪的测量站位，在第k个站位下测量至少3个公共点和其余所有虚拟计量器角点的三维坐标，并构建基于公共点配准误差最小的最小二乘模型：

式中，it＝1,2,…,N，k＝1,2,…,M，M代表激光跟踪仪局部站位数量，代表激光跟踪仪在第k个站位下测得的第it个公共点的坐标，代表在全局坐标系O_GXYZ中对应公共点的坐标，R_k是一个3×3的正交矩阵，T_k是一个3×1的列向量；求解所有M个站位的R_k与T_k，从而将各个局部站位的测量数据配准到全局坐标系；使用基于奇异值分解的转站方法求解站位2坐标系与全局坐标系O_GXYZ旋转矩阵R和平移矩阵T；

第三步，测量数据配准精度评价

基于大型虚拟计量器，对全局坐标系中测量数据的配准精度开展评价；针对大型构件不同测量特征的特点，评价指标包含以下三类：

1)自测角偏差，该指标适用于某一站位的测量数据在全局坐标系中的偏差一致性的评价；设大型虚拟计量器上某角点P₂、P₃和P₄在第k个局部测量坐标系中的坐标分别为配准到全局坐标系中的坐标为：

自测角偏差指标表示为：

式中，单位：秒/度；

2)点距偏差，该指标适用于对长度测量误差的评价；设大型虚拟计量器上的角点P₁在全局坐标系下的测得值为P₁'，角点P₂经局部站位测量并配准到全局坐标系后为P₂'，则点距偏差指标表示为：

式中，L＝|P₁-P₂|，L'＝|P₁'-P₂'|，单位：微米/米；

3)相关角偏差，该指标适用于对构件空间位姿误差的评价；设大型虚拟计量器上的角点P₁在全局坐标系下测得值为P₁'，角点P₂、P₃经局部站位测量并配准到全局坐标系后分别为P₂'、P₃'，则相关角偏差表示为：

式中，单位：秒/度；

依据大型构件制造工艺的具体测量精度要求，若上述评价方法的精度指标满足要求，则结束精度评价；否则，更改转站方法，将测量数据重新配准后，再次进行评价。