[发明专利]一种基于刚性约束的激光跟踪仪测量精度提升方法

说明书

本发明属于大尺寸/数字化测量领域，涉及一种基于刚性约束的激光跟踪仪测量精度提升方法。该方法首先基于稳定性原则设置若干公共点及测试点，利用激光跟踪仪多站采集公共点与测试点的三维坐标。然后通过坐标系粗转换获取转换后公共点坐标。根据公共点粗转换前后相对于质心距离偏差大小设置权重；最后，以匹配残差加权平方和最小作为最优性条件进行坐标系转换，实现了激光跟踪仪不同站位之间的测量坐标系转换参数的高精求解。该方法充分考虑了公共点测量误差对坐标系转换精度的影响，通过公共点转换前后相对于质心距离偏差大小设置权重，有效减小测量误差的影响，提高了坐标系转换精度。

技术领域

本发明属于大尺寸/数字化测量领域，涉及一种基于刚性约束的激光跟踪仪测量精度提升方法。

背景技术

大型航空航天装备核心构件结构越来越复杂、尺寸越来越大、精度要求越来越高，对制造过程中的测量范围、精度、鲁棒性提出了更高的要求。激光跟踪仪是目前航空航天装配测量领域应用最广泛的大尺寸测量仪器之一，但由于装配对象尺寸大、形状复杂及现场遮挡等情况，单站位测量难以完成测量任务，必须采用激光跟踪仪多站位协同测量的方式实现大型构件的完整测量。大型构件测量过程中，通常建立全局坐标系为统一装配基准，在地面上选取部分基准点，完成激光跟踪仪不同站位下的测量数据的基准统一，然后通过坐标转换计算当前工件在全局坐标系下的位姿。在实际装配过程中，公共基准点一般布置在地面、工装或构件上，激光跟踪仪在不同距离、角度、环境等条件下所获取的公共基准点测量误差具有典型的非均匀性和各向异性，整体测量精度难以保障。传统方法多以理论分析系统测量不确定度，通过建立理论测量不确定度权重，以提高整体测量精度，但纯理论分析难以适用于现场测量。因此，为了提高激光跟踪仪多站位测量精度的提升，必须对大尺寸测量坐标系转换方法加以研究。

目前，解算坐标系转换矩阵的方法主要有四元数法、最小二乘法、奇异值分解法和Rodrigues矩阵法。2011年9月，北京航空航天大学陈五一等在《计算机集成制造系统》的第17卷第9期的“基于奇异值分解的刚体位姿误差检测方法”上，采用了奇异值分解法来确定动平台的实际位姿，以位姿变换后测量点的位置误差平方和为目标函数，通过目标函数值实现实测数据中坏点的剔除，保证了结果的正确性。该方法为坐标系转换精度的提高提供了良好的思路借鉴。但是由于用于配准的公共点数量有限，剔除过多不稳定的公共点会造成配准精度的损失，不利于装配精度的提高。

2020年12月，清华大学的吴丹等在《Measurement》上发表“Construction andUncertainty Evaluation of Large-scale Measurement Systemof Laser Trackers inAircraft Assembly”，该文提出了一种多站光束调整方法。将所有测量站和增强参考点通过光束调整构建成整体测量坐标系，然后利用稳定的参考增强点将整体测量坐标系配准到装配坐标系上。这种方法通过光束调整将所有激光跟踪仪和参考增强点点统一到整体测量坐标系，大大增加了可用于配准的公共点数量。这样剔除一些稳定性差的增强参考点不会造成配准精度的损失。但该方法未设置基准尺等参考值，忽略了光束调整可能带来的系统误差。

发明内容

本发明克服现有技术不足，针对激光跟踪仪多站转换时转换误差大、鲁棒性差等问题，发明了一种基于刚性约束的激光跟踪仪测量精度提升方法。该方法首先基于稳定性、包络性原则布置一定数量的公共点和测试点，激光跟踪仪在两个站位分别采集上述关键点空间坐标；然后，采用奇异值分解法等权求解多坐标系间的转换参数R⁰、T⁰；利用上述转换参数获取全局坐标系下各公共点坐标；计算转换前后公共点与质心距离的刚性距离偏差，根据刚性距离不变性约束设置权重；最后，以匹配残差加权平方和最小作为解的最优性条件进行坐标系转换，实现了激光跟踪仪不同站位之间转换参数的优化求解。试验证明，该方法可有效提高激光跟踪仪多站位协同测量的转换精度，避免了多源误差传递建模的复杂求解过程，具有鲁棒性高、精度高等特点。