[发明专利]一种复杂位置金属平面的空间三维信息获取方法

摘要

本发明一种复杂位置金属平面的空间三维信息获取方法属于检测技术领域，涉及一种电涡流位移传感器阵列测量架以及实时快速的获取复杂位置金属平面的空间三维信息方法。该方法采用电涡流位移传感器阵列测量架，结合激光跟踪仪和电涡流位移传感器的方式实现金属平面的三维空间信息获取。测量前使用激光跟踪仪对测量架所处位置进行标定，建立激光跟踪仪坐标系与测量架坐标系的空间转换关系。测量进行时，实时采集测量信号，使用基于最小二乘法的金属平面拟合方法对测量信号进行处理，最终拟合出被测金属平面，获取复杂位置金属平面的空间三维信息。测量架的设计可根据实际测量情况修改，适用性强，实现快速三维信息获取，获取效率高。

主权项

1.一种复杂位置金属平面的空间三维信息获取方法，其特征是，该方法采用电涡流位移传感器阵列测量架，将电涡流位移传感器探头阵列固定于测量架上，结合激光跟踪仪和电涡流位移传感器的方式实现金属平面的三维空间信息获取；测量前使用激光跟踪仪对测量架所处位置进行标定，标定后测量架固定不动，与此同时建立激光跟踪仪坐标系与测量架坐标系的空间转换关系；测量进行时，实时采集测量信号，使用基于最小二乘法的金属平面拟合方法对测量信号进行处理，最终拟合出被测金属平面，获取复杂位置金属平面的空间三维信息；该方法的具体步骤如下：第一步、测量架位置标定及坐标转换利用激光跟踪仪进行测量架位置标定，在激光跟踪仪上建立世界坐标系即XYZ坐标系；设计的测量架除了有电涡流位移传感器探头阵列的安装孔(M₁、M₂、M₃、M₄)外，还设计有安装靶球的点(A、B、C、D)，用于放置激光跟踪仪的靶球；标定测量架位置时，将激光跟踪仪的多个靶球依次放置在测量架的靶球点位置，依次测量靶球点在激光跟踪仪坐标系即XYZ坐标系下的三维坐标(x,y,z)；完成测量架的位置标定过程；由于测量架上的靶球点间的空间相对位置关系已知，则利用靶球点中的任意三点建立测量架坐标系即UVW坐标系；由此可知测量架上四个靶球点在测量架坐标系即UVW坐标系下的空间三维坐标(u,v,w)；通过已知靶球点分别在XYZ坐标系下和UVW坐标系下的空间三维坐标，利用欧式空间变换原理，获取XYZ坐标系与UVW坐标系的转换关系，即获取旋转矩阵R和平移矩阵T；欧式空间变换的具体公式如下：其中：i为任意靶球点，设n为靶球点总数，要求n≥3，取i＝1,2,…n，(u_i,v_i,w_i)为任意靶球点在测量架坐标系下的空间三维坐标，(x_i,y_i,z_i)为任意靶球点在激光跟踪仪坐标系下的空间三维坐标；根据公式(1)，通过将n个方程联立求解R和T；第二步、被测金属平面与电涡流位移传感器探头阵列对应点的空间三维信息获取测量时，标定后的测量架位置固定不动，将电涡流位移传感器探头阵列分别安装到4个对应的探头安装孔(M₁、M₂、M₃、M₄)中，利用激光跟踪仪对被测金属平面上与电涡流位移传感器探头阵列相对应点(M₁'、M₂'、M₃'、M₄')进行三维空间信息获取；实时采集电涡流位移传感器探头阵列的位移测量值ΔX；在测量架坐标系即UVW坐标系下，根据实时采集的电涡流位移传感器探头的位移测量值ΔX和对应点与测量架上靶球点之间的空间相对位置关系，求取UVW坐标系下，被测金属平面上与四个电涡流位移传感器探头对应的点的空间三维坐标；第三步、UVW坐标系下的基于最小二乘法的被测金属平面拟合对被测金属平面利用最小二乘法进行拟合获取拟合金属平面方程；最小二乘法金属平面方程拟合具体公式如下：z＝a₀x+a₁y+a₂              (3)其中：公式(2)为根据最小二乘法求取拟合金属平面方程系数的矩阵；其中m为拟合金属平面所用的点数，要求m≥3；测点k，取k＝1,2,……m；(u_k,v_k,w_k)为被测金属平面上与电涡流位移传感器探头阵列中第k个探头的对应点M'在UVW坐标系下的三维坐标；a₀，a₁，a₂为拟合金属平面方程的系数；公式(3)即为要求取的拟合金属平面方程；第四步、UVW坐标系下的拟合金属平面空间三维信息获取由已经获取被测金属平面的拟合金属平面，则根据拟合金属平面上的空间相对位置关系，获取拟合金属平面上任意一点的空间三维信息；第五步、XYZ坐标系下的拟合金属平面的空间三维信息获取已知测量架坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T，将获取的拟合金属平面的空间三维信息带入空间坐标转换关系公式(1)中，即可获取在世界坐标系即XYZ坐标系下的金属平面空间三维信息。