网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法
【专利摘要】本发明是一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，提供一种使用二维标定杆以线性和非线性结合的方法实现系统全局标定，具体步骤为：(1)建立发射机模型；(2)布置发射机网络，并设置转速；(3)放置光电传感器，并建立发射机坐标系；(4)划分标定单元，并采集标定点数据；(5)建立发射机透视投影模型，并进行点集坐标变换；(6)计算旋转矩阵和单位平移矢量；(7)确定比例因子，计算平移矩阵；(8)进行全局优化，得到最终旋转矩阵和平移矩阵。本发明操作过程简单可行，提高了系统测量精度和工作效率，并降低了系统成本。
【专利说明】
网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法
技术领域
[0001] 本发明设及大尺寸空间测量方法设备技术领域，具体地，设及一种网络化大尺寸 空间定位系统的现场标定方法。
【背景技术】
[0002] 随着航空、航天、船舶W及汽车等大型产品部件装配及大部件对接装配对精度定 位、位置实时测控的要求日益提高，大尺寸空间数字化测量系统及其应用技术受到工业界 和学术界的广泛关注。目前在国际上应用比较成熟的大尺寸测量技术主要包括激光跟踪仪 测量系统、大视场视觉测量系统W及经缔仪测量系统等。
[0003] 网络化大尺寸空间定位系统是近几年发展起来的新型大尺寸测量技术，其主要由 多个测量基站构成，可同时监测大型被测物的各个部件，实时性高，并行性好，通过增加基 站的方式协调了测量精度与大空间的矛盾，应用前景广泛。在进行测量之前，需要对该系统 进行标定，而现有的标定方法通常使用其它辅助测量设备，操作过程较繁琐，而且会增加成 本，不利于现场应用。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种网络化大尺寸空间定位系统的 现场标定方法。
[0005] 根据本发明的一个方面，提供一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法， 其特征是，包括如下步骤：
[0006] (1)在匀速旋转平台上安装两个线性激光器形成发射机，所述线性激光器发出两 道具有固定角度的扇形激光平面和LED脉冲信号，所述LED脉冲信号作为所述扇形激光平面 旋转的初始时刻；
[0007] (2)在测量空间布置若干个如步骤(1)中的所述发射机形成发射机网络，给第一台 发射机分别设置一个起始转速，其它发射机增加一个转速增量，并对每台发射机进行编号； [000引（3)在所述发射机网络前方放置一个光电传感器，建立各发射机坐标系，所述坐标 系W激光平面在旋转轴上的交点为坐标系原点，沿发射机旋转轴向下为Y轴正向，W第一 个激光平面扫过所述光电传感器时与水平面的交线为Z轴正向，通过右手定则确定X轴方 向；
[0009] (4)将所述发射机网络的每两台发射机作为一个标定单元，并W-号发射机坐标 系作为世界坐标系，用固定长度的标定杆采集标定点数据；
[0010] (5)建立发射机透视投影模型，计算标定点在投影平面上的投影点坐标，并进行点 集坐标变换，模型如下：
[0011] Mn =SnTsn 和 Mn = SnTsn
[0012] 其中，Pn:第n台发射机进行坐标变换之前发射机投影平面上的投影点坐标；
[0013] Pn' ：第n台发射机进行坐标变换之后发射机投影平面上的投影点坐标；
[0014] Mn:第n台发射机的点集坐标变换矩阵；
[001引Sn:第n台发射机的坐标缩放变换矩阵
[0016] do是点集中各点到图像原点的平均距离；
[0017] Tsn:第n台发射机的坐标平移变换矩阵：
（Tx Ty)T是点集质屯、坐 标；
[0018] (6)计算第(5)得到的点集质屯、矩阵，并分解该矩阵，利用物理筛选和Sampson距离 最小约束剔除伪解，得到旋转矩阵和单位平移矢量；
[0019] (7)根据第(6)步筛选得到的正确的旋转矩阵和单位平移矢量，并W标定杆长度为 约束，确定平移矢量的比例因子，得到平移矩阵；
[0020] (8) W第(4)~（7)步依次计算每台发射机与一号发射机的旋转矩阵和平移矩阵， 并用该旋转矩阵和平移矩阵作为初值，W非线性优化的方法得到最终的旋转矩阵和平移矩 阵，优化模型如下：
[0021]
[0022] 其中，N:标定杆采集数据次数；
[0023] Li:标定杆长度计算值；
[0024] ^标定杆长度真实值；
[0025] 优选地，所述第(2)步中的起始转速为2000r/min，转速增量为l(K)r/min。
[0026] 优选地，所述匀速旋转平台通过交流伺服电机驱动。
[0027] 优选地，其特征在于，所述匀速旋转平台W逆时针方向转动。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0029] 线性与非线性相结合的方法来实现系统的全局标定，保证了求解参数为全局最 优，且求解速度快，保证了系统参数标定精度；
[0030] 操作简单，提高了工作效率。
【附图说明】
[0031] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0032] 图1为发射机的立体结构示意图；
[0033] 图2为发射机的俯视示意图；
[0034] 图3为发射机网络坐标系示意图；
[0035] 图4为发射机透视投影模型示意图。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。W下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不W任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变形和改进。运些都属于本发明 的保护范围。
[0037] 参见附图1至4,网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，包括W下步骤：
[0038] (1)在旋转平台内部安装两个红色线性激光器，并在交流伺服电机的驱动下绕旋 转轴逆时针匀速旋转，工作时向空间内发出两道具有固定角度的扇形激光平面和Lm)脉冲 信号，LED脉冲信号作为激光平面旋转的初始时刻；
[0039] (2) W四台发射机为例，根据测量空间布置发射机网络，给各台发射机分别设置一 个转速，分别是2000以111111、210化/111111、220化/111111、230化/111111，并对发射机进行编号分别是 一号发射机1、二号发射机2、=号发射机3、四号发射机4;
[0040] (3)在发射机网络前方放置一个光电传感器，建立各发射机坐标系，具体方法是W 激光平面在旋转轴上的交点为坐标系原点，沿发射机旋转轴向下为Y轴正向，W激光平面1 扫过光电传感器时与水平面的交线为Z轴正向，通过右手定则确定X轴方向；
[0041] (4) W-号发射机坐标系作为世界坐标系，每两台发射机作为一个标定单元，分别 是:一号发射机和二号发射机为标定单元i，一号发射机和=号发射机为标定单元ii，一号 发射机和四号发射机为标定单元i i i，用固定长度的标定杆采集标定点数据；
[0042] (5) W标定单元i为例，建立发射机透视投影模型，计算标定点在投影平面上的投 影点坐标，并通过平移变换和缩放变换进行投影点集坐标变换，W-号发射机为例，模型如 下：
[0043] Pi'=化Pi 和化=SiTsi
[0044] 其中，Pi:进行坐标变换之前发射机投影平面上的投影点坐标；
[0045] Pi' ：进行坐标变换之后发射机投影平面上的投影点坐标；
[0046] Mi:发射机的点集坐标变换矩阵；
[0047] Si:发射机的坐标缩放变换矩阵
[0048] do是点集中各点到图像原点的平均距离；
[0049] Tsi:发射机的坐标平移变换矩[ (Tx Ty)T是 9
[(K)加]点集质屯、坐标；
[0051 ]因此，对于第n台发射机：
[0化2] Mn =SnTsn 和 Mn = SnTsn
[0053] (6)计算本质矩阵，并分解本质矩阵，利用物理筛选和Sampson距离最小约束剔除 伪解，得到正确的旋转矩阵和单位平移矢量，具体步骤如下：
[0054] I.根据第5步中得到的经过点集坐标变换的投影点坐标，计算系数矩阵；
[0055] II.利用奇异值分解分解系数矩阵，得到经过点集坐标变换后的本质矩阵，并通过 点集坐标逆变换之前的本质矩阵；
[0056] III.利用奇异值分解分解II中得到的坐标变换前的本质矩阵，得到旋转矩阵和单 位平移矢量；
[0化7] IV.通过物理筛选和Sampson距离最小约束剔除III中的伪解，得到正确的旋转矩 阵和单位平移矢量，模型如下：
[0化引物理筛选:保证标定点在两台发射机的前方，即幻>0且Z2>0;
[0059] Sampson距离最小约束:保证在透视投影模型中，投影点到极线。和1^2的距离最小；
[0060] (7)根据第6步筛选得到的正确的旋转矩阵和单位平移矢量，并W标定杆长度为约 束，确定平移矢量的比例因子，得到平移矩阵；
[0061] (8) W第4~7步依次计算每个标定单元的旋转矩阵和平移矩阵，并用该旋转矩阵 和平移矩阵作为初值，W非线性优化的方法得到最终的旋转矩阵和平移矩阵，优化模型如 下：
[0062；
[0063] 其中，N:标定杆采集数据次数；
[0064] 标定杆长度计算值；
[0(?日]^标定杆长度真实值。
[0066] W上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可W在权利要求的范围内做出各种变形或修改，运并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 在匀速旋转平台上安装两个线性激光器形成发射机，所述线性激光器发出两道具 有固定角度的扇形激光平面和LED脉冲信号，所述LED脉冲信号作为所述扇形激光平面旋转 的初始时刻； (2) 在测量空间布置若干个如步骤（1)中的所述发射机形成发射机网络，给第一台发射 机分别设置一个起始转速，其它发射机增加一个转速增量，并对每台发射机进行编号； (3) 在所述发射机网络前方放置一个光电传感器，建立各发射机坐标系，所述坐标系以 激光平面在旋转轴上的交点为坐标系原点，沿发射机旋转轴向下为Y轴正向，以第一个激光 平面扫过所述光电传感器时与水平面的交线为Z轴正向，通过右手定则确定X轴方向； (4) 将所述发射机网络的每两台发射机作为一个标定单元，并以一号发射机坐标系作 为世界坐标系，用固定长度的标定杆采集标定点数据； (5) 建立发射机透视投影模型，计算标定点在投影平面上的投影点坐标，并进行点集坐 标变换，模型如下： Mn = SnTsn 和 Mn=SnTsn 其中，Pn :第η台发射机进行坐标变换之前发射机投影平面上的投影点坐标； Ρ、:第η台发射机进行坐标变换之后发射机投影平面上的投影点坐标； Μη:第η台发射机的点集坐标变换矩阵： Sn:第η台发射机的坐标缩放变换矩阵- -j - 9 do是点集中各点到图像原点的平均距离； TSnjn台发射机的坐标平移变换矩阵（Tx Ty)T是点集质心坐标； (6) 计算第(5)得到的点集质心矩阵，并分解该矩阵，利用物理筛选和Sampson距离最小 约束剔除伪解，得到旋转矩阵和单位平移矢量； (7) 根据第(6)步筛选得到的正确的旋转矩阵和单位平移矢量，并以标定杆长度为约 束，确定平移矢量的比例因子，得到平移矩阵； (8) 以第(4)~（7)步依次计算每台发射机与一号发射机的旋转矩阵和平移矩阵，并用 该旋转矩阵和平移矩阵作为初值，以非线性优化的方法得到最终的旋转矩阵和平移矩阵， 优化模型如下：其中，N:标定杆采集数据次数； U:标定杆长度计算值； L:标定杆长度真实值。2. 根据权利要求1所述的网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所 述第(2)步中的起始转速为2000r/min，转速增量为100r/min。3. 根据权利要求1所述的网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其特征在于，所 述匀速旋转平台通过交流伺服电机驱动。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的网络化大尺寸空间定位系统的现场标定方法，其 特征在于，所述匀速旋转平台以逆时针方向转动。
【文档编号】G01C15/00GK105953755SQ201610049354
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】方红根, 郭立杰
【申请人】上海航天设备制造总厂