基于大型虚拟计量器的测量数据配准精度评价方法技术

本发明专利技术基于大型虚拟计量器的测量数据配准精度评价方法，属于大尺寸测量领域，涉及一种基于大型虚拟计量器的测量数据配准精度评价方法。该方法首先使用激光追踪仪和多边测量法构建大型虚拟计量器；然后使用激光跟踪仪进行多站位测量，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。该方法克服了使用实体多维计量器进行精度评价导致的成本高、维护难、柔性差的问题，针对大型构件的数字化测量，实现了快速、低成本、多模式的数据配准精度评价，在大尺寸测量领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于大型虚拟计量器的测量数据配准精度评价方法
本专利技术属于大尺寸测量领域，涉及一种基于大型虚拟计量器的测量数据配准精度评价方法。
技术介绍
在大型飞机、航天器、船舶等重大装备的制造过程中，基于激光跟踪仪多站位测量的数字化测量技术能够实现大型构件的大尺度几何特征的采集，并为大型构件的定位、加工和装配提供统一的全局基准。局部测量数据在全局坐标系中的配准精度是大型构件质量评估和合格性评价的前提，对其开展准确、有效的评价是重大装备高质制造和闭环质量控制的必然要求。目前，针对测量数据精度的评价一般基于造价高昂、尺寸较小、维护困难的标准计量器(如标准杆、三维计量器等)。然而，由于全局坐标系中的测量数据分布范围广，传统基于小型实体计量器的精度评价方法无法满足大尺寸空间内测量数据配准精度的评价需求。因此，基于大型虚拟计量器测量数据配准精度的评价方法已成为大尺寸测量精度评估的关键方法之一。激光追踪仪综合集成了激光跟踪与激光干涉测距技术，可仅通过相对距离的测量来获得空间位置信息，长度测量不确定度k＝2达0.2μm+0.3μm/m，足以满足标准计量器的标定需求，是一种构建大型虚拟计量器、实现大尺寸空间内数据配准精度评价的有效手段。针对大尺寸空间内测量精度的修正，专利《利用空间多长度约束增强坐标测量场精度的方法》，专利号CN201410549597.5，公开了一种通过在现场构建多个刚性长度基准、并以此为约束来优化全局测量点三维坐标的方法；但该方法使用了实体刚性杆，基准长度受限，且刚性杆的标定设备与测量设备相同，因此难以验证测量精度的可靠性。针对激光追踪仪在精度评价方面的应用，专利《一种基于激光追踪仪多站位测量的四轴机床标定方法》，专利号CN201610889315.5，公开了一种利用四基站激光追踪仪测量机床转动轴转角误差的方法，但该方法仅能在激光追踪仪坐标系中完成精度检验，且范围较小，无法在大尺寸范围内评价来自不同坐标系的测量数据。
技术实现思路
本专利技术针对大尺寸测量范围内测量数据配准精度难以评价的问题，专利技术了一种基于大型虚拟计量器的测量数据配准精度评价方法。该方法使用高精度的激光追踪仪构造大型虚拟计量器，实现对大尺寸空间内测量数据配准精度的综合评价。该方法首先使用激光追踪仪和多边测量法对空间中的多个被测目标点进行精密标定，从而构建大型虚拟计量器；然后使用激光跟踪仪进行多站位测量，并将各站位的测量数据配准到全局坐标系；最后以虚拟计量器的几何特征为参考基准对数据配准精度进行评价。该方法克服了使用实体多维计量器进行精度评价导致的成本高、维护难、柔性差的问题，可实现快速、低成本、多模式的数据配准精度评价，具有广泛的应用前景。本专利技术采用的技术方案是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，该方法首先在一定空间内合理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，以较大间距布置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OMXYZ；然后再以较大间距稀疏布置n，n≥3个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Pi与第j个激光追踪仪站位原点Mj的距离dij，其中i＝1,2,…,n，j＝1,2,3,4；设第i个被测目标点Pi坐标为(xi,yi,zi)，得到非线性非齐次方程组公式：求解该方程组得到目标点Pi在计量器坐标系OMXYZ中的坐标值，同理，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计量器；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OGXYZ；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OGXYZ中对应公共点的坐标，Rk是一个3×3的正交矩阵，Tk是一个3×1的列向量；求解所有M个站位的Rk与Tk，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(SVD)的转站方法求解站位2的坐标系与全局坐标系OGXYZ的旋转矩阵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；根据大型构件制造工艺的具体测量精度要求，若基于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。本专利技术的有益效果是：使用高精度的激光追踪仪，通过多边测量法构建了单纯机械加工难以制造的大型虚拟计量器，克服了使用传统实体计量器进行精度评价导致的成本高、维护难、柔性差的问题；针对大型构件不同几何特征的测量需求，本专利技术提出了自测角偏差、点距偏差和相关角偏差三种无量纲的评价指标，可综合评价激光跟踪仪的测量数据在全局的配准精度，实现了快速、低成本、多模式的数据配准精度评价。从而为大型构件制造过程中的定位、加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
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合理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：/n第一步，大型虚拟计量器的构建/n在大尺寸空间内，以较大间距布置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：M

【技术特征摘要】
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合理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，以较大间距布置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OMXYZ；然后，再以较大间距稀疏布置n，n≥3个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Pi与第j个激光追踪仪站位原点Mj的距离dij，其中i＝1,2,…,n，j＝1,2,3,4；设第i个被测目标点Pi坐标为(xi,yi,zi)，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Pi在计量器坐标系OMXYZ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OGXYZ；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，李俊卿，张洋，张家波，逯永康，谭子亮，乐毅，马建伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21