基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统，包括安装有机器人的AGV小车、夹持在机器人机械手臂末端的激光雷达和标准坐标系参考板以及室内GPS系统；所述室内GPS系统建立有全局坐标系Q；所述室内GPS系统监测标准坐标系参考板在室内GPS系统建立全局坐标系Q下的位姿。本发明专利技术的目的是克服现有技术存在的测量效率低、转站频繁导致测量精度低等缺陷，提供一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统及方法。系统的飞机大尺寸测量系统及方法。系统的飞机大尺寸测量系统及方法。

【技术实现步骤摘要】
基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及机器视觉领域，尤其涉及一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统及方法。

技术介绍

[0002]随着我国先进制造技术的发展，数字化测量技术已经广泛地应用在航天、航空、船舶制造等领域。尤其是数字化大尺寸测量系统已经逐渐应用到飞机大尺寸工件的加工和装配过程中，其利用数字化测量系统的高精度测量提升飞机的装配精度。
[0003]数字化大尺寸测量技术目前主要分为接触式测量和非接触式测量，接触式测量主要包括激光跟踪仪和室内GPS测量，非接触式测量主要包括电子经纬仪测量系统、数字近景工业测量系统、激光雷达测量系统。对飞机大构件表面进行测量时，首选的应该是激光雷达这种非接触式测量方式，因为激光雷达能够快速准确的进行大范围的测量，但是激光雷达的缺点在于激光雷达的水平和竖直角度测量范围都有限制，需要频繁的进行转站操作，这样会引入由于转站带来的累计误差。此外目前测量系统一般都需要占据大量的空间，而且不具备机动性。对于飞机制造装配车间而言，可移动的测量系统对于飞机大构件测量是迫切需要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统及方法，该系统和方法以室内GPS系统的全局坐标系作为全局坐标系，将激光雷达在多个站位的测量数据全部转换到全局坐标系中，减少了由于转站而产生的累计误差，同时由于使用AGV小车加机器人的方式携带激光雷达进行扫描，测量灵活，满足飞机制造装配车间对于空间的要求。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案是：一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统，包括安装有机器人的AGV小车、夹持在机器人机械手臂末端的激光雷达和标准坐标系参考板以及室内GPS系统；所述室内GPS系统建立有全局坐标系Q；所述室内GPS系统监测标准坐标系参考板在室内GPS系统建立的全局坐标系Q下的位姿。
[0006]优选地，飞机大尺寸测量系统工作时所述激光雷达和标准坐标系参考板之间的相对位姿保持不变。
[0007]优选地，所述激光雷达可建立一个激光雷达坐标系L。
[0008]优选地，所述标准坐标系参考板上布置有三个球形接收器；三个所述球形接收器的球心可建立一个标准参考坐标系S。
[0009]优选地，三个所述球形接收器的连线呈直角，且直角两端处的球形接收器到直角处球形接收器的距离不同。
[0010]优选地，所述室内GPS系统包括IGPS发射器、分别布置于室内和标准坐标系参考板上的球形接收器及中央处理器；所述IGPS发射器布置在室内空间的多个位置处。
[0011]一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量方法，包括上述基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统；还包括以下步骤：
[0012]步骤一：室内GPS系统标定，室内GPS系统标定各个IGPS发射器之间的关系，建立飞机大尺寸测量系统的全局坐标系Q；
[0013]步骤二：通过激光雷达坐标系L和标准参考坐标系S标定来确定激光雷达坐标系L相对于标准参考坐标系S之间的位姿关系
S
T
L
：
[0014]步骤三：AGV小车携带激光雷达扫描飞机构件进行数据采集，激光雷达在多个站位扫描得到点云数据，随后将点云数据转换到标准参考坐标系S中；
[0015]步骤四：实时识别标准参考坐标系S在全局坐标系Q中的位姿；
[0016]步骤五：将采集到的点云数据全部转换到全局坐标系Q下
[0017]步骤六：通过中央处理器对点云数据进行处理，即可完成对飞机大构件的测量。
[0018]优选地，所述步骤二中
S
T
L
的计算公式为：
[0019]L
T
S
＝
L
T
Q
*
Q
T
S
[0020]S
T
L
＝
L
T
S
‑1[0021]L
T
Q
代表全局坐标系Q相对于激光雷达坐标系L之间的位姿关系,
Q
T
S
代表标准参考坐标系S相对于全局坐标系Q之间的位姿关系。
[0022]优选地，所述
Q
T
S
的求解过程为：设三个球形接收器在全局坐标系Q下的坐标分别为(x
A
,y
A
,z
A
)，(x
B
,y
B
,z
B
)，(x
C
,y
C
,z
C
)。以B点为圆心建立全局坐标系Q，AB为标准参考坐标系S的X轴，于是就有：
[0023][0024][0025][0026][0027][0028]以A、B、C三点建立的标准参考坐标系S相对于全局坐标系Q的位姿关系
Q
T
S
；
[0029][0030]其中p＝(x
B
,y
B
,z
B
)。
[0031]优选地，所述
L
T
Q
的求解过程为：在室内空间合适位置放置20个球形接收器，保证这个球形接收器可以被激光雷达扫描到，同时也可以获得他们在室内全局坐标系Q下的坐标，将测得的组点对使用SVD法求解全局坐标系Q和激光雷达坐标系L之间的位姿关系，求解方
法如下：
[0032]假设有两个点组p
i
和q
i
，其中p
i
代表这20个球形接收器在激光雷达下的点组坐标、q
i
代表这20个球形接收器在全局坐标系下的点组坐标，如果是用SVD分解法来求解这两个点组的矩阵关系，那么前提假设必须是这两个点组质心重合，若分别用来表示点组p
i
和q
i
的质心，于是就有：
[0033][0034][0035]其中p
i
、q
i
、是3行1列的向量，代表某点的x，y，z坐标。
[0036]根据质心重合的假设，我们有：
[0037][0038]然后令：
[0039][0040][0041]最后构件最小二乘函数求解：
[0042][0043]SVD分解算法流程为：
[0044](1)根据p
i
、q
i
计算p
i
'和q
i
'
[0045](2)计算3
×
3矩阵
[0046][0047]其中p
i
'和q
i
'是3行1列的向量；
[0048](3)对H进行SVD分解
[0049]H＝USV<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统，其特征在于：包括安装有机器人的AGV小车(10)、夹持在机器人机械手臂末端的激光雷达(40)和标准坐标系参考板(20)以及室内GPS系统(30)；所述室内GPS系统(30)建立有全局坐标系Q；所述室内GPS系统(30)监测标准坐标系参考板(20)在室内GPS系统(30)建立的全局坐标系Q下的位姿。2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统，其特征在于：飞机大尺寸测量系统工作时所述激光雷达(40)和标准坐标系参考板(20)之间的相对位姿保持不变。3.根据权利要求2所述的一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统，其特征在于：所述激光雷达(40)可建立一个激光雷达坐标系L。4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统，其特征在于：所述标准坐标系参考板(20)上布置有三个球形接收器(21)；三个所述球形接收器(21)的球心可建立一个标准参考坐标系S。5.根据权利要求4所述的一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统，其特征在于：三个所述球形接收器(21)的连线呈直角，且直角两端处的球形接收器(21)到直角处球形接收器(21)的距离不同。6.根据权利要求5所述的一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统，其特征在于：所述室内GPS系统(30)包括IGPS发射器(31)、分别布置于室内和标准坐标系参考板(20)上的球形接收器(21)及中央处理器；所述IGPS发射器(31)布置在室内空间的多个位置处。7.一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量方法，其特征在于：包括权利要求1至权利要求6任一项所述的基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统；还包括以下步骤：步骤一：室内GPS系统(30)标定，室内GPS系统(30)标定各个IGPS发射器(31)之间的关系，建立飞机大尺寸测量系统的全局坐标系Q；步骤二：通过激光雷达坐标系L和标准参考坐标系S标定来确定激光雷达坐标系L相对于标准参考坐标系S之间的位姿关系
S
T
L
：步骤三：AGV小车(10)携带激光雷达(40)扫描飞机构件进行数据采集，激光雷达在多个站位扫描得到点云数据，随后将点云数据转换到标准参考坐标系S中。步骤四：实时识别标准参考坐标系S在全局坐标系Q中的位姿；步骤五：将采集到的点云数据全部转换到全局坐标系Q下步骤六：通过中央处理器对点云数据进行处理，即可完成对飞机大构件的测量。8.根据权利要求7所述的一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量方法，其特征在于：所述步骤二中
S
T
L
的计算公式为：
L
T
S
＝
L
T
Q
*
Q
T
SS
T
L
＝
L
T
S
‑
1L
T
Q
代表全局坐标系Q相对于激光雷达坐标系L之间的位姿关系,
Q
T
S
代表标准参考坐标系S相对于全局坐标系Q之间的位姿关系。9.根据权利要求8所述的一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量方法，其特征在于：所述
Q
T

【专利技术属性】
技术研发人员：张刚，董富，
申请(专利权)人：无锡黎曼机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：