[發明專利]一種基于四面體構型的距離傳感器法矢測量方法

有效

• 申請號: 201610225230.7
• 申請日: 2016-04-12
• 公開（公告）號: CN105783722B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 陳文亮;潘國威;齊振超;王珉;丁力平;屈龍強
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司32218
• 代理人: 瞿網蘭

技術領域

本發明涉及一種法矢測量技術，尤其是一種用于飛機蒙皮制孔的法矢測量方法，具體地說是一種基于四面體構型的距離傳感器法矢測量方法。

背景技術

一架大型飛機上大約有150～200萬個連接孔，飛機結構主要通過在這些孔處的鉚接和螺接來實現機械連接。據統計，飛機機體疲勞失效事故的70％是源于結構連接部位，其中80％的疲勞裂紋產生于連接孔處。波音公司對緊固件連接使用進行分析表明，當緊固件沿外載荷作用方向傾斜大于2°時，疲勞壽命降低約47％；傾斜大于5°時，疲勞壽命降低95％，從而可以看出連接孔質量極大的影響著飛機的壽命。因此，為保證飛機裝配質量，提高機體的疲勞壽命，越來越多的自動化設備被用在大型飛機的裝配過程中，如自動鉆鉚機、柔性軌道制孔機構、爬行機器人制孔機構及機械臂制孔機構等。

在自動化設備制孔過程中，孔的垂直度取決于鉆頭軸線是否與制孔點的法線重合。目前，設備很難靠自身控制使鉆頭沿鉆孔點的法矢方向鉆孔，需要利用法矢測量與末端調姿裝置來調整鉆頭的姿態。對于曲面的法矢測量，常見的有向量叉積法、二次曲面擬合法、NURBS曲線法和三角網格法等。以上方法在工程應用時，需要測量大量的點才能達到較高的精度，不適合實時的精確測量。

本發明針對以上出現的問題提出了一種基于四面體構型的三個激光測距傳感器的非接觸法矢測量方法，此方法測量精度高、速度快，且不會損傷被測物體表面。

發明內容

本發明的目的是針對現有法矢測量方法中存在的精度不高，實時性差的問題，發明一種基于四面體構型的距離傳感器法矢測量方法，它借助三個激光測距傳感器來實現對飛機蒙皮制孔的孔法矢的快速實現測量。

本發明的技術方案是：

一種基于四面體構型的距離傳感器法矢測量方法，其特征是它包括以下步驟：

首先，在機床或機器人的末端執行器上安裝呈等邊三角形布置的三個激光測距傳感器，并且固定三個激光測距傳感器的測量方向，使得其激光束匯聚于同一點，與三個激光測距傳感器構成一個空間四面體；

其次，利用空間四面體頂點與待測曲面的三種位置關系：頂點在曲面內、頂點在曲面上、頂點在曲面外，結合激光測距傳感器測量的數值，可以求得待測制孔曲面的法矢n；

最后，根據上述測量計算所得到的待制孔法矢信息，通過反解算法，求得機床或機器人各軸的驅動量，用于控制系統實現調姿運動。

為了使得待測制孔曲面法矢n的測量結果更加精確，作如下條件約束：l_min≤l_i≤l_max

(i＝1,2,3)

式中l_i為三個激光測距傳感器激光發射點到待測制孔曲面的距離，l_min和l_max分別為滿足制孔法矢精度要求時l_i的最小距離和最大距離，其具體數值可由激光測距傳感器激光發射點到激光束匯聚點的距離和待制孔法矢的精度等級求出。當l_i滿足上述約束后，待測制孔曲面的法矢n可根據如下三種情況具體求解。

情況一：四面體頂點在待測曲面內

當空間四面體與待檢測位置所在曲面相交時，建立如圖2所示的坐標系，將坐標原點建立在刀具端點，所述的3個激光測距傳感器A、B、C呈正三角形分布在刀具四周，設定x_t方向為過O_t點平行于AB且由A指向B方向，y_t方向為O_tC方向，z_t方向根據右手定理獲得。首先，根據設計和安裝，確定3個激光測距傳感器的安裝位置，并使得3個激光測距傳感器3條激光匯聚于一點D，即在激光測距傳感器對曲面法矢進行測量之前，通過機械結構及裝配保證四面體D-ABC構型已知。則A、B、C在O_tx_ty_tz_t坐標系下的坐標分別為C(0,CD·cos∠DCO_t,0)，

當待檢測位置所在曲面與四面體相交，根據幾何關系可以求得

A₁(-A₁D·cos∠DAO_t·cos∠O_tAB,-A₁D·cos∠DAO_t·sin∠O_tAB,AA₁·sin∠DAO_t)