[發(fā)明專利]一種基于點集測量的剛體位置與姿態(tài)測量不確定度評估方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811389601.0
• 申請日: 2018-11-21
• 公開（公告）號: CN109540058A
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賈曉雯;王美清;張宇飛;于浩;麻倍之;杜福洲
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航天新風(fēng)機械設(shè)備有限責(zé)任公司;北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01B21/00
• 分類號: G01B21/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 賈曉玲

本發(fā)明涉及一種基于點集測量的剛體位置與姿態(tài)測量不確定度評估方法。該方法利用激光跟蹤儀等數(shù)字化測量系統(tǒng)測量剛體表面關(guān)鍵點集，與三維模型中點集理論數(shù)據(jù)對比，可解算剛體位置與姿態(tài)。對測量不確定度源進行分析，采用主成分分析法對點集測量數(shù)據(jù)中的定位不確定度和測量不確定度進行分離，進而給出數(shù)字化測量系統(tǒng)的不確定度評價。設(shè)計計算剛體位置與姿態(tài)不確定度的方法，并在三維空間中表現(xiàn)為具有幾何邊界的實體幾何特征在某個范圍內(nèi)隨機存在，該范圍存在一個最大邊界和最小邊界，構(gòu)成了位置與姿態(tài)所描述的剛體的幾何特征的最小包絡(luò)范圍，為剛體裝配方案的調(diào)整提供決策依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明利用激光跟蹤儀測量剛體表面關(guān)鍵點集，解算剛體位置與姿態(tài)。對測量不確定度源進行分析，采用主成分分析法對點集測量數(shù)據(jù)中的定位不確定度和測量不確定度進行分離。設(shè)計剛體位置與姿態(tài)測量不確定度計算方法，為剛體裝配方案的調(diào)整提供決策依據(jù)。屬于針對大尺寸部件的測量輔助裝配領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在航空、航天、船舶領(lǐng)域，其產(chǎn)品通常尺寸大，精度要求高，工藝復(fù)雜。大部件裝配作為生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵步驟，其首要任務(wù)是確定被裝配部件之間的相對位置與姿態(tài)，需要大尺度空間測量技術(shù)的支持。目前常用的測量儀器有激光跟蹤儀、iGPS、視覺測量、三坐標測量機、激光雷達等，其測量實質(zhì)是獲取目標點在參考坐標系下的三維坐標，再根據(jù)相應(yīng)關(guān)系進行位置與姿態(tài)擬合。

不確定度是一個與測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的、表征被測量之合理賦值的分散程度的參量。任何測量結(jié)果均存在一定的不確定性，表現(xiàn)為采用相同手段進行多次重復(fù)測量的測量結(jié)果各不相同，測量結(jié)果只有在與相應(yīng)的測量不確定度同時出現(xiàn)時，才具有可信性和完整性。由于測量不確定度的存在，使得單次測量結(jié)果無法完全準確地反映被測量對象的實際狀態(tài)，即存在測量誤差；與零件的制造誤差、部件的裝配誤差一樣，測量誤差同樣對裝配協(xié)調(diào)性產(chǎn)生影響。因此，需要對測量不確定度進行研究，為裝配測量精度分析提供支持。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決剛體位置與姿態(tài)的測量不確定度評價問題，首先對測量不確定度源進行分析，采用主成分分析法對點集測量數(shù)據(jù)中的定位不確定度和測量不確定度進行分離，進而給出數(shù)字化測量系統(tǒng)的不確定度評價。設(shè)計計算剛體位置與姿態(tài)不確定度的方法，為剛體裝配測量方案的調(diào)整提供決策依據(jù)。

為了確保位置與姿態(tài)擬合結(jié)果的有效性，根據(jù)國際標準提出位置與姿態(tài)不確定度的概念，并給出位置與姿態(tài)不確定度評估算法。根據(jù)國際標準化組織等發(fā)布的《測量不確定度表示指南》(GUM)中表述的方法，剛體位置與姿態(tài)是一個六維矢量，其不確定度評定基于多維參數(shù)不確定度計算方法給出。多維測量結(jié)果的不確定度是一個協(xié)方差矩陣，矩陣的對角線上的元素是各個測量分量自身的不確定度，對角線外的元素是各分量的互不確定度；對于多維測量結(jié)果不確定度的比較，可采用常用的矩陣大小比較方法，包括矩陣的行列式比較、矩陣絕對值的最大或最小特征根比較、矩陣的跡比較等。

在數(shù)字化裝配環(huán)境中，多種因素與過程誤差均會造成剛體關(guān)鍵測量特性位置與姿態(tài)的測量誤差，對于多次重復(fù)測量而言，關(guān)鍵測量特性的位置與姿態(tài)測量結(jié)果以其理論值為中心，在一定范圍內(nèi)波動。

為了實現(xiàn)位置與姿態(tài)不確定度的測量與分析，分別從剛體位置與姿態(tài)不確定度的幾何含義和數(shù)學(xué)含義進行闡述。

在幾何形式上，位置與姿態(tài)反映了裝配基準局部坐標系原點在空間全局坐標系中的位置，以及局部坐標系各軸繞全局坐標系各軸的旋轉(zhuǎn)角度，位置與姿態(tài)的不確定性則表現(xiàn)為局部坐標系原點在空間全局坐標系中位置的不確定性，以及局部坐標系各軸指向的不確定性，而且這二者之間并不是完全獨立的。研究位置與姿態(tài)不確定性的時候，拋開位置與姿態(tài)所依附的對象而只考慮局部坐標系的特性是沒有意義的；位置與姿態(tài)所描述的對象是具有幾何邊界的實體，在三維空間中，其位置與姿態(tài)不確定度最終表現(xiàn)為該實體的幾何特征在某個范圍內(nèi)隨機存在，如圖1中長方體邊框所示，該范圍存在一個最大邊界和最小邊界，構(gòu)成了位置與姿態(tài)所描述的實體的幾何特征的最小包絡(luò)范圍。