CN111536901B - 一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法 - Google Patents

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丁超
杨建平
徐旭
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Abstract

本发明涉及一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法，由龙门和机器人组合形成移动式工装，用于测量大型工件；利用平差原理建立高精度统一测量场，按照规划路径进行扫描，构建高精度三维模型。本发明采用龙门架、AGV小车及机械臂的组合可测大型工件，由多路激光跟踪仪测量定向点初始坐标，利用平差原理解并构建测量场，可提高测量精度，采用三维激光扫描仪对大型待测件进行三维扫描生成高精度三维点云模型。

Description

一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法
技术领域
本发明涉及自动化测量技术领域，具体涉及一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法。
背景技术
随着飞机的飞行速度、任务载荷的不断提高，各种大型工件的制造数量越来越多，精度要求也越来越高。比如大型飞机壁板，它是由蒙皮和长桁等骨架零件组成的一个整体，具有比强度高、总体和局部稳定性好、疲劳寿命长、表面光滑等特点，是现代飞机普遍采用的高效率结构，能提高飞机的综合性能。由于大型工件的尺寸巨大，厚度薄，表面结构复杂，给测量带来很大的困难。所以建立一套针对大尺寸工件的智能高效的测量设备和方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描方法。由龙门和机器人等组合形成移动式基础工装，由多路激光跟踪仪测量定向点初始坐标，利用平差原理解并构建高精度测量场。
为解决上述技术问题/为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法，由龙门和机器人组合形成移动式工装，用于测量大型工件；利用平差原理建立高精度统一测量场，按照规划路径进行扫描，构建高精度三维模型；测量方法包括以下步骤：
1)安装龙门架及AGV小车,所述的龙门架包括两侧支撑架和连接两侧支撑架上端的水平承载部，所述龙门架的两侧支撑架各安装在一个AGV小车上；
2)在龙门架的水平承载部上安装机械臂，在所述的机械臂前端安装激光扫描装置；
3)在机械臂上的激光扫描装置上安装靶座和靶球，并根据待测工件的尺寸规模设计扫描节点及用于测量靶球的坐标的激光跟踪仪的位置；靶球的设置要求为能够满足坐标系转换条件，使相邻站位即相邻激光跟踪仪所在位置的公共定向点数大于3；
4)用激光跟踪仪测量靶球的坐标值，用激光扫描仪对待测工件按照规划路径进行扫描；
5)用平差原理解算所有扫描节点的位姿下靶球球心坐标；
6)对获得的扫描数据进行处理，在统一坐标系下构建待测工件的三维模型。
进一步的，至少需要两台龙门架，至少共设置四个AGV小车。
所述的扫描节点为在龙门架移动的规划路径中，龙门架所移动到的其中一个测量位置。
所述的公共定向点数为在相邻的两个扫描节点的位置时，激光跟踪仪能看到的公共靶球数。
所述的激光扫描装置为三维激光扫描仪，在规划路径中，所述的激光扫描装置对工件进行扫描，生成点云。
用激光跟踪仪测量靶球的坐标，以构建高精度测量场。
所述的激光跟踪仪的测站点数目大于4。
其中，令待测工件长度为L，激光扫描仪的有效测距为R,则扫描节点数目为
Figure BDA0002502219330000021
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法，采用龙门架、AGV小车及机械臂的组合可测大型工件，由多路激光跟踪仪测量定向点初始坐标，利用平差原理解并构建测量场，可提高测量精度，采用三维激光扫描仪对大型待测件进行三维扫描生成高精度三维点云模型。
附图说明
图1本发明的基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法的流程图。
图2龙门与机器人组合式三维激光扫描装置的结构示意图。
图3多路激光组网测量示意图。
图4站点自适应扫描路径规划示意图。
图中：1-龙门架，2-AGV小车，3-机械臂，4-激光跟踪仪。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法，由龙门和机器人组合形成移动式工装，用于测量大型工件；利用平差原理建立高精度统一测量场，按照规划路径进行扫描，构建高精度三维模型；测量方法包括以下步骤：
1)安装龙门架及AGV小车，如图2所示,所述的龙门架包括两侧支撑架和连接两侧支撑架上端的水平承载部，所述龙门架的两侧支撑架各安装在一个AGV小车上；
2)在龙门架的水平承载部上安装机械臂，在所述的机械臂前端安装激光扫描装置；
3)在机械臂上的激光扫描装置上安装靶座和靶球，并根据待测工件的尺寸规模设计扫描节点及用于测量靶球的坐标的激光跟踪仪的位置；靶球的设置要求为能够满足坐标系转换条件，使相邻站位即相邻激光跟踪仪所在位置的公共定向点数大于3；
4)用激光跟踪仪测量靶球的初始坐标值(xi，y，zi)，根据该扫描节点处工件的几何特征和避免碰撞的基础上进行扫描路径的规划，用激光扫描仪对工件按照规划路径进行扫描(图4)，转到在下一个扫描节点，重复步骤5)、6)至扫描结束；
5)用平差原理解算所有扫描节点的位姿下靶球球心坐标，令第i个激光跟踪仪测站对点P的观测值为Si，则可以得到该观测边的误差方程为：
Figure BDA0002502219330000031
上式为非线性方程，对其进行线性化，求全微分：
Vi＝ciδX+diδY+eiδZ-li
其中：
Figure BDA0002502219330000032
上式中，(x0，y0，z0)；为未知点P的坐标近似值，(xi0，yi0，zi0)为第i个激光跟踪仪测站中心点的坐标。进一步，上述误差方程式写成矩阵形式为：
Figure BDA0002502219330000033
上式中：
Figure BDA0002502219330000034
6)对获得的扫描数据进行处理，在统一坐标系下构建待测工件的三维模型。
进一步的，至少需要两台龙门架，至少共设置四个AGV小车。
所述的扫描节点为在龙门架移动的规划路径中，龙门架所移动到的其中一个测量位置。
所述的公共定向点数为在相邻的两个扫描节点的位置时，激光跟踪仪能看到的公共靶球数。
所述的激光扫描装置为三维激光扫描仪，在规划路径中，所述的激光扫描装置对工件进行扫描，生成点云。
用激光跟踪仪测量靶球的坐标，以构建高精度测量场。
其中，根据工件尺寸规模设计扫描节点(以第一个节点为初始点)和激光跟踪仪位置。令工件长度为L，扫描仪的有效测距为R,则扫描节点数目为
Figure BDA0002502219330000041
若有m个测站对n个定向点进行观测,此时整个控制网的未知参数只有测站中心三维坐标(Xi，Yi，Zi)，以及定向点的三维坐标值(xi，yi，zi)，此时整个控制网的未知参数t为t＝3(m+n)。要想使整个控制网可解，则测站数最少为4，定向点数最少为12，随着测站数的增加，所需的定向点数也在减少，但无论测站数增加到多少，定向点数最少不能少于4个。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法，其特征在于：由龙门和机器人组合形成移动式工装，用于测量大型工件；利用平差原理建立高精度统一测量场，按照规划路径进行扫描，构建高精度三维模型；测量方法包括以下步骤：
1)安装龙门架及AGV小车,所述的龙门架包括两侧支撑架和连接两侧支撑架上端的水平承载部，所述龙门架的两侧支撑架各安装在一个AGV小车上；
2)在龙门架的水平承载部上安装机械臂，在所述的机械臂前端安装激光扫描装置；
3)在机械臂上的激光扫描装置上安装靶座和靶球，并根据待测工件的尺寸规模设计扫描节点及用于测量靶球的坐标的激光跟踪仪的位置；靶球的设置要求为能够满足坐标系转换条件，使相邻站位即相邻激光跟踪仪所在位置的公共定向点数大于3；
4)用激光跟踪仪测量靶球的坐标值，用激光扫描仪对待测工件按照规划路径进行扫描；
5)用平差原理解算所有扫描节点的位姿下靶球球心坐标；
6)对获得的扫描数据进行处理，在统一坐标系下构建待测工件的三维模型；
所述的扫描节点为在龙门架移动的规划路径中，龙门架所移动到的其中一个测量位置；所述的激光扫描装置为三维激光扫描仪，在规划路径中，所述的激光扫描装置对工件进行扫描，生成点云；所述的激光跟踪仪的测站点数目大于4；令待测工件长度为L，激光扫描仪的有效测距为R,则扫描节点数目为
Figure FDA0003314383230000011
2.根据权利要求1所述的一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法，其特征在于：至少需要两台龙门架，至少共设置四个AGV小车。
3.根据权利要求1所述的一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法，其特征在于：所述的公共定向点数为在相邻的两个扫描节点的位置时，激光跟踪仪能看到的公共靶球数。
4.根据权利要求1所述的一种基于现场龙门与机器人组合式三维激光扫描测量方法，其特征在于：用激光跟踪仪测量靶球的坐标，以构建高精度测量场。
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