CN111912335A - 一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法，包括以下步骤：1）设置激光线扫描仪，标定出激光线扫描仪的初始安装位置以及激光线扫描仪的运动方向；2）利用激光线扫描仪对基准孔所在飞机表面进行扫描，得到基准孔及其附近区域的点云数据；3）由于飞机表面具有光顺性，因此在飞机表面的点云数据中，基准孔附近区域的相邻两点之间的纵向坐标之间的差值存在阈值，当相邻两点之间纵向距离超过相邻两点之间纵向坐标差值的阈值时，说明其中一点为基准孔内的点，则取纵向坐标高度值更大的点作为基准孔的边界点；4）对基准孔边界的点云数据进行拟合，得到基准孔的圆心坐标。本发明能够实现自动钻铆***快速和精确的识别基准孔位置。

Description

一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法

技术领域

本发明涉及机器人识别技术领域，具体是指一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法。

背景技术

随着飞机设计和制造的不断发展，飞机装配对效率、质量、精度要求的不断提升，自动钻铆***在国内外航空制造企业中得到了广泛的研究和应用。如美国GE公司、EI公司、德国宝捷公司等都已经开发出了比较成熟的***。在国内，一些高校、科研院所以及企业对自动钻铆技术也做了深入研究，研制了自动钻铆***。随着自动钻铆***的不断广泛应用，如何提高自动钻铆的精度和质量成为了当前研究的热点方向。飞机装配中铆钉孔的位置精度直接影响飞机的装配质量和使用寿命，因此提升铆钉孔位置精度具有十分重要的意义。

由于飞机零件的加工误差以及装配误差的存在，导致飞机部件实际制孔位置与理论制孔位置存在一定的偏差。如果直接按照理论制孔位置对飞机部件进行制孔可能造成制孔位置超差从而导致产品报废。为了避免这种情况发生，在实际应用中通过在产品表面设置基准孔，利用基准孔位置对理论制孔位置进行纠偏，从而保证实际制孔位置满足产品装配要求。因此，保证基准孔位置的识别精度，对提高产品制孔位置精度具有决定性作用。国内外学者对基准识别进行了大量的研究，其中最主要的方法有单目视觉测量法和双目视觉测量法。单目视觉测量只能计算出基准孔平面二维坐标，在飞机翼面类部件装配中应用广泛。但在大曲率飞机部件装配的应用中，单目视觉测量需通过第三轴理论数据进行组合才能得到基准孔的三维坐标，由于此方法采用了部分理论数据导致测量精度不高，存在许多的弊端。然而双目视觉测量通过两个相机同时对基准孔进行测量，标定计算得到基准孔的三维坐标，此方法的测量精度较高，但是双目视觉测量需要两个工业相机导致测量装置体积较大、在自动钻铆***中安装比较困难。

现有专利CN201210081079.6公开了一种飞机部件自动钻铆***的基准孔的检测方法，虽然公开了通过2D激光位移传感器扫描基准孔，通过获得基准孔的轮廓特征点进行基准孔中心坐标的估计，2D激光位移传感器在扫描基准孔时，整体扫描的是矩形的图案，基准孔则位于扫描的矩阵图案内，其轮廓特征点的判断和采集则是该技术的重点核心，而专利CN201210081079.6没有具体公开基准孔的轮廓特征孔如何获得，这在通过2D激光位移传感器进行基准孔的判断过程中是无法实现的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现自动钻铆***快速和精确的识别基准孔位置，适用于机器人钻铆***的基准孔识别方法。

本发明通过下述技术方案实现：一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法，包括以下步骤：

(1)设置激光线扫描仪，标定出激光线扫描仪的初始安装位置以及激光线扫描仪的运动方向；

(2)利用激光线扫描仪对基准孔所在飞机表面进行扫描，得到基准孔及其附近区域的点云数据；

(3)由于飞机表面具有光顺性，因此在飞机表面的点云数据中，基准孔附近区域的相邻两点之间的纵向坐标之间的差值存在阈值，当相邻两点之间纵向距离超过相邻两点之间纵向坐标差值的阈值时，说明其中一点为基准孔内的点，则取纵向坐标高度值更大的点作为基准孔的边界点，从而实现基准孔边界点的识别和提取；

(4)对基准孔边界的点云数据进行拟合，得到基准孔的圆心坐标。

本技术方案的工作原理为，基准孔的识别过程，本质上是对基准孔中心坐标位置的识别和判定。本技术方案基于线激光扫描的基准找正方法，通过线激光扫描仪对基准孔进行扫描测量，最后计算得到基准孔三维坐标。

核心技术内容包括，第一实现坐标的转化。首先将飞机平面处扫描点的坐标与激光线扫描仪的激光发射点的坐标进行转化，其次，将激光线扫描仪的激光发射点的坐标转化至正常三维空间内常规三维坐标，即正常三维空间内坐标系即基坐标系。

第二，基准孔边界的识别，由于激光线的扫描过程中，扫面区域为矩形区域，因此扫描平面包含基准孔区域以及基准孔附近的区域；由于基准孔有深度，因此通过点云数据存在非连续特征的原理，可以进行基准孔边界点云数据的提取。在获得基准孔边界点云数据的情况下，从而获得基准孔中心点的三维空间坐标。

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中，所述激光线扫描仪的初始安装位置以及激光线扫描仪的运动方向通过12个相互不平行的平面标定。

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中，标定激光线扫描仪的具体过程为：

(1.1)定义机器人基坐标系O-xyz，所述基坐标系O-xyz为坐标原点为空间任意一点的笛卡尔坐标系；

(1.2)构建与机器人钻铆***末端执行器固连的坐标系O'-xyz，其中坐标原点与激光线扫描仪的激光发射点重合，当机器人6个关节角度分别为0°、0°、-90°、90°、0°、0°时，坐标系三个轴的方向与机器人基坐标系O-xyz三个轴的方向平行；

(1.3)构建与机器人钻铆***末端执行器固连的坐标系O”-xyz，其中坐标原点与激光线扫描仪发射在有基准孔的飞机表面的激光测量原点重合，X轴和Z轴分别与线激光扫描仪光线测量坐标系X轴、Y轴平行；

(1.4)坐标系O-xyz、O'-xyz、O”-xyz三个坐标系的旋转约束关系，利用初始安装位置的六个不平行的平面和旋转过程中六个不平行的平面，实现将坐标系O'-xyz中的坐标数据，转换成基坐标O-xyz的坐标数据，以及将坐标系O”-xyz中的坐标数据，转换成基坐标O-xyz的坐标数据。

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(2)中，激光线扫描仪通过伺服电机在某一水平面的滑台做匀速运动，激光线扫描仪发生线性的激光，扫描过存在基准孔的飞机表面，实现基准孔及其附近区域的点云数据的采集。

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(4)中，是通过最小二乘法对基准孔边界的点云数据进行拟合，得到基准孔的圆心坐标

为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(4)中，在识别和提取基准孔的边界的点云数据后，获得基准孔的圆心坐标的具体过程为：

(4.1)将基准孔的边界的点云数据投影到坐标系O”-xyz中的Oxy平面上，然后对其进行二维椭圆拟合，计算得到基准孔投影椭圆的x、y坐标；

(4.2)利用最小二乘法对椭圆进行拟合，获得椭圆方程系数，然利用基准孔坐标计算公式计算出基准孔圆心的平面坐标；

(4.3)最后通过基准孔云点数据中所有点的Z坐标值求解平均数，得到基准孔的Z坐标；

(4.4)该基准孔的的坐标为坐标O”-xyz中的三维坐标数据，再利用基座标系O-xyz与坐标系O”-xyz的转化关系，将基准孔的三维坐标数据转化为基坐标中的三维坐标数据，从而实现基准孔圆心坐标的识别过程。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明利用激光线扫描仪对基准孔进行扫描测量，通过计算能够得到基准孔圆心的三维坐标，其测量精度高，测量速度快，可实现飞机表面基准孔的快速识别和定位；

(2)本发明相较于以前双目视觉测量方法，无需复杂的测量装置，能够更好地安装在机器人的自动钻铆***中，能够极大程度推动机器人自动钻铆***发展；

(3)本发明能够提高飞机装配中铆钉孔的位置精度，直接提高了飞机的装配质量和使用寿命，具有十分积极的意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：

图1为本发明中激光线扫描原理图；

图2为本发明中基准孔及其附近区域三维点云图；

图3为本发明中基准孔边界识别和提取原理图；

图4为本发明中最小二乘法拟合原理图。

其中：1—被测飞机表面、2—激光线扫描仪，3—基准孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

本实施例提供了一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法，包括以下步骤：

(1)设置激光线扫描仪，标定出激光线扫描仪的初始安装位置以及激光线扫描仪的运动方向；

(2)利用激光线扫描仪对基准孔所在飞机表面进行扫描，得到基准孔及其附近区域的点云数据；

(3)由于飞机表面具有光顺性，因此在飞机表面的点云数据中，基准孔附近区域的相邻两点之间的纵向坐标之间的差值存在阈值，当相邻两点之间纵向距离超过相邻两点之间纵向坐标差值的阈值时，说明其中一点为基准孔内的点，则取纵向坐标高度值更大的点作为基准孔的边界点，从而实现基准孔边界点的识别和提取；

(4)对基准孔边界的点云数据进行拟合，得到基准孔的圆心坐标。

具体过程如图1～4所示。

激光线扫描仪标定方法：

建立与机器人钻铆***末端执行器固连的坐标系O′-xyz，其中坐标原点与机器人钻铆***TCP重合，当机器人6个关节角度分别为0°、0°、-90°、90°、0°、0°时，坐标系三个轴的方向与机器人基坐标系O-xyz三个轴的方向平行。

建立与机器人钻铆***末端执行器固连的坐标系O″-xyz，其中坐标原点与线激光扫描仪测量原点重合，X轴和Z轴分别与线激光扫描仪光线测量坐标系X轴、Y轴平行。

设定滑台移动方向为(u v ω)^T，当滑台移动距离为Δy时，测量点在坐标系O″-xyz下的坐标为：

p″＝(x+u*Δy，v*Δy，z+ω*Δy)^T

用于标定的基准平面在坐标系O′-xyz下的方程为：

ax+by+cz＝d

坐标系O″-xyz与坐标系O′-xyz之间的旋转关系为R：

其中，R中元素满足以下关系：

因此，可以得到测量点在坐标系O′-xyz下的坐标为：

p′＝p₀+R·p″

其中：

p₀＝(x₀ y₀ z₀)^T

将上诉公式进行整合，可以得到扫描点坐标的一般公式为：

a*(x₀+A₁*(x+μ*Δy)+A₂*v*Δy+A₃*(z+ω*Δy))+b*(y₀+B₁*(x+μ*Δy)+B₂*v*Δy+B₃+(z+ω*Δy))+c*(z₀+C₁*(x+μ*Δy)+C₂*v*Δy+C₃*(z+ω*Δy))＝d

令将上式中Δy＝0，可以得到：

a*(x₀+A₁*x+A₃*z)+b*(y₀+B₁*x+B₃*z)+c*(z₀+C₁*x+C₃*z)

＝d

由9个相互不平行的基准面可以得到方程组：

将上式改写为矩阵形式：

A₁X₁＝D₁

其中：

X₁＝(x₀ y₀ z₀ A₁ A₃ B₁ B₃ C₁ C₃)^T

D₁＝(d₁ d₂ d₃ d₄ d₅ d₆ d₇ d₈ d₉)^T

利用矩阵运算，可以求得：

X₁＝(A₁ ^TA₁)^-1A₁ ^TD₁

利用旋系转关R的约束条件可以求解出：A₂、B₂、C₂。

令扫描点坐标的一般公式中x＝0，可以得到：

a*(x₀+A₁*μ*Δy+A₂*v*Δy+A₃*(z+ω*Δy))+b*(y₀+B₁*μ*Δy+B₂*v*Δy+B₃*(z+ω*Δy))+c*(z₀+C₁*μ*Δy+C₂*v*Δy+C₃*(z+ω*Δy))＝d

由3个相互不平行的基准面可以得到方程组：

将上式改写成矩阵形式为：

A₂X₂＝D₂

其中：

X₂＝(u v ω)^T

D₂＝(d₁ d₂ d₃)^T

利用矩阵运算，可以求得：

X₂＝(A₂ ^TA₂)^-1A₂ ^TD₂

坐标系O′-xyz与机床坐标系O-xyz之间的关系为：

R(α，β，γ)＝R_z(α)R_y(β)R_x(γ)

其中,α为机器人姿态角A，β为机器人姿态角B，γ代表机器人姿态角C。

机器人TCP点在机器人基坐标系O-xyz下的坐标为：

P＝(X Y Z)^T

因此，可以得到测量点在机器人基坐标系O-xyz下的坐标为：

P_S＝P+R(α，β，γ)·p′

基准孔识别方法如下：

通过扫描得到基准孔及其附件区域的点云集为：

P″＝{p″(i)}(i＝1，…，n)

定义点云集相邻两点之间z轴坐标值变化量为Δz，X轴坐标值变化量为Δx，其中Δx为定值。由于飞机表面的光顺性，设定飞机表面任意相距Δx两点之间Δz的最大值为ε。

建立目标函数：

当相邻两点Δz>ε时，取两个点中z坐标值更大的那个为基准孔的边界点。由此，可以寻找出基准孔边界点

得到基准孔的边界点云集：

P″_E＝{p″_E(i)} (i＝1，…，m)

由于基准孔点云集P″_E在空间内形成的近似平面与坐标系O″-xyz的z轴近似垂直。因此，基准孔坐标可以通过以下步骤求得：

步骤1：将基准孔点云集P″_E投影在坐标系O″-xyz的Oxy平面上，然后对其进行二维椭圆拟合，计算得到基准孔的x、y坐标。

平面椭圆一般方程为：

x²+Axy+By²+Cx+Dy+E＝0

利用上式可以求解出基准孔的x、y坐标：

假定基准孔点云集P″_E在坐标系O″-xyz的Oxy平面上任意投影点(x_i，y_i)与其拟合结果之间的误差为f(x_i，y_i),则所有拟合点的误差的平方和为：

利用最小二乘法对椭圆进行拟合，使上式取值最小，则有：

则可以得到正定方程组：

TC＝K

其中：

C＝(A B C D E)^T

利用矩阵运算可以求得椭圆方程系数为：

C＝(T^TT)^-1T^TK

利用基准孔坐标计算公式计算出椭圆圆心坐标。

步骤2：将基准孔点云集P″_E中所有点的z坐标值求解平均数，得到基准孔的z坐标。

步骤3：利用扫描仪与机器人基坐标系关系，计算得到基准孔圆心在机器人基坐标系下的坐标。

Claims (6)

1.一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）设置激光线扫描仪，标定出激光线扫描仪的初始安装位置以及激光线扫描仪的运动方向；

（2）利用激光线扫描仪对基准孔所在飞机表面进行扫描，得到基准孔及其附近区域的点云数据；

（3）由于飞机表面具有光顺性，因此在飞机表面的点云数据中，基准孔附近区域的相邻两点之间的纵向坐标之间的差值存在阈值，当相邻两点之间纵向距离超过相邻两点之间纵向坐标差值的阈值时，说明其中一点为基准孔内的点，则取纵向坐标高度值更大的点作为基准孔的边界点，从而实现基准孔边界点的识别和提取；

（4）对基准孔边界的点云数据进行拟合，得到基准孔的圆心坐标。

2.根据权利要求1所述的一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述激光线扫描仪的初始安装位置以及激光线扫描仪的运动方向通过12个相互不平行的平面标定。

3.根据权利要求2所述的一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法，其特征在于，所述步骤（1）中，标定激光线扫描仪的具体过程为：

（1.1）定义机器人基坐标系O-xyz，所述基坐标系O-xyz为坐标原点为空间任意一点的笛卡尔坐标系；

（1.2）构建与机器人钻铆***末端执行器固连的坐标系O'-xyz，其中坐标原点与激光线扫描仪的激光发射点重合，当机器人6个关节角度分别为0°、0°、-90°、90°、0°、0°时，坐标系三个轴的方向与机器人基坐标系O-xyz三个轴的方向平行；

（1.3）构建与机器人钻铆***末端执行器固连的坐标系O''-xyz，其中坐标原点与激光线扫描仪发射在有基准孔的飞机表面的激光测量原点重合，X轴和Z轴分别与线激光扫描仪光线测量坐标系X轴、Y轴平行；

（1.4）坐标系O-xyz、O'-xyz、O''-xyz三个坐标系的旋转约束关系，利用初始安装位置的六个不平行的平面和旋转过程中六个不平行的平面，实现将坐标系O'-xyz中的坐标数据，转换成基坐标O-xyz的坐标数据，以及将坐标系O''-xyz中的坐标数据，转换成基坐标O-xyz的坐标数据。

4.根据权利要求3所述的一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法，其特征在于，所述步骤（2）中，激光线扫描仪通过伺服电机在某一水平面的滑台做匀速运动，激光线扫描仪发生线性的激光，扫描过存在基准孔的飞机表面，实现基准孔及其附近区域的点云数据的采集。

5.根据权利要求4所述的一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法，其特征在于，所述步骤（4）中，是通过最小二乘法对基准孔边界的点云数据进行拟合，得到基准孔的圆心坐标。

6.根据权利要求5所述的一种适用于机器人钻铆***的飞机表面基准孔识别方法，其特征在于，所述步骤（4）中，在识别和提取基准孔的边界的点云数据后，获得基准孔的圆心坐标的具体过程为：

（4.1）将基准孔的边界的点云数据投影到坐标系O''-xyz中的Oxy平面上，然后对其进行二维椭圆拟合，计算得到基准孔投影椭圆的x、y坐标；

（4.2）利用最小二乘法对椭圆进行拟合，获得椭圆方程系数，然利用基准孔坐标计算公式计算出基准孔圆心的平面坐标；

（4.3）最后通过基准孔云点数据中所有点的Z 坐标值求解平均数，得到基准孔的Z坐标；

（4.4）该基准孔的的坐标为坐标O''-xyz中的三维坐标数据，再利用基座标系O-xyz与坐标系O''-xyz的转化关系，将基准孔的三维坐标数据转化为基坐标中的三维坐标数据，从而实现基准孔圆心坐标的识别过程。

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