CN112643712B - 一种大型机械臂基座零位测量标定方法 - Google Patents
一种大型机械臂基座零位测量标定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种大型机械臂基座零位测量标定方法,包括:在摇臂基座上标记若干个观测点,所述观测点位于同一圆周上;在摇臂基座和接收目标之间架设寻北仪和全站仪;通过全站仪观测信号接收目标点以及摇臂基座上标记的任意3个观测点的坐标,并以观测信号接收目标点为原点建立坐标系;由3个观测点的的共面约束获得基座所在平面方程,获得基座圆心坐标以及平面法线向量;根据法线向量确定平面纵横摇角度;根据测得的纵摇角度、横摇角度建立一个新坐标系,通过坐标变换,确定在新坐标系中摇臂位置和飞机的坐标点。本发明实际操作过程简单方便,效率高,使用之后消除了大型机械臂基座倾斜角对***模型的影响,显著提高了***的定位精度。
Description
技术领域
本发明属于摇臂式运动模拟支撑技术,具体为一种大型机械臂基座零位测量标定方法。
背景技术
摇臂式运动模拟支撑设备在末端平台上安装天线及功放,使天线和功放设备的运动轨迹能够模拟飞机的等效运动轨迹,模拟飞机航迹的运动过程中,同时要求使其承载的喇叭天线始终正对信号接收目标,其本质上是一个大型机械臂。由于摇臂式运动模拟支撑设备臂长达10米,重量约3吨,想要通过常规的方法对基座进行调平比较困难,而不调平则会对控制运动轨迹模拟精度带来误差,基座的倾斜角度较大则会导致设备无法正常工作,因此需要进一步测量标定。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种大型机械臂基座零位测量标定方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种大型机械臂基座零位测量标定方法,包括:
在摇臂基座上标记若干个观测点,所述观测点位于同一圆周上;
在摇臂基座和接收目标之间架设寻北仪+全站仪;
通过全站仪观测信号接收目标点以及摇臂基座上标记的任意3个观测点的坐标,并以观测信号接收目标点为原点建立坐标系;
由3个观测点的的共面约束获得基座所在平面方程,获得基座圆心坐标以及平面法线向量;
根据法线向量确定平面纵横摇角度;
根据测得的纵摇角度、横摇角度建立一个新坐标系,通过坐标变换,确定在新坐标系中摇臂位置和飞机的坐标点。
优选地,所述观测点个数不少于3个。
优选地,由3个观测点的共面约束获得的基座所在平面方程具体为:
A1x+B1y+C1z+D1=0
式中:
A1=y1·z2-y1·z3-z1·y2+z1·y3+y2·z3-y3·z2
B1=-x1·z2+x1·z3+z1·x2-z1·x3-x2·z3+x3·z2
C1=x1·y2-x1·y3-y1·x2+y1·x3+x2·y3-x3·y2
D1=-x1·y2·z3+x1·y3·z2+x2·y1·z3-x3·y1·z2-x2·y3·z1+x3·y2·z1
x1=x10-xo0,y1=y10-yo0,z1=z10-zo0;x2=x20-xo0,y2=y20-yo0,z2=z20-zo0;x3=x30-xo0,y3=y30-yo0,z3=z30-zo0;其中(xo0,yo0,zo0)为接收目标点坐标,(xi0,yi0,zi0)为3个观测点的坐标,i=1,2,3。
优选地,获得基座圆心坐标以及平面法线向量的具体过程为:
设空间圆半径为R,由3个观测点到空间圆心的距离可得方程如下:
由上式可得:
2(x2-x1)x+2(y2-y1)y+2(z2-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x2 2-y2 2-z2 2=0
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2=0
记为:
A2x+B2y+C2z+D2=0
A3x+B3y+C3z+D3=0
获得关于圆心的空间坐标的线性代数方程组为:
解得圆心P坐标为:
优选地,根据法线向量确定平面纵横摇角度的具体方法为:
可得:
可得:
优选地,P在新的坐标系OX’Y’Z’中坐标为P'=[x0' y0' z0']T,表达式如下:
飞机在原始坐标系oxyz中的坐标为F=[Fx Fy Fz]T,获得飞机F在新的坐标系OX’Y’Z’中坐标为F'=[Fx' Fy' Fz']T,具体为:
本发明与现有技术相比,其显著优点为:本发明实际操作过程简单方便,效率高,使用之后消除了大型机械臂基座倾斜角对***模型的影响,显著提高了***的定位精度。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为摇臂结构示意图。
图2为标校空间平面俯视图。
图3为摇臂基座位置姿态示意图。
具体实施方式
一种大型机械臂基座零位测量标定方法,利用寻北仪加全站仪一体的测量仪器对机械臂的基座上的标记点进行坐标测量,通过空间坐标计算得到基座的圆心坐标和基座纵横摇角度,最终对坐标系进行修正提高***定位精度。
在摇臂基座四周标记若干个便于观测的点,确保这些点在同一个圆周上。摇臂基座安装完成后,通过寻北仪加全站仪一体的测量仪器分别测得信号接收目标点和摇臂基座上在同一个圆周上的3个观测点的坐标,以信号接收目标点为原点建立坐标系。由3个观测点的共面约束可得3个观测点平面方程,即基座所在平面方程,再结合3个观测点到空间圆心的距离相等可得基座圆心坐标。由基座所在平面方程同时可得平面法线向量,通过法线向量即可得平面纵横摇角度。最后根据测得的倾斜角建立一个新坐标系,通过坐标变换,算出在新坐标系中摇臂位置和飞机的坐标点,从而消除基座倾斜对***的影响,具体步骤如下:
步骤1:在摇臂基座上标记若干个观测点,所述观测点位于同一圆周上;所述观测点个数不少于3个;
步骤2:在摇臂基座和接收目标之间架设寻北仪+全站仪;
具体地,如图2所示,在摇臂基座和接收目标点之间选择任意方便观测位置架设寻北仪+全站仪。架设完成后,将寻北仪初始化,O点即为全站仪观测空间点的坐标系原点,正西方向为X0轴,正南方向为Y0轴,竖直向上方向为Z0轴。
步骤3:通过全站仪观测信号接收目标点以及摇臂基座上标记的任意3个观测点的坐标,并以观测信号接收目标点为原点建立坐标系;
步骤4:由3个观测点的的共面约束获得基座所在平面方程,获得基座圆心坐标以及平面法线向量;
进一步的实施例中,由3个观测点的共面约束获得的基座所在平面方程具体为:
A1x+B1y+C1z+D1=0
式中:
A1=y1·z2-y1·z3-z1·y2+z1·y3+y2·z3-y3·z2
B1=-x1·z2+x1·z3+z1·x2-z1·x3-x2·z3+x3·z2
C1=x1·y2-x1·y3-y1·x2+y1·x3+x2·y3-x3·y2
D1=-x1·y2·z3+x1·y3·z2+x2·y1·z3-x3·y1·z2-x2·y3·z1+x3·y2·z1
x1=x10-xo0,y1=y10-yo0,z1=z10-zo0;x2=x20-xo0,y2=y20-yo0,z2=z20-zo0;x3=x30-xo0,y3=y30-yo0,z3=z30-zo0;其中(xo0,yo0,zo0)为接收目标点坐标,(xi0,yi0,zi0)为3个观测点的坐标,i=1,2,3。
获得基座圆心坐标以及平面法线向量的具体过程为:
设空间圆半径为R,由3个观测点到空间圆心的距离可得方程如下:
由上式可得:
2(x2-x1)x+2(y2-y1)y+2(z2-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x2 2-y2 2-z2 2=0
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2=0
记为:
A2x+B2y+C2z+D2=0
A3x+B3y+C3z+D3=0
获得关于圆心的空间坐标的线性代数方程组为:
解得圆心P坐标为:
步骤5:根据法线向量确定平面纵横摇角度;
可得:
可得:
步骤6:根据测得的纵摇角度、横摇角度建立一个新坐标系,通过坐标变换,确定在新坐标系中摇臂位置和飞机的坐标点。
摇臂位置P在原始坐标系oxyz中坐标为[x0 y0 z0]T,oxyz坐标经过纵摇角度α,横摇角度β旋转后坐标系为OX’Y’Z’,此时OX’Y’平面和摇臂基座平面平行,P在坐标系OX’Y’Z’中坐标为P'=[x0' y0' z0']T,表达式如下:
假设飞机F在原始坐标系oxyz中的坐标为F=[Fx Fy Fz]T,获得飞机F在坐标系OX’Y’Z’中坐标为F'=[Fx' Fy' Fz']T,具体为:
此时已将摇臂基座圆心点和飞机的坐标都转换到OX’Y’Z’坐标系中,此坐标系中,摇臂基座倾斜角度为零,零位修正完毕。
实施例
步骤1:在摇臂基座上标记若干个观测点,所述观测点位于同一圆周上;
步骤2:在摇臂基座和接收目标之间架设寻北仪+全站仪;
步骤3:观测各点坐标。通过全站仪镜头观测接收目标所在位置D点以及摇臂基座圆上的A、B、C 3个观测点坐标并记录。
步骤4:由3个观测点的的共面约束获得基座所在平面方程,获得基座圆心坐标以及平面法线向量;
通过仪器测得D点坐标为(xo0,yo0,zo0),A点坐标为(x10,y10,z10),B点坐标为(x20,y20,z20),C点坐标为(x30,y30,z30)。在以D为原点的坐标系中,设A点坐标为(x1,y1,z1),B点坐标为(x2,y2,z2),C点坐标为(x3,y3,z3),其中
x=xo0,y=yo0,z=zo0;
x1=x10-xo0,y1=y10-yo0,z1=z10-zo0;
x2=x20-xo0,y2=y20-yo0,z2=z20-zo0;
x3=x30-xo0,y3=y30-yo0,z3=z30-zo0。
由3个观测点的共面约束可得3个观测点平面方程如下:
即:A1x+B1y+C1z+D1=0 (2)
其中:
A1=y1·z2-y1·z3-z1·y2+z1·y3+y2·z3-y3·z2
B1=-x1·z2+x1·z3+z1·x2-z1·x3-x2·z3+x3·z2
C1=x1·y2-x1·y3-y1·x2+y1·x3+x2·y3-x3·y2
D1=-x1·y2·z3+x1·y3·z2+x2·y1·z3-x3·y1·z2-x2·y3·z1+x3·y2·z1
设空间圆半径为R,由3个观测点到空间圆心的距离可得方程如下:
由上式可得:
2(x2-x1)x+2(y2-y1)y+2(z2-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x2 2-y2 2-z2 2=0 (4)
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2=0 (5)
记为:
A2x+B2y+C2z+D2=0 (6)
A3x+B3y+C3z+D3=0 (7)
通过(2)(6)(7)获得关于圆心的空间坐标的线性代数方程组
解得圆心P坐标为:
可得:
可得:
步骤6:根据测得的纵摇角度、横摇角度建立一个新坐标系,通过坐标变换,确定在新坐标系中摇臂位置和飞机的坐标点。
摇臂位置P在原始坐标系oxyz中坐标为[x0 y0 z0]T,oxyz坐标经过纵摇角度α,横摇角度β旋转后坐标系为OX’Y’Z’,此时OX’Y’平面和摇臂基座平面平行,P在坐标系OX’Y’Z’中坐标为P'=[x0' y0' z0' ]T,表达式如下:
假设飞机F在原始坐标系oxyz中的坐标为F=[Fx Fy Fz]T,获得飞机F在坐标系OX’Y’Z’中坐标为F'=[Fx' Fy' Fz']T,具体为:
Claims (2)
1.一种大型机械臂基座零位测量标定方法,其特征在于,包括:
在摇臂基座上标记若干个观测点,所述观测点位于同一圆周上;
在摇臂基座和接收目标之间架设寻北仪和全站仪;
通过全站仪观测信号接收目标点以及摇臂基座上标记的任意3个观测点的坐标,并以观测信号接收目标点为原点建立坐标系;
由3个观测点的共面约束获得基座所在平面方程,获得基座圆心坐标以及平面法线向量,由3个观测点的共面约束获得的基座所在平面方程具体为:
A1x+B1y+C1z+D1=0
式中:
A1=y1·z2-y1·z3-z1·y2+z1·y3+y2·z3-y3·z2
B1=-x1·z2+x1·z3+z1·x2-z1·x3-x2·z3+x3·z2
C1=x1·y2-x1·y3-y1·x2+y1·x3+x2·y3-x3·y2
D1=-x1·y2·z3+x1·y3·z2+x2·y1·z3-x3·y1·z2-x2·y3·z1+x3·y2·z1
x1=x10-xo0,y1=y10-yo0,z1=zl0-zo0;x2=x20-xo0,y2=y20-yo0,z2=z20-zo0;x3=x30-xo0,y3=y30-yo0,z3=z30-zo0;其中(xo0,yo0,zo0)为接收目标点坐标,(xi0,yi0,zi0)为3个观测点的坐标,i=1,2,3;
获得基座圆心坐标以及平面法线向量的具体过程为:
设空间圆半径为R,由3个观测点到空间圆心的距离可得方程如下:
由上式可得:
2(x2-x1)x+2(y2-y1)y+2(z2-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x2 2-y2 2-z2 2=0
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2=0
记为:
A2x+B2y+C2z+D2=0
A3x+B3y+C3z+D3=0
获得关于圆心的空间坐标的线性代数方程组为:
解得圆心P坐标为:
根据法线向量确定平面纵横摇角度,具体方法为:
可得:
可得:
根据测得的纵摇角度、横摇角度建立一个新坐标系,通过坐标变换,确定在新坐标系中摇臂位置和飞机的坐标点,P在新的坐标系OX’Y’Z’中坐标为P'=[x0' y0' z0']T,表达式如下:
飞机在原始坐标系oxyz中的坐标为F=[Fx Fy Fz]T,获得飞机F在新的坐标系OX’Y’Z’中坐标为F'=[Fx' Fy' Fz']T,具体为:
2.根据权利要求1所述的大型机械臂基座零位测量标定方法,其特征在于,所述观测点个数不少于3个。
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