CN113029000A - 一种移动平台位姿状态监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动平台位姿状态监测装置及方法，属于飞机数字化装配技术领域。包括布置在地面的标定板和设置在整体平台底部的激光测距位移传感器和视觉相机，在整体平台底部装有两个视觉相机，能够实时监测地面上的标记点，监控整体平台水平方向的移动和转动，在整体平台底部的四个角上装有四个高精度激光测距位移传感器，能够实时监测整体平台放置在地面后的四个角的高度，监控整体平台在空间中的翻转。该方法及装置能够快速有效地获取整体平台的位姿状态，为飞机装配中产品对接提供可靠的数据依据，保证飞机部件的装配质量和装配效率。

Description

一种移动平台位姿状态监测装置及方法

技术领域

本发明涉及飞机数字化装配技术领域，具体地说，涉及一种移动平台位姿状态监测装置及方法。

背景技术

在航空航天制造领域，数字化自动化装配的应用越来越广泛，不仅减少了人工作业量，提高了产品自动化装配水平和装配质量，还能够降低制造成本。

移动平台的应用，是飞机装配自动化、流水线生产的一个重要标志，要保证飞机装配的质量，使产品的对接能够满足装配工艺的要求，避免产品发生碰撞，就需要支撑飞机产品的移动平台在飞机产品装配对接过程中保证位姿不发生变化。

如今，自动引导车(Automated Guided Vehicle，简称AGV)在工业领域应用越来越多，其装备有电磁或光学等自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能，不仅可以减少人工作业量，提高工厂自动化水平，而且还能降低制造成本和对运输材料造成损坏的可能性。由自动引导小车组成的柔性物料搬运***已经逐渐被应用于仓库和产品线上不同装配站位之间运输产品，这也是自动化、智能化制造所必需的。

为了开发更自动化、灵活的AGV***，目前已经开展了大量的研究工作，主要涉及以下主题：导航和引导，路径规划，交通管理，转运和***管理。(1)导航和引导是使AGV小车沿着路线行驶的基本功能。目前的点对点导航技术可以筒单地分为两组，固定路径和开放路径。(2)路径规划是对路径做决策的能力，以选择到特定目的地的最佳路径。(3)交通管理是感知环境，以避免与障碍物或其他AGV车碰撞。(4)转运是拾取和交付能力。基于计算机视觉可以提高自动转运***在停泊位置的定位精度。(5)***管理是进行***控制，指示***操作。

对AGV车来说，与其他设备合作拾取、运输物料以实现自动运输实际上是个很重要的问题。在目前的商业***中，通常在车间布局设计期间就预先规划好转运路径，为实现转运要求AGV需要具有较高的停泊精度。相对于提高绝对定位精度，AGV***逐渐集成了姿态测量和调姿对准***。

对于姿态测量，基于光学、声学等技术已经开发了很多测量技术并投入使用。测量原理可以分为两类：(1)对参考点进行绝对三维位置测量，然后使用姿态估计(点集匹配等算法)获得物体姿态信息；(2)基于可直接提供位置和姿态信息的多传感器信息融合直接进行位姿测量。融合多传感器数据实现姿态评价已经成为发展趋势，融合视觉-惯性数据开发了位姿测量***，分别直接提供位置和姿态信息。

按照生产线布局设计，某飞机大型部件自动化装配***分为两个区域，装配站位和自动化制孔站位，分别负责产品的人工装配和壁板的自动化制孔，AGV车是在装配站位和自动化制孔站位间转站运输的重要运输工具，在装配站位与自动化制孔站位间利用AGV车转换运输飞机大型部件的半成品。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动平台位姿状态监测装置及方法，用于实现飞机装配过程中大部件移动平台的位姿监测，避免从产品装配对接时发生碰撞。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的移动平台位姿状态监测装置包括布置在地面的标定板和设置在整体平台底部的：

激光测距位移传感器，布置在整体平台的四角处，用于获取整体平台的四角与水平标定板之间的距离，以判断整体平台在空间上是否发生翻转；

视觉相机，布置有两个，位于整体平台前后两侧成对角布置，通过拍摄标定板上的标记点，判断整体平台在水平方向上是否发生移动和旋转。

上述技术方案中，激光测距位移传感器为高精度激光测距位移传感器，通过四个高精度激光测距位移传感器的布局方式为四角布置，高精度激光测距位移传感器布置安装在形状为矩形的整体平台的四个角上，根据其与水平地面的距离，能够获取整体平台的空间姿态；通过两个视觉相机的布局方式为对角线布置，视觉相机布置安装在形状为矩形的整体平台的前后两侧，通过图像获取地面标定板上圆孔的位置，能够获得整体平台的空间位置；高精度激光测距位移传感器和视觉相机结合的位姿状态监测装置为非接触式测量；多个视觉相机传感器信息融合以及视觉信息与高精度激光测距位移传感器的信息融合，保证了测量结果的准确性。

可选地，在一个实施例中，所述的标定板上设有与每个视觉相机对应的五孔阵列，包括四个均匀布置的小孔和设置在四个小孔中心位置的大孔。

可选地，在一个实施例中，所述的标定板包括安装在站位底座的同一参考面内的四个。

可选地，在一个实施例中，所述的激光测距位移传感器和所述的视觉相机安装在同一水平面上。

可选地，在一个实施例中，所述的视觉相机配有环形光源。

第二方面，本发明提供的移动平台位姿状态监测方法基于上述移动平台位姿状态监测装置实现，包括以下步骤：

1)通过激光测距位移传感器测量整体平台四角至水平地面的距离，获得四个当前距离值，与期望姿态时的四个期望距离值相比，得到四个距离偏差值；

2)视觉相机的焦平面被配置在标定板表面，获取标记点图像，通过数字图像处理算法提取标记点坐标值，得到标记点的位置偏差；

3)结合距离偏差和位置偏差，通过匹配当前特征点和期望特征点的坐标值计算当前位姿偏差，获取整体平台的当前位姿。

步骤1)中，设置与所述视觉相机对应的五孔阵列，五孔阵列包括四个均匀布置的小孔和设置在四个小孔中心位置的大孔，大孔的圆心作为所述的标记点。

步骤1)中四个当前距离值为(d₁，d₂，d₃，d₄)，四个距离偏差值为(Δd₁，Δd₂，Δd₃，Δd₄)，标定板上两个大孔的位置偏差为(Δx₁，Δy₁，Δx₂，Δy₂)，则六个监测点的初始坐标值分别为：

激光测距点：

大孔中心点：

X_Goal、Y_Goal、Z_Goal，分别表示监测点在目标坐标系下的X、Y、Z三个方向上的理论值；

采用奇异值分解求变换矩阵，将目标坐标值变换至当前坐标系：

激光测距点：

大孔中心点：

X′_Cur、Y′_Cur、Z′_Cur，分别表示监测点在当前坐标系下的X、Y、Z三个方向上的坐标值；

迭代上述过程求解变换矩阵，直至匹配误差收敛，获得当前的姿态偏差。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明利用高精度激光测距位移传感器和视觉相机，在飞机产品装配对接过程中，对支撑飞机产品的移动平台位姿状态进行监测，为高精度的飞机产品装配对接工艺提供可靠的装配数据支撑，在飞机装配制造领域具有较高的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例的移动平台位姿状态监测装置的布置图；

图2为本发明实施例中位姿测算示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1和图2，本实施例的移动平台位姿状态监测装置包括布置在地面的标定板5和设置在整体平台3底部的高精度激光测距位移传感器1和视觉相机2，能够在飞机产品装配对接工艺过程中，监测移动平台位姿状态，为高精度的飞机产品装配对接工艺提供可靠的装配数据支撑。两个视觉相机的布局方式为对角线布置，视觉相机布置安装整体平台底部形状为矩形的部分的一条对角线的两头。四个高精度激光测距位移传感器的布局方式为四角布置，高精度激光测距位移传感器布置安装在形状为矩形的整体平台的四个角上。两个视觉相机通过拍摄地面五孔阵列的标定板上的标志点，判断整体平台在水平方向上是否发生移动和旋转。四个高精度激光测距位移传感器通过测量与地面之间的距离，判断整体平台在空间上是否发生翻转。配有环形光源的两个视觉相机与四个高精度激光测距位移传感器安装在同样的基座上，四块标定板5安装在站位底座的同一个参考面内。

参见图2，L₁、L₂、L₃、L₄表示高精度激光测距位移传感器；X_C1、Y_C1、Z_C1和X_C2、Y_C2、Z_C2表示2个视觉相机各种坐标系的三轴；X_B、Y_B、Z_B表示全局坐标系三轴；C₁、C₂表示五孔标定板大圆圆心；P₁、P₂、P₃、P₄表示4个高精度激光测距位移传感器相应的测量点；Δd、Δx、Δy表示6个测量点实际位置与理论位置的偏差。

采用本实施例的移动平台位姿状态监测装置进行位姿监测的方法步骤如下：

步骤S100，四个高精度激光测距位移传感器可以获得四个当前距离值(d₁，d₂，d₃，d₄)，与期望姿态时的四个期望距离值相比，可以得到4个距离偏差值(Δd₁，Δd₂，Δd₃，Δd₄)；

步骤S200，两个视觉相机其焦平面被配置在标定板表面，获取清晰的圆孔阵列图像，通过数字图像处理算法提取圆孔的坐标值，可以得到标定板上2个大圆的位置偏差(Δx₁，Δy₁，Δx₂，Δy₂)；

步骤S300，将偏差值对应加至全局测量下测得的六个点的对应坐标值上，获取六个监测点的初始坐标值：

激光测距点：

圆孔中心点：

步骤S400，用SVD分解求变换矩阵；

步骤S500，将目标坐标值变换至当前坐标系：

激光测距点：

圆孔中心点：

步骤S600，迭代整个过程求解变换矩阵，直至匹配误差收敛，获得当前的姿态偏差。

Claims (8)

1.一种移动平台位姿状态监测装置，其特征在于，包括布置在地面的标定板和设置在整体平台底部的：

激光测距位移传感器，布置在整体平台的四角处，用于获取整体平台的四角与水平标定板之间的距离，以判断整体平台在空间上是否发生翻转；

视觉相机，布置有两个，位于整体平台前后两侧成对角布置，通过拍摄标定板上的标记点，判断整体平台在水平方向上是否发生移动和旋转。

2.根据权利要求1所述的移动平台位姿状态监测装置，其特征在于，所述的标定板上设有与每个视觉相机对应的五孔阵列，包括四个均匀布置的小孔和设置在四个小孔中心位置的大孔。

3.根据权利要求1所述的移动平台位姿状态监测装置，其特征在于，所述的标定板包括安装在站位底座的同一参考面内的四个。

4.根据权利要求1所述的移动平台位姿状态监测装置，其特征在于，所述的激光测距位移传感器和所述的视觉相机安装在同一水平面上。

5.根据权利要求1所述的移动平台位姿状态监测装置，其特征在于，所述的视觉相机配有环形光源。

6.一种移动平台位姿状态监测方法，基于权利要求1～5任一权利要求所述的移动平台位姿状态监测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过激光测距位移传感器测量整体平台四角至水平地面的距离，获得四个当前距离值，与期望姿态时的四个期望距离值相比，得到四个距离偏差值；

2)视觉相机的焦平面被配置在标定板表面，获取标记点图像，通过数字图像处理算法提取标记点坐标值，得到标记点的位置偏差；

3)结合距离偏差和位置偏差，通过匹配当前特征点和期望特征点的坐标值计算当前位姿偏差，获取整体平台的当前位姿。

7.根据权利要求1所述的移动平台位姿状态监测方法，其特征在于，步骤1)中，设置与所述视觉相机对应的五孔阵列，五孔阵列包括四个均匀布置的小孔和设置在四个小孔中心位置的大孔，大孔的圆心作为所述的标记点。

8.根据权利要求7所述的移动平台位姿状态监测方法，其特征在于，步骤1)中四个当前距离值为(d₁，d₂，d₃，d₄)，四个距离偏差值为(Δd₁，Δd₂，Δd₃，Δd₄)，标定板上两个大孔的位置偏差为(Δx₁，Δy₁，Δx₂，Δy₂)，则六个监测点的初始坐标值分别为：

激光测距点：

大孔中心点：

X_Goal、Y_Goal、Z_Goal，分别表示监测点在目标坐标系下的X、Y、Z三个方向上的理论值；

采用奇异值分解求变换矩阵，将目标坐标值变换至当前坐标系：

激光测距点：

大孔中心点：

X′_Cur、Y′_Cur、Z′_Cur，分别表示监测点在当前坐标系下的X、Y、Z三个方向上的坐标值；

迭代上述过程求解变换矩阵，直至匹配误差收敛，获得当前的姿态偏差。

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