CN114719775A - 一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法及*** - Google Patents

一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法及***，方法包括：对测量单元进行标定得到标定结果；S2：根据预先设计的定位将待测运载火箭舱段固定在检测转台；根据待测运载火箭舱段的三维CAD模型，对待测运载火箭舱段的内、外表面进行自动化扫描路径规划；测量单元按照扫描路径依次对运载火箭舱段内、外表面按照预先划分的区域进行分区域测量，利用每一个扫描位姿下靶标球的坐标获取对应的转换矩阵，对扫描数据进行拼接；将预先划分的区域的扫描数据进行坐标***一获取运载火箭舱段内、外表面完整的形貌数据。本发明不需要对运载火箭舱段进行任何处理，直接利用设备的位姿变化进行拼接，重建的形貌数据精度高。

Description

一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法及***
技术领域
本发明涉及运载火箭舱段形貌重建技术领域，尤其涉及一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法及***。
背景技术
运载火箭是我国建设航天强国的重要标志，也是维护我国太空安全、推动我国太空探索向更加遥远深空拓展的战略工具。运载火箭的研制设计箭体结构***、动力***、控制***及地面发射***等关键组成，是个复杂的***工程。在整个箭体结构中，铆接舱段起到贮箱间连接及仪器设备安装载体的作用，是重要的承力部段，其尺寸巨大、结构复杂，是箭体结构研制与检测的一个难点，并且在目前的检测阶段的工艺很大程度上仍然依赖于工艺人员的经验；由于我国运载火箭箭体结构的研制一直采用串行模式，一旦其铆接舱段的形位偏差、整体偏差出现误差，直接会影响后续的装配等环节，导致返工成本高昂并且会耽误整个研制周期。因此对火箭整体自动化形貌重建和偏差检测方法与***的研究变得非常有意义。
现有的自动化扫描可以搭载激面扫描仪(相机和投影仪)对物体形貌进行重建，由于面扫描的视野范围有限，无法一次扫面就将物体完整的重建起来，因此需要将多次扫描数据进行拼接来获取一个完整的物体形貌数据。拼接精度决定扫面物体的最终测量精度，现有的拼接技术多采用标志点拼接或者物体特征拼接；采用标志点的拼接方式，需要人工在物体上贴一些可以识别的点类标志物；但这种方法需要浪费大量的人力，且对于表面不能处理的物体无法使用，因此不适用于火箭舱段扫描；采用物体特征的拼接方法只能应用于特征多其特征明显的物体，适用范围过于限制，不适用于没有特征的火箭舱段。
所以，现有技术中缺乏一种有效的火箭舱段的形貌重建方法及***。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明为了解决现有的问题，提供一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法及***。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法，包括如下步骤：S1：对测量单元进行标定得到所述标定结果，所述测量单元包括第一形貌测量单元、第二形貌测量单元和激光测量单元；所述第一形貌测量单元、所述第二形貌测量单元分别用于测量待测运载火箭舱段内外表面的形貌数据，均包括测量机器人和蓝光面扫描仪，所述测量机器人用于提供蓝光面扫面仪的不同位姿，所述蓝光面扫描仪，用于在每一个位姿下扫描所述运载火箭舱段的形貌数据；所述激光测量单元包括激光跟踪仪和靶标球，所述靶标球设置在所述蓝光面扫描仪上，所述激光跟踪仪用于获取每一个位姿下所述蓝光面扫描仪上的靶标球坐标；所述标定结果包括对所述蓝光面扫描仪、所述激光跟踪仪的内外参数进行标定、所述测量机器人和检测转台的标定；S2：根据预先设计的定位将所述待测运载火箭舱段固定在所述检测转台，所述检测转台用于提供所述测量机器人无法到达的空间位姿的转动自由度；S3：根据所述待测运载火箭舱段的三维CAD模型，对所述待测运载火箭舱段的内、外表面进行自动化扫描路径规划；S4：所述测量单元按照扫描路径依次对所述运载火箭舱段内、外表面按照预先划分的区域进行分区域测量，具体地：利用所述蓝光面扫描仪对所述运载火箭舱段的所述区域进行扫描获取三维形貌数据，并利用所述激光跟踪仪获取每一幅扫描位姿下所述蓝光面扫描仪上的所述靶标球的坐标，利用每一个扫描位姿下所述靶标球的坐标获取对应的转换矩阵，对扫描数据进行拼接；S5：将所述预先划分的区域的所述扫描数据进行坐标***一获取所述运载火箭舱段内、外表面完整的形貌数据。
优选地，还包括：在所述待测运载火箭舱段的同一个位置粘贴标志贴，所述测量单元定位所述标志贴并反求出所述待测运载火箭舱段的位置，将当前的所述待测运载火箭舱段位置调整到第一次扫描的所述待测运载火箭舱段的位置，利用第一次对所述待测运载火箭舱段记录的扫描位置和检测步骤构造的模板文件对后续所述待测运载火箭舱段进行检测。
优选地，对所述运载火箭舱段内、外表面预先划分为四个均等的区域进行分区域测量。
优选地，步骤S4中对扫描数据进行拼接包括局部数据的拼接或对齐：固定所述激光跟踪仪在空间中的坐标为XYZ、W为中心位置，获取所述蓝光面扫描仪的三个位姿下所述靶标球的坐标，分别以所述靶标球为中心建立坐标系x0-y0-z0、x1-y1-z1、x2-y2-z2，分别记各自的位置下跟踪得到相对于所述激光跟踪仪的绝对位姿分别为[R|T]0、[[R|T]1、[R|T]2、扫描得到的所述待测运载火箭舱段的局部点云数据为P0、P1、P2，三幅点云之间的相对位姿分别为[[R|T]0-1和[R|T]1-2，则局部点云之间的对齐依靠坐标转换来完成，具体如下：
Figure BDA0003583050110000031
P0-1＝R0-1·P1+T0-1·P0
Figure BDA0003583050110000032
P1-2＝R1-2·P2+T1-2·P1
优选地，将所述预先划分的区域的所述扫描数据进行坐标***一获取所述运载火箭舱段内、外表面完整的形貌数据包括：对内表面或外表面扫描第一个所述区域时，利用所述蓝光面扫描仪获取所述检测转台上的编码标志点进行摄影测量，获取所述编码标志点的坐标值；在每一个所述区域内扫描时，所述激光跟踪仪保持不动，利用所述蓝光面扫描仪获取当前所述区域的编码标志点的当前坐标，利用对应ID的编码标志点求出一个转换矩阵[R|T]3，后利用所述转换矩阵将所述第二个所述区域的点云P4与第一个所述区域的点云P3进行自动对齐：
P3＝R3·P4+T3·P4。
优选地，当完成所述运载火箭舱段的内表面的扫描切换到外表面的扫描时，或，完成所述运载火箭舱段外表面的扫描切换到内表面的扫描时，对所述激光跟踪仪进行转站操作；转站时保持所述激光跟踪仪的测量头位置不变，根据转站前、后所述测量头在所述激光跟踪仪的位置解算出转站后所述激光跟踪仪在转站前的转换矩阵，利用所述转换矩阵将所述运载火箭舱段的内、外表面的数据对齐及统一得到内、外表面所述完整的形貌数据PA：
PA＝R·Pout+T+Pin
其中，外表面扫描的数据为Pout，内表面扫描的数据为Pin。
优选地，还包括：利用误差损失约束将根据所述完整的形貌数据得到的测量模型和对应的三维CAD模型进行配准，进行偏差测量。
优选地，还包括：记所述测量模型为X1，对应的三维CAD模型为X2，对于所述测量模型和对应的三维CAD模型的配准，先进行粗配准，通过对两幅数据进行奇异值分解，整体解算转换矩阵，将两幅点云进行初始对齐；
然后，采用迭代最近点法进行精配准，以最近点之间的欧式距离为误差评估量，对两幅数据的空间位置不断的进行优化迭代直到收敛；若令E为ICP法的损失函数，则有：
Figure BDA0003583050110000041
其中，n为评估点数。
优选地，包括：舱段单元，用于固定不同尺寸的待测运载火箭舱段；测量单元，包括包括第一形貌测量单元、第二形貌测量单元和激光测量单元；所述第一形貌测量单元、所述第二形貌测量单元分别用于测量运载火箭舱段内外表面的形貌数据，均包括测量机器人和蓝光面扫描仪，所述测量机器人用于提供蓝光面扫面仪的不同位姿，所述蓝光面扫描仪，用于在每一个位姿下扫描所述运载火箭舱段的形貌数据；所述激光测量单元包括激光跟踪仪和靶标球，所述靶标球设置在所述蓝光面扫描仪上，所述激光跟踪仪用于获取每一个位姿下所述蓝光面扫描仪上的靶标球坐标；滑台单元，用于控制所述测量单元的移动；检测转台单元，用于控制所述待测运载火箭舱段的360°旋转；处理单元，用于实现如上任一所述的方法。
优选地，还包括多节升杆；所述多节升杆上设置一个底座，所述底座与所述测量机器人进行固连，所述测量机器人通过所述多节连杆进行上下垂直方向的运动。
本发明的有益效果为：提供一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法及***，通过激光扫描仪和面扫描仪组合成三维扫描测量，在面扫面仪上设置标志物，利用激光跟踪仪(外部设备)获取标志物的信息进行拼接，不需要对运载火箭舱段进行任何处理，直接利用设备的位姿变化进行拼接，重建的形貌数据精度高。
附图说明
图1是本发明实施例中一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法的示意图。
图2是本发明实施例中一种运载火箭舱段自动化形貌重建***的示意图。
图3是本发明实施例中一种运载火箭舱段自动化形貌重建流程的示意图。
图4是本发明实施例中又一种运载火箭舱段自动化形貌重建流程的示意图。
图5(a)-图5(c)是本发明实施例中为编码标志点辅助不同舱段初始定位的示意图。
图6是本发明实施例中待测运载火箭舱段的扫描路径的示意图。
图7是本发明实施例中蓝光面扫描仪上布设靶标球的示意图。
图8是本发明实施例中测量单元的扫描示意图。
图9是本发明实施例中运载火箭舱段外表面分区扫描示意图。
图10是本发明实施例中运载火箭舱段内、外表面坐标转换与数据统一的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“项”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
基于现有技术中的不足，本发明采用光学非接触方案解决运载火箭舱段三维全场形位偏差测量的问题。在本发明需要在运载火箭舱段的直径2.25～5m、高2～3m的大视场及圆周幅面条件下，测量运载火箭舱段的内、外表面。本发明通过2组形貌测量单元在不同时间段各自测量内、外表面的整体形貌，将测量数据对齐在同一坐标系下；同时，解决舱段大幅面且上下料涉及的舱段与人员安全问题；兼顾舱段总重6.5t且壁厚仅8mm的易损特点，快速地调整测量单元的初始扫描位置，避免舱段因位置调整引起的安全隐患，便于现场快速、安全的流水化检测；进一步地，本发明完成运载火箭舱段的形貌数据重建，对整体偏差以及形位偏差的检测达到舱段设计的检测应用标准要求。
如图1所示，本发明提供一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法，包括如下步骤：
S1：对测量单元进行标定得到所述标定结果，所述测量单元包括第一形貌测量单元、第二形貌测量单元和激光测量单元；
所述第一形貌测量单元、所述第二形貌测量单元分别用于测量待测运载火箭舱段内、外表面的形貌数据，均包括测量机器人和蓝光面扫描仪，所述测量机器人用于提供蓝光面扫面仪的不同位姿，所述蓝光面扫描仪，用于在每一个位姿下扫描所述运载火箭舱段的形貌数据；
所述激光测量单元包括激光跟踪仪和靶标球，所述靶标球设置在所述蓝光面扫描仪上，所述激光跟踪仪用于获取每一个位姿下所述蓝光面扫描仪上的靶标球坐标；
所述标定结果包括对所述蓝光面扫描仪、所述激光跟踪仪的内外参数进行标定、所述测量机器人和检测转台的标定；
S2：根据预先设计的定位将所述待测运载火箭舱段固定在所述检测转台，所述检测转台用于提供所述测量机器人无法到达的空间位姿的转动自由度；
S3：根据所述待测运载火箭舱段的三维CAD模型，对所述待测运载火箭舱段的内、外表面进行自动化扫描路径规划；
S4：所述测量单元按照扫描路径依次对所述运载火箭舱段内、外表面按照预先划分的区域进行分区域测量，具体地：利用所述蓝光面扫描仪对所述运载火箭舱段的所述区域进行扫描获取三维形貌数据，并利用所述激光跟踪仪获取每一幅扫描位姿下所述蓝光面扫描仪上的所述靶标球的坐标，利用每一个扫描位姿下所述靶标球的坐标获取对应的转换矩阵，对扫描数据进行拼接；
S5：将所述预先划分的区域的所述扫描数据进行坐标***一获取所述运载火箭舱段内、外表面完整的形貌数据。
本发明通过两组形貌测量单元与激光测量单元结合，在每个形貌测量单元独立工作测量待测运载火箭舱段的内外表面的形貌数据时将各扫描区域数据进行即时拼接，再通过激光测量单元一次转站完成内、外表面的转换参数确定，最终获得火箭舱段完整的三维形貌，对整体偏差以及形位偏差的检测达到舱段设计的检测应用标准要求。
为了实现本发明的方法，本发明还提供一种运载火箭舱段自动化形貌重建***，包括：
舱段单元，用于固定不同尺寸的待测运载火箭舱段；
测量单元，包括第一形貌测量单元、第二形貌测量单元和激光测量单元；所述第一形貌测量单元、所述第二形貌测量单元分别用于测量运载火箭舱段内外表面的形貌数据，均包括测量机器人和蓝光面扫描仪，所述测量机器人用于提供蓝光面扫面仪的不同位姿，所述蓝光面扫描仪，用于在每一个位姿下扫描所述运载火箭舱段的形貌数据；所述激光测量单元包括激光跟踪仪和靶标球，所述靶标球设置在所述蓝光面扫描仪上，所述激光跟踪仪用于获取每一个位姿下所述蓝光面扫描仪上的靶标球坐标；
滑台单元，用于控制所述测量单元的移动；
检测转台单元，用于控制所述待测运载火箭舱段的360°旋转；
处理单元，用于实现本发明任一所述的方法。
如图2所示的运载火箭舱段自动化形貌重建***中，舱段单元，用于固定3种不同尺寸的待测运载火箭舱段：5m运载火箭舱段1、3.35m运载火箭舱段2和2.25m运载火箭舱段3，滑台单元包括垂直直线滑轨5和水平直线滑轨6；测量单元包括激光跟踪仪4、外部测量机器人7和内部测量机器人10。
进一步的，本发明的***还包括上下料定位块单元，用于辅助测量人员定位，将运载火箭舱段放置在合适的测量圆周上，实现快速安装和拆卸，便于现场上料作业；
防撞立柱单元，用于防止上下料过程中的碰撞；
防护框架单元8，用于防止检测过程中有人员进入，***会自动停止检测，保护安全；
电气控制单元9，用于控制整个***电气设备；
检测单元，用于对运载火箭舱段形貌重建后的数据进行一些偏差检测；
其中，通过蓝光扫描仪扫描的数据、拼接完整的形貌数据以及整个检测过程统一由计算机进行数据计算和显示，检测转台单元运动控制是通过串口通信、机器人控制是通过TCP/IP网络协议与计算机进行连接；舱段单元固定在检测转台单元上，测量机器人固定在测量直线滑台模块上，激光跟踪仪固定在激光跟踪仪直线滑台模块上，蓝光扫描仪模块与测量机器人模块固连。
如图3和图4所示的本发明的流程，如下将对本发明的方法进行详细阐述。
在步骤S1中，对整个***进行标定，包括蓝光扫描仪的相机和投影标定、激光跟踪仪和蓝光面扫描的关系进行标定、测量机器人和检测转台标定；
在步骤S2中，根据预先设计的定位将所述待测运载火箭舱段固定在检测转台，所述检测转台用于提供所述测量机器人无法到达的空间位姿的转动自由度。
在一种具体的实施例中，对火箭舱段进行上料，根据火箭舱段的上下料路线和安全防护问题，特别设计了一种柔性安全防护结构，在测量单元四周安装了四根柔性防护杆，材质可选用橡胶等，四根防护杆形成了一个防护圈，在吊车下放舱段时防止舱段与测量设备发生碰撞。同时针对舱段的不同外径尺寸了设计了两个间隔的定位块，用于吊车下放时辅助试验人员定位，将舱段放置在合适的测量圆周上。以直径5m、高3m的火箭舱段为例，不同直径的舱段有不同的定位块，定位块下端通过凸块卡进凹槽来实现自身定位，并约束了自身的5个自由度，仅可通过向上的拉力拔出，实现快速安装和拆卸，便于现场上料作业。
利用舱段预定位技术主要保证后续检测的舱段和第一个舱段处于同一个位置，并保证舱段在轴线方向不发生旋转；在上下料过程当中，采用定位块能够保证火箭舱段的对中性，但是无法保证后续检测的舱段和第一个舱段处于同一个位置，舱段在轴线方向可能发生旋转。针对旋转定位，本发明设计了一个标志贴，用户在检测前只需要在舱段的同一个位置粘贴这个标志贴，***会自动定位其中的标志点，并反求出当前机械设备的位置，将当前的机械设备位置调整到第一次扫描的位置当中，这样可以利用第一次首件检测模板对后续舱段执行批量检测。
在本发明的一种实施例中，本发明的方法还包括：
在所述待测运载火箭舱段的同一个位置粘贴标志贴，所述测量单元定位所述标志贴并反求出所述待测运载火箭舱段的位置，将当前的所述待测运载火箭舱段位置调整到第一次扫描的所述待测运载火箭舱段的位置，利用第一次对所述待测运载火箭舱段记录的扫描位置和检测步骤构造的模板文件，对后续所述待测运载火箭舱段进行检测。
如图5(a)-图5(c)所示，为编码标志点辅助不同舱段初始定位的示意图，图5(a)为一个标志编码原理及实物，由一个中心圆和四周的环形编码段组成，编码段上将圆周分为n份，一般n等于10、12或15，空白份编码为0，非空白份编码为1。要求编码标志具有旋转不变性，一般为防止磨损、混淆等引起的识别错误，往往去掉1/2/3的编码。为了满足舱段的保真度需要，特制相同的几个编码点附着在不同的舱段上，用于上料后的测量单元即时调整。避免舱段活动，减少安全隐患。图5(b)、图5(c)分别为编码标志点定心不同舱段扫描时的测头调整的示意图。
在步骤S3中，根据待测运载火箭舱段的三维CAD模型，对火箭舱段内外表面进行自动化路径规划保证全方位扫描；考虑到发明的方法需要兼容较小半径尺寸(2m)和较高垂直高度(3.35m)的待测火箭舱段，本发明采用了工业机器人和多节升杆组合的形式，多节升杆上设置一个底座，底座与测量机器人进行固连，测量机器人通过多节连杆进行上下垂直方向的运动，工业机器人可以解决在小尺寸舱段内表面检测时，运动受限制的问题；多节升杆可以解决较高垂直高度的火箭舱段检测的问题；多节的设计可以保证待测舱段在上料的时候执行较低的提升距离，保证上下料稳定进行。机械臂的臂展决定了可伸展距离，如外表面测量用KR_30_R2100_V01型，臂展在2.1m以上，搭载较大幅面(600×480mm2)的形貌测量单元，完成火箭舱段内、外表面的分别测量。
如图6所示，根据模型的三维CAD模型自动规划出待测运载火箭舱段的扫描路径，本发明的***控制测量机器人和照预定的扫描路径点11形成运动路径轨迹12对待测运载火箭舱段13执行扫描重建。自动规划的扫描路径会在仿真软件当中进行虚拟仿真，保证按照该路径实际检测当中***不会发生碰撞。
步骤S4中，在本发明的一种实施例中，对所述运载火箭舱段内、外表面预先划分为四个均等的区域进行分区域测量。
在一种具体的实施例中，由于火箭舱段尺寸较大，对火箭舱段按90°分四个区域进行扫描，利用蓝光面扫描仪对火箭舱段进行扫描，获取三维形貌数据，并利用激光跟踪仪获取每一幅扫描位姿下面扫描仪上的靶标球的坐标，利用每一个扫描位姿下靶标球的坐标获取对应的转换矩阵，对扫描数据进行拼接。
激光跟踪仪用于向外辐射激光光束，激光测量单元的另一部分则是布置在目标上的靶标球，靶标球将激光跟踪仪上发出的激光光束反射回接受器，经过计算后即可得到目标的距离与姿态信息。
如图7所示，为蓝光面扫描仪上布设靶标球的示意图，靶标球实物规格在0.5”～1.5”，材质为高反射率的空心铝镜或12实心玻璃，其光学中心误差小至±2.5um，工作距离超过40m，具有良好的跟踪定位性能。本发明的激光测量单元在蓝光面扫描仪的圆周均布至少6个靶标球，保证蓝光面扫描仪任意姿态下总有一定数量的靶标球能被跟踪到，从而用于局部数据的拼接和整体数据整合。对于火箭舱段面型大、幅面大且需要全场比对的测量问题，需要对内、外圆周表面进行密集重建，因此通过激光跟踪单元实时跟踪形貌测量单元的空间位姿，将每次扫描的结果进行对齐，从而实现舱段形貌完整重建，便于全场偏差检测。
下面以内表面的扫描为例说明局部数据的拼接或对齐过程。
如图8所示，固定激光跟踪仪在空间中的坐标为XYZ，W为中心位置，获取所述蓝光面扫描仪的三个位姿下所述靶标球的坐标，在三种位置下以靶标球为中心分别建立坐标系x0-y0-z0、x1-y1-z1、x2-y2-z2，记各自的位置下跟踪得到相对于激光跟踪仪的绝对位姿分别为[R|T]0、[[R|T]1、[R|T]2，各自扫描得到的舱段内表面局部点云数据为P0、P1、P2，三幅点云之间的相对位姿分别为[[R|T]0-1和[R|T]1-2，则局部点云之间的对齐依靠坐标转换来完成，具体如下：
Figure BDA0003583050110000101
根据式(1)，以P0和P1的数据对齐为例，则有
P0-1＝R0-1·P1+T0-1·P0 (2)
拼接得到的点云数据P0-1的中间部分存在少量的重叠区域，该区域会进一步处理。
同理可得如下转换：
Figure BDA0003583050110000111
P1-2＝R1-2·P2+T1-2·P1 (4)
拼接得到的点云数据P1-2的中间部分存在少量的重叠区域，该区域会进一步处理。
在步骤S5中，将四个扫描区域下的扫描数据进行坐标***一，获取整个舱段完整的形貌数据；
对内表面或外表面扫描第一个所述区域时，利用所述蓝光面扫描仪获取所述检测转台上的编码标志点进行摄影测量，获取所述编码标志点的坐标值；
在每一个所述区域内扫描时，所述激光跟踪仪保持不动，利用所述蓝光面扫描仪获取当前所述区域的编码标志点的当前坐标，利用对应ID的编码标志点求出一个转换矩阵[R|T]3，后利用所述转换矩阵将所述第二个所述区域的点云P4与第一个所述区域的点云P3进行自动对齐：
P3＝R3·P4+T3·P4 (5)
如图9所示，是运载火箭舱段外表面分区扫描示意图，先对火箭舱段的外表面区域进行分区域扫描，获得火箭舱段的点云，对点云进行网格化得到点云数据网格化。在扫描测量中，***先重建火箭舱段的外表面区域，外表面区域划分区域，扫描第一个区域时，利用面扫描仪获取对转盘上的编码标志点进行摄影测量，获取编码标志点的坐标值，在每一个子区域内扫描时，激光跟踪仪保持不动，利用面扫描仪获取当前区域的编码标志点的当前坐标，利用对应ID的编码标志点求出一个转换矩阵[R|T]3，后利用此转换矩阵对区域2点云P4的扫描数据与区域1的点云P3进行自动对齐。
完成当前区域扫描以后，转台带动测量头转动90度，进行下一个子区域检测。
在本发明的一种实施例中，当完成所述运载火箭舱段的内表面的扫描切换到外表面的扫描时，或，完成所述运载火箭舱段外表面的扫描切换到内表面的扫描时，对所述激光跟踪仪进行转站操作；
转站时保持所述激光跟踪仪的测量头位置不变，根据转站前、后所述测量头在所述激光跟踪仪的位置解算出转站后所述激光跟踪仪在转站前的转换矩阵，利用所述转换矩阵将所述运载火箭舱段的内、外表面的数据对齐及统一得到内、外表面所述完整的形貌数据PA：
PA＝R·Pout+T+Pin (6)
其中，外表面扫描的数据为Pout，内表面扫描的数据为Pin。
具体地，当***由外表面扫描切换到内表面扫描的时候，滑块进行转动，将激光跟踪仪移动到火箭舱段的中心上方位置，进行内部扫描数据拼接。切换内外表面扫描时，需要对激光跟踪仪进行转站操作，转站时需要保持测量头位置不变，根据转站前、后测量头在激光跟踪仪的位置，解算出转站后，激光跟踪仪在转站前的转换矩阵，利用该矩阵实现模型内外表面的数据对齐及统一。
如图10所示，先对火箭舱段的内表面进行重建然后转站对火箭舱段的外表面进行重建得到火箭舱段的整体形貌。
在本发明的另一种实施例中，本发明的方法还包括如下步骤：
步骤S6：利用误差损失约束将所述待测运载火箭舱段的实际扫描的形貌数据和三维CAD模型进行配准，进行偏差测量、获取测量报告；
获得的测量报告方便用户查看。
三维CAD模型与实际模型之间配准由于实际工件加工有一定的误差，所以二者会相交在一起。
记舱段测量数据为X1，CAD模型为X2，对于火箭舱段测量数据和CAD模型的配准，先进行粗配准，通过对两幅数据进行SVD分解(奇异值分解)，整体解算转换矩阵，然后将两幅点云进行初始对齐；接着进行精配准，在粗配准的基础上，两幅数据已统一在同一坐标系下，选用ICP法(迭代最近点法)，该方法针对进行了粗配准的数据具有很好的效果，以最近点之间的欧式距离为误差评估量，对两幅数据的空间位置不断的进行优化迭代直到收敛。若令E为ICP法的损失函数，则：
Figure BDA0003583050110000121
其中，n为评估点数。经过粗、精配准之后，即可进行后续的偏差比对和显示。CAD模型和实际扫描的模型坐标系存在微小差异，但本发明中利用自己研发的检测***，支持模型对齐配准操作，可以根据特征将不同模型对齐到同一个世界坐标系当中。
经过测量数据与舱段三维CAD设计模型配准后，可计算出实际扫描模型和CAD设计模型之间的偏差情况，该偏差会以彩色色谱的形式在软件中的三维界面显示。本发明自研的检测***提供多种功能：
(1)扫描模型和标称CAD模型之间的整体偏差显示。偏差采用3Sigma显示效果，支持调节右侧色谱栏，修改偏差显示的效果。***支持在整体偏差结果当中进行偏差标注，用户可以在色谱图上标注出感兴趣的地方，如色谱偏差比较大的区域。偏差标注默认标记该点的偏差值，底色显示该点的偏差值是否超过设定的公差带。偏差标注结果可以作为表格项添加到检测报告当中。
(2)截面以及几何尺寸检测。检测***提供2D截面偏差检测功能，支持在该偏差色谱当中标注出感兴趣的区域。提供几何体构造功能，如点、线、面、圆、圆柱、圆锥、球等几何体。构造方式支持采用参数构造，以及通过套索框选择扫描的网格模型进行最佳拟合构造。***支持几何体之间的尺寸信息进行测量，可以获得长度、半径、角度等参数信息。
(3)形位公差检测。***可以计算出平面度、圆柱度、圆度、直线度、垂直度、平行度、倾斜度、位置度等形位误差量。圆柱度检测结果可以显示检测色谱和形位误差值，并根据设定的形位公差判断检测结构是否合格。
(4)生成检测报告。用户可以在检测的过程中随时添加报告页。报告页的内容分为图片项和表格项，添加图片内容时，***会自动截取当前软件界面中的图像作为报告的内容；添加数据项，***支持输入已经完成的偏差检测数据，数据项包括偏差标注值或测量值。
提供一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法及***，通过激光扫描仪和面扫描仪组合成三维扫描测量，在面扫面仪上设置标志物，利用激光跟踪仪(外部设备)获取标志物的信息进行拼接，不需要对运载火箭舱段进行任何处理，直接利用设备的位姿变化进行拼接，重建的形貌数据精度高。
现有技术中，直接利用面扫描进行扫描拼接的方法误差平均为0.2mm，采用本发明方法的误差平均在0.1mm以内，有效提高重建精度。
本申请实施例还提供一种控制装置，包括处理器和用于存储计算机程序的存储介质；其中，处理器用于执行所述计算机程序时至少执行如上所述的方法。
本申请实施例还提供一种存储介质，用于存储计算机程序，该计算机程序被执行时至少执行如上所述的方法。
本申请实施例还提供一种处理器，所述处理器执行计算机程序，至少执行如上所述的方法。
所述存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备、或者它们的组合来实现。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，ErasableProgrammable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory)、磁性随机存取存储器(FRAM，FerromagneticRandom Access Memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，SynchronousStatic Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random AccessMemory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，Synchronous Dynamic Random AccessMemory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double Data RateSynchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAMEnhanced Synchronous Dynamic Random Access Memory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，Sync Link Dynamic Random Access Memory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。
本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。
本申请所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种运载火箭舱段自动化形貌重建方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对测量单元进行标定得到标定结果，所述测量单元包括第一形貌测量单元、第二形貌测量单元和激光测量单元；
所述第一形貌测量单元、所述第二形貌测量单元分别用于测量待测运载火箭舱段内、外表面的形貌数据，均包括测量机器人和蓝光面扫描仪，所述测量机器人用于提供蓝光面扫面仪的不同位姿，所述蓝光面扫描仪，用于在每一个位姿下扫描所述运载火箭舱段的形貌数据；
所述激光测量单元包括激光跟踪仪和靶标球，所述靶标球设置在所述蓝光面扫描仪上，所述激光跟踪仪用于获取每一个位姿下所述蓝光面扫描仪上的靶标球坐标；
所述标定结果包括对所述蓝光面扫描仪、所述激光跟踪仪的内外参数进行标定、所述测量机器人和检测转台的标定；
S2：根据预先设计的定位将所述待测运载火箭舱段固定在所述检测转台，所述检测转台用于提供所述测量机器人无法到达的空间位姿的转动自由度；
S3：根据所述待测运载火箭舱段的三维CAD模型，对所述待测运载火箭舱段的内、外表面进行自动化扫描路径规划；
S4：所述测量单元按照扫描路径依次对所述运载火箭舱段内、外表面按照预先划分的区域进行分区域测量，具体地：利用所述蓝光面扫描仪对所述运载火箭舱段的所述区域进行扫描获取三维形貌数据，并利用所述激光跟踪仪获取每一幅扫描位姿下所述蓝光面扫描仪上的所述靶标球的坐标，利用每一个扫描位姿下所述靶标球的坐标获取对应的转换矩阵，对扫描数据进行拼接；
S5：将所述预先划分的区域的所述扫描数据进行坐标***一获取所述运载火箭舱段内、外表面完整的形貌数据。
2.如权利要求1所述的运载火箭舱段自动化形貌重建方法，其特征在于，还包括：
在所述待测运载火箭舱段的同一个位置粘贴标志贴，所述测量单元定位所述标志贴并反求出所述待测运载火箭舱段的位置，将当前的所述待测运载火箭舱段位置调整到第一次扫描的所述待测运载火箭舱段的位置，利用第一次对所述待测运载火箭舱段记录的扫描位置和检测步骤构造的模板文件对后续所述待测运载火箭舱段进行检测。
3.如权利要求1所述的运载火箭舱段自动化形貌重建方法，其特征在于，对所述运载火箭舱段内、外表面预先划分为四个均等的区域进行分区域测量。
4.如权利要求3所述的运载火箭舱段自动化形貌重建方法，其特征在于，步骤S4中对扫描数据进行拼接包括局部数据的拼接或对齐：
固定所述激光跟踪仪在空间中的坐标为XYZ、W为中心位置，获取所述蓝光面扫描仪的三个位姿下所述靶标球的坐标，分别以所述靶标球为中心建立坐标系x0-y0-z0、x1-y1-z1、x2-y2-z2，分别记各自的位置下跟踪得到相对于所述激光跟踪仪的绝对位姿分别为[R|T]0、[[R|T]1、[R|T]2、扫描得到的所述待测运载火箭舱段的局部点云数据为P0、P1、P2，三幅点云之间的相对位姿分别为[[R|T]0-1和[R|T]1-2，则局部点云之间的对齐依靠坐标转换来完成，具体如下：
Figure FDA0003583050100000021
P0-1＝R0-1·P1+T0-1·P0
Figure FDA0003583050100000022
P1-2＝R1-2·P2+T1-2·P1
5.如权利要求4所述的运载火箭舱段自动化形貌重建方法，其特征在于，将所述预先划分的区域的所述扫描数据进行坐标***一获取所述运载火箭舱段内、外表面完整的形貌数据包括：
对内表面或外表面扫描第一个所述区域时，利用所述蓝光面扫描仪获取所述检测转台上的编码标志点进行摄影测量，获取所述编码标志点的坐标值；
在每一个所述区域内扫描时，所述激光跟踪仪保持不动，利用所述蓝光面扫描仪获取当前所述区域的编码标志点的当前坐标，利用对应ID的编码标志点求出一个转换矩阵[R|T]3，后利用所述转换矩阵将所述第二个所述区域的点云P4与第一个所述区域的点云P3进行自动对齐：
P3＝R3·P4+T3·P4。
6.如权利要求5所述的运载火箭舱段自动化形貌重建方法，其特征在于，当完成所述运载火箭舱段的内表面的扫描切换到外表面的扫描时，或，完成所述运载火箭舱段外表面的扫描切换到内表面的扫描时，对所述激光跟踪仪进行转站操作；
转站时保持所述激光跟踪仪的测量头位置不变，根据转站前、后所述测量头在所述激光跟踪仪的位置解算出转站后所述激光跟踪仪在转站前的转换矩阵，利用所述转换矩阵将所述运载火箭舱段的内、外表面的数据对齐及统一得到内、外表面所述完整的形貌数据PA：
PA＝R·Pout+T+Pin
其中，外表面扫描的数据为Pout，内表面扫描的数据为Pin。
7.如权利要求6所述的运载火箭舱段自动化形貌重建方法，其特征在于，还包括：
利用误差损失约束将根据所述完整的形貌数据得到的测量模型和对应的三维CAD模型进行配准，进行偏差测量。
8.如权利要求7所述的运载火箭舱段自动化形貌重建方法，其特征在于，还包括：
记所述测量模型为X1，对应的三维CAD模型为X2，对于所述测量模型和对应的三维CAD模型的配准，先进行粗配准，通过对两幅数据进行奇异值分解，整体解算转换矩阵，将两幅点云进行初始对齐；
然后，采用迭代最近点法进行精配准，以最近点之间的欧式距离为误差评估量，对两幅数据的空间位置不断的进行优化迭代直到收敛；若令E为ICP法的损失函数，则有：
Figure FDA0003583050100000031
其中，n为评估点数。
9.一种运载火箭舱段自动化形貌重建***，其特征在于，包括：
舱段单元，用于固定不同尺寸的待测运载火箭舱段；
测量单元，包括包括第一形貌测量单元、第二形貌测量单元和激光测量单元；所述第一形貌测量单元、所述第二形貌测量单元分别用于测量运载火箭舱段内外表面的形貌数据，均包括测量机器人和蓝光面扫描仪，所述测量机器人用于提供蓝光面扫面仪的不同位姿，所述蓝光面扫描仪，用于在每一个位姿下扫描所述运载火箭舱段的形貌数据；所述激光测量单元包括激光跟踪仪和靶标球，所述靶标球设置在所述蓝光面扫描仪上，所述激光跟踪仪用于获取每一个位姿下所述蓝光面扫描仪上的靶标球坐标；
滑台单元，用于控制所述测量单元的移动；
检测转台单元，用于控制所述待测运载火箭舱段的360°旋转；
处理单元，用于实现如权利要求1-8任一所述的方法。
10.如权利要求9所述的运载火箭舱段自动化形貌重建***，其特征在于，还包括多节升杆；
所述多节升杆上设置一个底座，所述底座与所述测量机器人进行固连，所述测量机器人通过所述多节连杆进行上下垂直方向的运动。
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