基于激光雷达和室内gps系统的飞机大尺寸测量系统及方法
阅读说明：本技术 基于激光雷达和室内gps系统的飞机大尺寸测量系统及方法 (Airplane large-size measurement system and method based on laser radar and indoor GPS (global positioning system) ) 是由 张刚 董富 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统,包括安装有机器人的AGV小车、夹持在机器人机械手臂末端的激光雷达和标准坐标系参考板以及室内GPS系统；所述室内GPS系统建立有全局坐标系Q；所述室内GPS系统监测标准坐标系参考板在室内GPS系统建立全局坐标系Q下的位姿。本发明的目的是克服现有技术存在的测量效率低、转站频繁导致测量精度低等缺陷,提供一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统及方法。(The invention relates to an aircraft large-size measuring system based on a laser radar and an indoor GPS system, which comprises an AGV trolley provided with a robot, a laser radar clamped at the tail end of a mechanical arm of the robot, a standard coordinate system reference plate and the indoor GPS system, wherein the reference plate is a standard coordinate system reference plate; the indoor GPS system is provided with a global coordinate system Q; and the indoor GPS system monitors the position of the reference plate of the standard coordinate system under the global coordinate system Q established by the indoor GPS system. The invention aims to overcome the defects of low measurement efficiency, low measurement precision caused by frequent station transfer and the like in the prior art, and provides a large-size airplane measurement system and method based on a laser radar and an indoor GPS system.)
技术领域
本发明涉及机器视觉领域，尤其涉及一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统及方法。
背景技术
随着我国先进制造技术的发展，数字化测量技术已经广泛地应用在航天、航空、船舶制造等领域。尤其是数字化大尺寸测量系统已经逐渐应用到飞机大尺寸工件的加工和装配过程中，其利用数字化测量系统的高精度测量提升飞机的装配精度。
数字化大尺寸测量技术目前主要分为接触式测量和非接触式测量，接触式测量主要包括激光跟踪仪和室内GPS测量，非接触式测量主要包括电子经纬仪测量系统、数字近景工业测量系统、激光雷达测量系统。对飞机大构件表面进行测量时，首选的应该是激光雷达这种非接触式测量方式，因为激光雷达能够快速准确的进行大范围的测量，但是激光雷达的缺点在于激光雷达的水平和竖直角度测量范围都有限制，需要频繁的进行转站操作，这样会引入由于转站带来的累计误差。此外目前测量系统一般都需要占据大量的空间，而且不具备机动性。对于飞机制造装配车间而言，可移动的测量系统对于飞机大构件测量是迫切需要的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统及方法，该系统和方法以室内GPS系统的全局坐标系作为全局坐标系，将激光雷达在多个站位的测量数据全部转换到全局坐标系中，减少了由于转站而产生的累计误差，同时由于使用AGV小车加机器人的方式携带激光雷达进行扫描，测量灵活，满足飞机制造装配车间对于空间的要求。
实现本发明目的的技术方案是：一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统，包括安装有机器人的AGV小车、夹持在机器人机械手臂末端的激光雷达和标准坐标系参考板以及室内GPS系统；所述室内GPS系统建立有全局坐标系Q；所述室内GPS系统监测标准坐标系参考板在室内GPS系统建立的全局坐标系Q下的位姿。
优选地，飞机大尺寸测量系统工作时所述激光雷达和标准坐标系参考板之间的相对位姿保持不变。
优选地，所述激光雷达可建立一个激光雷达坐标系L。
优选地，所述标准坐标系参考板上布置有三个球形接收器；三个所述球形接收器的球心可建立一个标准参考坐标系S。
优选地，三个所述球形接收器的连线呈直角，且直角两端处的球形接收器到直角处球形接收器的距离不同。
优选地，所述室内GPS系统包括IGPS发射器、分别布置于室内和标准坐标系参考板上的球形接收器及中央处理器；所述IGPS发射器布置在室内空间的多个位置处。
一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量方法，包括上述基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统；还包括以下步骤：
步骤一：室内GPS系统标定，室内GPS系统标定各个IGPS发射器之间的关系，建立飞机大尺寸测量系统的全局坐标系Q；
步骤二：通过激光雷达坐标系L和标准参考坐标系S标定来确定激光雷达坐标系L相对于标准参考坐标系S之间的位姿关系STL：
步骤三：AGV小车携带激光雷达扫描飞机构件进行数据采集，激光雷达在多个站位扫描得到点云数据，随后将点云数据转换到标准参考坐标系S中；
步骤四：实时识别标准参考坐标系S在全局坐标系Q中的位姿；
步骤五：将采集到的点云数据全部转换到全局坐标系Q下
步骤六：通过中央处理器对点云数据进行处理，即可完成对飞机大构件的测量。
优选地，所述步骤二中STL的计算公式为：
LTS＝LTQ*QTS
STL＝LTS -1
LTQ代表全局坐标系Q相对于激光雷达坐标系L之间的位姿关系,QTS代表标准参考坐标系S相对于全局坐标系Q之间的位姿关系。
优选地，所述QTS的求解过程为：设三个球形接收器在全局坐标系Q下的坐标分别为(xA,yA,zA)，(xB,yB,zB)，(xC,yC,zC)。以B点为圆心建立全局坐标系Q，AB为标准参考坐标系S的X轴，于是就有：
以A、B、C三点建立的标准参考坐标系S相对于全局坐标系Q的位姿关系QTS；
其中p＝(xB,yB,zB)。
优选地，所述LTQ的求解过程为：在室内空间合适位置放置20个球形接收器，保证这个球形接收器可以被激光雷达扫描到，同时也可以获得他们在室内全局坐标系Q下的坐标，将测得的组点对使用SVD法求解全局坐标系Q和激光雷达坐标系L之间的位姿关系，求解方法如下：
假设有两个点组pi和qi，其中pi代表这20个球形接收器在激光雷达下的点组坐标、qi代表这20个球形接收器在全局坐标系下的点组坐标，如果是用SVD分解法来求解这两个点组的矩阵关系，那么前提假设必须是这两个点组质心重合，若分别用来表示点组pi和qi的质心，于是就有：
其中pi、qi、是3行1列的向量，代表某点的x，y，z坐标。
根据质心重合的假设，我们有：
然后令：
最后构件最小二乘函数求解：
SVD分解算法流程为：
(1)根据pi、qi计算pi'和qi'
(2)计算3×3矩阵
其中pi'和qi'是3行1列的向量；
(3)对H进行SVD分解
H＝USVT
(4)计算X＝VUT
(5)计算X的行列式det(X)
若det(X)＝1，R＝X；若det(X)＝-1，算法失败；在得到旋转矩阵R之后，平移矩阵t可以通过如下公式计算：
至此求出LTQ，根据LTS＝LTQ*QTS，标定出标准参考坐标系S相对于激光雷达坐标系L的位姿关系,然后根据STL＝LTS -1得出激光雷达坐标系L相对于标准参考坐标系S的位姿关系。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
(1)本发明以室内GPS系统的全局坐标系作为全局坐标系，将激光雷达在多个站位的测量数据全部转换到全局坐标系中，减少了由于转站而产生的累计误差，同时由于使用AGV小车加机器人的方式携带激光雷达进行扫描，测量灵活，对于室内空间的要求不大，满足飞机制造装配车间对于空间的要求。
(2)本发明激光雷达坐标系和标准参考系的标定是本系统的关键部分，本系统在工作时激光雷达坐标系和标准参考坐标系之间的相对位姿关系是保持不变的，因此只需要通过一次标定即可，当系统在后续开始工作时，激光雷达将数据转换到标准参考坐标系下，然后根据当前标准参考坐标系与室内测量坐标的相对位姿关系将点云数据实时从标准参考坐标系转换到测量坐标下即可。
(3)本发明室内GPS系统是一种接触式测量系统，这种测量系统在空间中布置IGPS发射器，可以检测到球形接收器在室内GPS系统中的三维坐标，而且不存在挡光或者角度限制的问题。
(4)本发明避免了现有技术通过在大构件上布置蛙跳球，工作量大、标定繁琐、精度不高等问题；而本方案需要标定的少、测量效率高、实时性强。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的系统整体布局图；
图2为本发明的球形接收器在标准坐标系参考板上的分布图；
图3为本发明的坐标系关系图；
图4为本发明的测量流程图。
附图中标号为：AGV小车10、标准坐标系参考板20、球形接收器21、连接杆22、室内GPS系统30、IGPS发射器31、激光雷达40。
具体实施方式
(实施例1)
见图1至图3，本发明包括安装有机器人的AGV小车10、夹持在机器人机械手臂末端的激光雷达40和标准坐标系参考板20以及室内GPS系统30；具体地标准坐标系参考板20通过平行于地面的连接板22固定在机器人机械手臂末端，激光雷达40则直接固定在连接板22与机器人机械手臂连接处的下端；所述室内GPS系统30建立有全局坐标系Q；所述室内GPS系统30监测标准坐标系参考板20在室内GPS系统30建立的全局坐标系Q下的位姿。
本实施例中更具体地，飞机大尺寸测量系统工作时所述激光雷达40和标准坐标系参考板20之间的相对位姿保持不变。
所述激光雷达40可建立一个激光雷达坐标系L。
所述标准坐标系参考板20上布置有三个球形接收器21；三个所述球形接收器21的球心可建立一个标准参考坐标系S。
三个所述球形接收器21的连线呈直角，且直角两端处的球形接收器21到直角处(即原点)球形接收器21的距离不同，这样可以识别原点，方便区分X轴和Y轴，从而建立一个固定的标准参考坐标系S。
所述室内GPS系统30包括IGPS发射器31、分别布置于室内和标准坐标系参考板20上的球形接收器21及中央处理器；所述IGPS发射器31布置在室内空间的多个位置处，具体的布置点需满足标准坐标系参考板20上的球形接收器21能接收到两个以上IGPS发射器31的信号，这样就可以将标准坐标系参考板20上的球形接收器21的坐标位置解算出来。
(实施例2)
见图4，一种基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量方法，包括实施例1所述的基于激光雷达和室内GPS系统的飞机大尺寸测量系统；还包括以下步骤：
步骤一：室内GPS系统30标定，室内GPS系统30标定各个IGPS发射器31之间的关系，建立飞机大尺寸测量系统的全局坐标系Q；本系统中室内GPS系统30标定采用商业化软件进行标定；
步骤二：通过激光雷达坐标系L和标准参考坐标系S标定来确定激光雷达坐标系L相对于标准参考坐标系S之间的位姿关系STL：
步骤三：AGV小车10携带激光雷达40扫描飞机构件进行数据采集，激光雷达40在多个站位扫描得到点云数据，随后将点云数据转换到标准参考坐标系S中；
步骤四：实时识别标准参考坐标系S在全局坐标系Q中的位姿；
步骤五：将采集到的点云数据全部转换到全局坐标系Q下
步骤六：通过中央处理器对点云数据进行处理，即可完成对飞机大构件的测量；
LTS＝LTQ*QTS
STL＝LTS -1
LTQ代表全局坐标系Q相对于激光雷达坐标系L之间的位姿关系,QTS代表标准参考坐标系S相对于全局坐标系Q之间的位姿关系；
其中求解QTS，就是找出标准参考坐标系S和全局坐标系Q之间的关系，在求解这个关系时，让AGV小车10携带激光雷达40和标准坐标系参考板20移动到室内空间中的合适的位置，由于标准坐标系参考板20上的三个球形接收器21在室内GPS系统30全局坐标系Q下的坐标值可以得到，那么就可以求出以这三个点建立的坐标系相对于全局坐标系Q的位姿关系。
设三个球形接收器21在全局坐标系Q下的坐标分别为(xA,yA,zA)，(xB,yB,zB)，(xC,yC,zC)。以B点为圆心建立全局坐标系Q，AB为标准参考坐标系S的X轴，于是就有：
以A、B、C三点建立的标准参考坐标系S相对于全局坐标系的位姿关系QTS；
其中p＝(xB,yB,zB)；
求解LTQ，就是求解全局坐标系相Q对于激光雷达坐标系L的位姿关系，此时保持激光雷达40位置保持不变，在室内空间合适位置放置20个球形接收器21，保证这20个球形接收器21可以被激光雷达40扫描到，同时也可以获得他们在室内全局坐标系Q下的坐标，将测得的20组点对使用SVD法求解全局坐标系Q和激光雷达坐标系L之间的位姿关系，求解方法如下：
假设有两个点组pi和qi，其中pi代表这20个球形接收器在激光雷达下的点组坐标、qi代表这20个球形接收器在全局坐标系下的点组坐标，其中pi、qi是如果用SVD分解法来求解这两个点组的矩阵关系，那么前提假设必须是这两个点组质心重合，若分别用来表示点组pi和qi的质心，于是就有：
其中pi、qi、是3行1列的向量，代表某点的x，y，z坐标。
根据质心重合的假设，我们有：
然后令：
最后构件最小二乘函数求解：
SVD算法已经很成熟了，详细推导就不再赘述了。
SVD算法流程为：
(1)根据pi、qi计算pi'和qi'
(2)计算3×3矩阵
其中pi'和qi'是3行1列的向量；
(3)对H进行SVD分解
H＝USVT
(4)计算X＝VUT
(5)计算X的行列式det(X)
若det(X)＝1，R＝X；若det(X)＝-1，算法失败；在得到旋转矩阵R之后，平移矩阵T可以通过如下公式计算：
至此求出LTQ，根据LTS＝LTQ*QTS，标定出标准参考坐标系S相对于激光雷达坐标系L的位姿关系,然后根据STL＝LTS -1得出激光雷达坐标系L相对于标准参考坐标系S的位姿关系。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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