一种测量坐标系配准方法技术

一种测量坐标系配准方法，包括如下步骤：步骤一、已知一组公共点分别在两个不同测量坐标系下的坐标值，按排列组合中的组合方法从中抽取至少三个公共点，利用奇异值分解方法计算得到两个不同测量坐标系的第一转换关系矩阵；步骤二、除步骤一中已抽取的公共点外，将其余公共点在两个不同测量坐标系下的坐标值统一到同一测量坐标系下，并计算残差；步骤三、设定残差阈值，步骤二中残差小于残差阈值的公共点和该次抽取的公共点确定为域内点，记录域内点及域内点的数目；步骤四、重复步骤一至步骤三，选取域内点数目最多的抽样，根据域内点的坐标值，利用奇异值分解方法计算两个不同测量坐标系的转换关系矩阵。

A registration method for measuring coordinate system

A method of measuring the coordinate registration method, which comprises the following steps: step one, given a set of common points in two different measuring coordinate coordinate value, according to the combination method of permutations and combinations of the extracted from at least three public relations, the first conversion by using singular value decomposition method two different measurement coordinate system is obtained the calculation of matrix; step two, in addition to the public has been selected in step one, the rest of the public in two different measuring coordinate coordinate values are integrated into one coordinate system, and calculate the residuals; step three, the residual set threshold, a second step is less than the threshold point residual residual public and public the sample is determined as the domain, and the number of records within the domain; step four, repeat steps one to step three, select the sampling domain number most, according to the domain. The coordinate values and the singular value decomposition method are used to calculate the conversion relation matrix of two different measuring coordinate systems.

【技术实现步骤摘要】
一种测量坐标系配准方法
本专利技术属于数字化测量领域，涉及一种测量坐标系配准方法。
技术介绍
随着数字化制造为核心的先进制造技术的飞速发展，对形状尺寸和空间位置测量的精度和速度提出了越来越高的要求，数字化的高精度测量设备/系统的联合组网测量得到了广泛的应用。尤其是以高稳定结构在环境温度下的原位测量为代表的各类大型、复杂、高精度产品结构测量需求越来越多。大多数场合下，由于测量现场可视性、可达性等条件的限制，往往需要通过测量仪器转站或者利用多台测量仪器组网测量，以获得零部件的整体信息。不同测量设备或不同测量站位获得的测量点的坐标值都是以自身的测量坐标系为基准，需要通过公共点的坐标值，对不同的坐标系进行配准，将测量数据统一于同一坐标系下。这要求公共点的世界坐标值保持不变，但在温度变化比较大、温度梯度大，振动等恶劣条件的复杂工况之下，公共点的世界坐标值会产生波动，甚至严重偏离其理论位置。传统的坐标系配准方法如最小二乘法、奇异值分解法、四元数法，利用全体公共点在不同测量坐标系下的坐标值，计算坐标系之间的转换关系，由于计算过程种有可能存在世界坐标值波动较大的公共点，导致上述方法配准精度较低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测量坐标系配准方法，与传统的测量坐标系配准方法相比，本专利技术剔除了公共点坐标值波动比较大的点，并结合奇异值分解方法提高了坐标系配准的配准精度，从而提高了不同测量坐标系之间坐标转换的准确性。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种测量坐标系配准方法，包括如下步骤：步骤一、已知一组公共点分别在两个不同测量坐标系下的坐标值，按排列组合中的组合方法从中抽取至少三个公共点，根据上述至少三个公共点在两个不同测量坐标系下的坐标值，利用奇异值分解方法计算得到两个不同测量坐标系的第一转换关系矩阵；步骤二、利用步骤一中的第一转换关系矩阵，将两个不同测量坐标系下的坐标值统一到同一测量坐标系下，除已抽取的公共点以外，计算其余公共点坐标值转换后的残差；步骤三、设定残差阈值小于所有公共点坐标平均值的万分之一，将步骤二中残差小于残差阈值的公共点和该次抽取的至少三个公共点定为域内点，残差不小于残差阈值的公共点定为域外点；剔除域外点，记录域内点及域内点的数目；步骤四、重复步骤一至步骤三，比较所有组合方法抽样结果得到的域内点的数目，选取域内点数目最多的抽样，根据该抽样记录的所有域内点的坐标值，利用奇异值分解方法计算两个不同测量坐标系的转换关系矩阵。上述测量坐标系配准方法，所述步骤一中按组合方法抽取的至少三个公共点不在同一条直线上。上述测量坐标系配准方法，应用的环境温度范围为-170℃～+140℃。上述测量坐标系配准方法，应用的真空环境压力小于1×10-4Pa。上述测量坐标系配准方法，应用领域包括：光学领域、图像领域、装配领域。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：(1)本专利技术方法通过抽样、剔除域外点，剥离了环境条件因素的影响，提升了两个不同测量坐标系之间转换关系矩阵的精度，实现了高精度测量坐标系配准；(2)本专利技术方法采用残差阈值控制，可有效控制高精度测量坐标系配准过程中的精度水平，同时能够根据测量坐标系的配准需要，灵活调整残差阈值；(3)本专利技术残差阈值取值范围的边界与公共点的坐标值成比例关系，能够适用于不同尺度、不同测量对象的坐标系配准；(4)本专利技术方法通过奇异值分解方法进行坐标系配准，克服了传统方法盲目选取公共点的问题，通过对于抽样组合的对比计算，为坐标系配准过程中参与计算的公共点选取原则提供了数据依据。附图说明图1为奇异值分解方法示意图；图2为本专利技术的总体方案示意图；图3为本专利技术中坐标系配准计算流程图；图4为不同坐标系下公共点集示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。参照图1，对奇异值分解方法进行说明，具体步骤如下：步骤101，对于空间点集{pi|pi∈P,i＝1,2,...,n}和{qi|qi∈Q,i＝1,2,...,n}，分别计算三维数据点的重心p和q：步骤102、根据三维数据点的重心将三维数据点重心化，记为p′i和q′i，i＝1,2,…,np′i＝pi-p,q′i＝qi-q(2)步骤103、根据三维数据点重心化结果计算残差矩阵E：式中，R为旋转矩阵，对E进行分解，计算如下：步骤104、当E最小化时，即qi'TRpi'最大时，可以求得旋转矩阵R，令由奇异值分解算法：H＝UTΛV(6)其中U和V为正交矩阵，Λ为非负的对角矩阵。则旋转矩阵R和平移矩阵T分别为，R＝VUT(7)T＝p-qR(8)在奇异值分解方法的基础上，本专利技术提出的坐标系配准方法的实施方式如图2和图3所示，具体步骤如下：步骤一、在温度范围-170℃～+140℃、真空环境压力小于1×10-4Pa环境下，已知一组公共点同时位于测量坐标系1和测量坐标系2两个不同测量坐标系下，如图4所示，测量坐标系1下该组数据的m个公共点表示为{uk|uk∈U,k＝1,2,...,m}，测量坐标系2下该组数据的m个公共点表示为{vk|vk∈V,k＝1,2,...,m}，本实施例中m为12。表1为本实施例的一组m个公共点在两个测量坐标系下的坐标值，X1、Y1、Z1分别为m个公共点在坐标系1下的坐标值，X2、Y2、Z2分别为m个公共点在坐标系2下的坐标值。表1步骤二、按排列组合中的组合方法从步骤一所述的一组m个公共点中抽取至少三个公共点，如果上述至少三个公共点在一条直线上，则重新抽取至少三个公共点；如果上述至少三个公共点不在一条直线上，记为第w次抽样，然后w增加1，进入步骤四；w的初始值为1；本实施例中抽取的公共点个数为三个。步骤三、根据步骤二中所述三个公共点在两个不同测量坐标系下的坐标值，利用奇异值分解方法计算得到旋转矩阵Rw和平移矩阵Tw，则两个不同测量坐标系的第一转换关系矩阵为[Rw,Tw]。步骤四、所述步骤一中的一组m个公共点，除步骤二第w次抽样已抽取的三个公共点，将其余的m-3个公共点从一个坐标系转换到另一个坐标系下，利用步骤三中的旋转矩阵Rw和平移矩阵Tw计算上述m-3个公共点的残差εk：εk＝||vk-(Ruk+T)||2(9)步骤五、设定残差阈值小于所有公共点坐标平均值的万分之一，本实施例中所有公共点坐标平均值为964.996mm，残差阈值应小于0.0964996，本实施例中设定残差阈值ε为0.03mm，将步骤四计算的m-3个公共点中残差小于给定阈值ε的公共点和第w次抽取的三个公共点记为域内点，记第w种抽样方法所得的域内点和域内点数目Nw。步骤六，重复步骤二到步骤五直到取完组合方法的所有抽样，然后找出域内点数目Nw的最大值，根据Nw的最大值确定第w种抽样方法所得的域内点的坐标值，利用奇异值分解方法计算旋转矩阵R和平移矩阵T，即得到两个不同测量坐标系的转换关系矩阵[R,T]。该测量坐标系的转换关系矩阵[R,T]即可完成两个不同测量坐标系的转换，完成高精度测量坐标系配准。本实施例中，利用本专利技术方法提出的坐标系配准方法，根据奇异值分解计算得到旋转矩阵R和平移矩阵T为：T＝[-80.023499.953350.0092]步骤七、通过公共点转换的均方根单点测量误差RMS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量坐标系配准方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、已知一组公共点分别在两个不同测量坐标系下的坐标值，按排列组合中的组合方法从中抽取至少三个公共点，根据上述至少三个公共点在两个不同测量坐标系下的坐标值，利用奇异值分解方法计算得到两个不同测量坐标系的第一转换关系矩阵；步骤二、除步骤一中已抽取的公共点外，利用步骤一中的第一转换关系矩阵，将其余公共点在两个不同测量坐标系下的坐标值统一到同一测量坐标系下，并计算上述公共点坐标值转换后的残差；步骤三、设定残差阈值小于所有公共点坐标平均值的万分之一，将步骤二中残差小于残差阈值的公共点和该次抽取的至少三个公共点定为域内点，残差不小于残差阈值的公共点定为域外点；剔除域外点，记录域内点及域内点的数目；步骤四、重复步骤一至步骤三，比较所有组合方法抽样结果得到的域内点的数目，选取域内点数目最多的抽样，根据该抽样记录的所有域内点的坐标值，利用奇异值分解方法计算两个不同测量坐标系的转换关系矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种测量坐标系配准方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、已知一组公共点分别在两个不同测量坐标系下的坐标值，按排列组合中的组合方法从中抽取至少三个公共点，根据上述至少三个公共点在两个不同测量坐标系下的坐标值，利用奇异值分解方法计算得到两个不同测量坐标系的第一转换关系矩阵；步骤二、除步骤一中已抽取的公共点外，利用步骤一中的第一转换关系矩阵，将其余公共点在两个不同测量坐标系下的坐标值统一到同一测量坐标系下，并计算上述公共点坐标值转换后的残差；步骤三、设定残差阈值小于所有公共点坐标平均值的万分之一，将步骤二中残差小于残差阈值的公共点和该次抽取的至少三个公共点定为域内点，残差不小于残差阈值的公共点定为域外点；剔除域外点，记录域内点及域内点的数目；步骤四、重复...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱绪胜，杨凤龙，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂，
类型：发明
国别省市：北京,11