一种基于多矢量约束的全局测量数据配准方法技术

本发明专利技术一种基于多矢量约束的全局测量数据配准方法，属于大尺寸测量领域，涉及一种基于多矢量约束的全局测量数据配准方法。该方法，首先在一定空间内合理布置多个非共面靶球作为公共点，通过激光跟踪仪的多站位测量获取公共点数据集，以整体测量误差最小的站位为全局坐标系。然后，基于公共点求解法矢量并将其单位化。最后，基于冗余单位法矢量的约束，求解局部坐标系的转换参数，将局部数据配准到全局坐标系。该方法充分虑及大尺寸空间内数据配准精度对公共点测量误差和公共点数量异常敏感的问题，可有效减小全局测量数据的配准误差，快速应用于现场实践，以保证大型航空零件几何特征的整体测量精度，在大尺寸测量领域具有广泛的应用前景。

A global measurement data registration method based on multi vector constraints

【技术实现步骤摘要】
一种基于多矢量约束的全局测量数据配准方法
本专利技术属于大尺寸测量领域，涉及一种基于多矢量约束的全局测量数据配准方法。
技术介绍
大型航空零件的数字化测量已成为航空装配领域中的关键核心技术之一。激光跟踪仪具有测量范围大、单点测量精度高等特点被广泛用于大型航空零件的高精度测量。然而，由于被测零件结构复杂、视线遮挡等问题，激光跟踪仪的单站位测量难以满足大型部件全尺寸完整性测量和高精度测量的要求。多站位协同测量为大尺寸部件的完整性测量提供了极佳的解决方案。为了获得大尺寸部件完整性测量数据，需将各站位局部测量数据配准到全局坐标系。因此，研究全局数据的配准方法对于大尺寸完整性测量具有重要意义。现有的数据配准方法一般基于多个公共点重合的原则，求解多个坐标系之间的转换矩阵，来实现不同坐标系间的数据配准。然而，该方法的配准精度严重依赖于单点的测量精度和数量。因此，在个别局部公共点存在较大测量误差的情况下，坐标系间的数据配准精度将受到严重影响。针对激光跟踪仪局部测量数据的全局配准方法，上海市质量监督检验技术研究院的房鹤飞等人，在《上海计量测试》第44卷第2期，《一种提高激光跟踪仪转换准确度的方法》一文中介绍了一种基于整体最小二乘的七参数布尔沙模型的坐标转换算法，该方法通过整体最小二乘提高了激光跟踪仪的转换精度，但只计算了旋转矩阵R，且由于布尔沙模型只适用于小角度的坐标转换，因而具有一定的局限性。成都飞机工业(集团)有限责任公司和清华大学的学者，在专利《激光跟踪仪转站方法》，专利号为2015106809993，呈现了一种基于测量平差优化的激光跟踪仪转站方法，该方法以预先标定的几何长度对局部坐标进行平差优化，从而提高各点的局部测量精度。最终，通过提高公共点测量精度来提高全局数据的配准精度。但该方法需预先标定公共点间的几何距离，步骤较为繁琐且标定成本高。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺陷，为了避免局部公共点测量误差导致数据配准精度严重下降的工程问题，专利技术了一种基于多矢量约束的全局测量数据配准方法，来减少全局数据的配准误差，以保证大尺寸空间内大型航空零件几何特征的整体测量精度。该方法以测量公共点构造冗余法矢量，然后基于法矢量约束，以实现全局测量数据的配准。该方法首先建立全局坐标系，通过激光跟踪仪的多站位测量，获取各公共点在局部坐标系下的坐标值；然后求解各坐标系下的法矢量；最后基于法矢量约束求解转换参数，将各局部数据配准到全局坐标系。该方法克服了大尺寸空间内数据配准精度对公共点测量误差和公共点数量异常敏感的问题，可实现全局数据配准精度的大幅提高，具有广泛的应用前景。本专利技术采用的技术方案是一种基于多矢量约束的全局测量数据配准方法，其特征是，该方法首先在一定空间内合理布置非共面的多个靶球，并以此作为公共点；再通过激光跟踪仪的多站位测量获取公共点数据集，以整体测量误差最小的测量站位为全局坐标系，其余站位作为局部坐标系；然后，基于公共点求解法矢量并将其单位化；最后，基于冗余单位法矢量的约束，求解局部坐标系与全局坐标系间的转换参数，并将局部数据全部配准到全局坐标系；该方法的具体步骤如下：第一步，全局坐标系的构建与公共点数据集的获取在大尺寸空间内，合理布置n个非共面的靶球，作为公共点(P1，P2,…,Pn)，然后利用激光跟踪仪在m个站位下分别测量所有公共点的三维坐标，获取公共点数据集Φ：其中，Pij＝(xij,yij,zij)T(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)表示激光跟踪仪在第i个站位下测得的第j个公共点。再以整体测量误差最小的测量站位为全局坐标系，其余站位作为局部坐标系；第二步，单位法矢量数据集的求解从激光跟踪仪在第i个站位下所测量的公共点中，任意三个公共点可拟合一个平面，设所要拟合的平面方程为：akx+bky+ckz+dk＝0(2)其中，ak、bk、ck、dk为常系数，k＝1,2,...,l表示第k个平面，l为所能拟合的平面个数，根据排列组合算法，l的值为：任取第i个站位的三个公共点P1＝(x1,y1,z1)T，P2＝(x2,y2,z2)T，P3＝(x3,y3,z3)T，并将其代入公式(2)中，求解非齐次线性方程组：给定参数dk的值，得到参数ak、bk、ck，三者构成该平面的法矢量单位化后得到单位法矢量uk为：通过m个站位的公共点坐标数据集Φ，求解出单位法矢量数据集Ψ：其中，代表激光跟踪仪在第i个站位下的第k个单位法矢量；第三步，多站位坐标系转换参数的求解根据刚体变换理论，空间中两组点集x和y之间的配准可由一个旋转矩阵R和平移矩阵T来完成，公式为：y＝f(x)＝Rx+T(7)在第i个激光跟踪仪站位下构建基于法矢量对齐的最小二乘模型，求解使数据配准误差最小的旋转矩阵R：其中，uk代表局部坐标系下的法矢量，vk代表全局坐标系下的对应法矢量；为便于求解，构造出一个过渡矩阵S，并进行奇异值分解：其中，Σ为一个对角矩阵，对角元素为矩阵S的奇异值σk,U、V为三阶酉阵；则所求满足公式(8)的旋转矩阵R为：计算局部坐标系中公共点的重心坐标和全局坐标系中公共点的重心坐标其中，Pj、Qj分别代表局部坐标系和全局坐标系中第j个公共点坐标；因此平移矩阵为综上所述，第i个局部坐标系向全局坐标系的转换关系为：(Qi1Qi2…Qin)T＝Ri(Pi1Pi2…Pin)T+Ti(13)其中，Pij(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)表示第i个局部坐标系中的被测目标点，Qij(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)表示Pij配准到全局坐标系后的对应点，Ri和Ti分别表示将第i个局部坐标系的数据配准到全局坐标系的旋转矩阵和平移矩阵。通过计算激光跟踪仪m个站位的坐标转换参数，将局部坐标系下的测量数据配准到全局坐标系，实现基于多矢量约束的全局测量数据配准。本专利技术的有益效果是该方法充分虑及大尺寸空间内数据配准精度对公共点测量误差和公共点数量的敏感性，利用较少公共点的测量数据求解较多的单位法矢量，在法矢量约束下利用奇异值分解求解转换参数，并通过法矢量所包含的多个公共点的冗余位置信息来提高数据配准精度，可有效减小全局测量数据的配准误差，快速应用于测量现场实践，以保证大型航空零件几何特征的整体测量精度，具有广泛的工程应用前景。附图说明图1是基于多矢量约束的全局测量数据配准方法的流程图。图2是激光跟踪仪多站位测量示意图，其中，1-激光跟踪仪第1站位，2-激光跟踪仪第2站位，3-激光跟踪仪第3站位，4-激光跟踪仪第4站位，P1-靶球1号公共点，P2-靶球2号公共点，P3-靶球3号公共点，P4-靶球4号公共点，u1-法矢量1，u2-法矢量2，u3-法矢量3，u4-法矢量4。具体实施方式以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施方式。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多矢量约束的全局测量数据配准方法，其特征是，该方法首先在一定空间内合理布置非共面的多个靶球，并以此作为公共点；再通过激光跟踪仪的多站位测量获取公共点数据集，以整体测量误差最小的测量站位为全局坐标系，其余站位作为局部坐标系；然后，基于公共点求解法矢量并将其单位化；最后，基于冗余单位法矢量的约束，求解局部坐标系与全局坐标系间的转换参数，并将局部数据全部配准到全局坐标系；该方法的具体步骤如下：/n第一步，全局坐标系的构建与公共点数据集的获取/n在大尺寸空间内，合理布置n个非共面的靶球，作为公共点(P

【技术特征摘要】
1.一种基于多矢量约束的全局测量数据配准方法，其特征是，该方法首先在一定空间内合理布置非共面的多个靶球，并以此作为公共点；再通过激光跟踪仪的多站位测量获取公共点数据集，以整体测量误差最小的测量站位为全局坐标系，其余站位作为局部坐标系；然后，基于公共点求解法矢量并将其单位化；最后，基于冗余单位法矢量的约束，求解局部坐标系与全局坐标系间的转换参数，并将局部数据全部配准到全局坐标系；该方法的具体步骤如下：
第一步，全局坐标系的构建与公共点数据集的获取
在大尺寸空间内，合理布置n个非共面的靶球，作为公共点(P1，P2,...,Pn)，然后利用激光跟踪仪在m个站位下分别测量所有公共点的三维坐标，获取公共点数据集Φ：



其中，Pij＝(xij,yij,zij)T(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)表示激光跟踪仪在第i个站位下测得的第j个公共点；
再以整体测量误差最小的测量站位为全局坐标系，其余站位作为局部坐标系；
第二步，单位法矢量数据集的求解
从激光跟踪仪在第i个站位下所测量的公共点中，任意三个公共点可拟合一个平面，设所要拟合的平面方程为：
akx+bky+ckz+dk＝0(2)
其中，ak、bk、ck、dk为常系数，k＝1,2,...,l表示第k个平面，l为所能拟合的平面个数，根据排列组合算法，l的值为：



任取第i个站位的三个公共点P1＝(x1,y1,z1)T，P2＝(x2,y2,z2)T，P3＝(x3,y3,z3)T，并将其代入公式(2)中，求解非齐次线性方程组：



给定参数dk的值，得到参数ak、bk、ck，三者构成该平面的法矢量单位化后得到单位法矢量uk为：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，李俊卿，逯永康，张洋，马建伟，司立坤，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21