激光跟踪仪和IGPS的空间测量可达性仿真分析与布置方法技术

本申请涉及数字化测量技术领域，特别涉及一种激光跟踪仪和IGPS的空间测量可达性仿真分析与布置方法，方法包括以下步骤：搭建机器人仿真环境，配置每个测量仪器的三维模型为机器人模型，并给定多个关键测量点的位置坐标，其中，测量模型的末端安装具有两个转动自由度的激光雷达作为激光发射器；根据每个测量点的位置坐标计算激光雷达的两个转动角度，使得激光雷达发射的光线依次指向各个关键测量点，得到各个测量点与测量仪器之间的实测距离，分析实测距离和理论距离的差值以判断测量点的可达性；如有测量点测量不可达，则进一步通过网格化搜索的方式寻找使得所有测量点可测的激光跟踪仪站位，完成测量仪器的布置，随后通过网格化搜索分析测量可达的基准点(ERS)的布置位置，完成测量仪器的转站。完成测量仪器的转站。完成测量仪器的转站。

【技术实现步骤摘要】
激光跟踪仪和IGPS的空间测量可达性仿真分析与布置方法


[0001]本申请涉及数字化测量
，特别涉及一种激光跟踪仪和室内GPS(IGPS)的空间测量可达性仿真分析与布置方法。

技术介绍

[0002]在飞机数字化装配过程中，需要对飞机位姿和机身部件形位公差等进行测量，激光跟踪仪和IGPS等大尺寸测量仪器是两种常用设备。其测量原理是发射一束激光并接受来自测量关键点的反射光，以确定测量关键点的空间三维坐标。因此，激光跟踪仪和IGPS等设备在使用过程中，必须保证待测量点和设备之间形成一条无遮挡的光线，以保证测量的可达性。然而飞机数字化装配环境中，产品尺寸大，测量关键特征点数量多，且环境中除了产品本身，还包括工作梯、工装、测量设备等物体可能对测量光路进行遮挡，导致测量不可达，使得飞机数字化装配误差大或者装配失败。所以在飞机数字化装配设计阶段，必须要分析测量仪器对测量关键点的测量光路可达性。
[0003]测量仪器(激光跟踪仪和IGPS)对测量关键点的测量光路可达性分析具有下列难点：(1)由于测量环境模型复杂，无法采用数学建模的方式进行理论分析；(2)目前，仍不存在可直接用于仿真测量仪器光路可达性的任何软件或平台，大多数分析方法基于工程经验，缺乏理论支撑；(3)测量现场环境复杂且可能发生变化，需要快速地对测量光路可达性进行分析，从而对测量站位进行重规划，这对方法的速度和简易度提出了很高要求。
[0004]目前，已有部分文献开展了相关的测量光路可达性分析。南京航空航天大学的杨晓辉基于CATIA提出了一种测量可达性分析方法，其通过从测量设备和待测量点间建立一条线段或一个细长圆柱体模拟光路，进而检测该线段/圆柱体和空间中所有模型的碰撞干涉点，观察最近的干涉点是否位于测量点附近来检测测量可达性。清华大学的石循磊等人对DELMIA软件进行二次开发，从跟踪仪发射一个小实体球到测量靶球位置，在小球运动过程中如果发生碰撞则认为光线被实物遮挡，以此判断测量点的光路可达性。然而，上述研究的核心是模型干涉检查或运动碰撞检测，因而计算量比较大且耗时长。上述方法人机交互友好型差，无法实现测量点光路可视化观察。因此我们意在开发一套全新的系统化解决方案，可以简易，快速，可视化地对激光跟踪仪和IGPS这两种测量仪器进行光路测量可达性仿真分析，进而基于该套方法对测量仪器的位姿进行规划。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种激光跟踪仪和IGPS的空间测量可达性仿真分析与布置方法、装置、电子设备及存储介质，以解决飞机数字化装配中激光跟踪仪和IGPS的测量布置位置可行性验证和规划问题，该方法具有快速性，可视化，高效率等多种优点。
[0006]本申请第一方面实施例提供一种激光跟踪仪和IGPS的空间测量可达性仿真分析与布置方法。
[0007]如图2所示，该套仿真分析方法中包含如下结构元素：(1)三维建模软件：主要用于
构建待测量物体、环境物体和测量设备的物理模型；(2)机器人仿真引擎：该引擎应具备激光雷达传感器，允许导入建模软件生成的环境模型和多自由度机器人模型，并具备动力学性能以控制机器人各个关节的运动；(3)控制程序：用于与机器人仿真引擎通讯，控制测量设备关节运动，检测测量可达性并进行测量设备站位优化等。
[0008]如图3所示，该套仿真分析方法中包含如下元素之间的动态交互关系：建模软件中进行待测量物体模型，测量环境模型和测量仪器模型的搭建并从待测量物体上提取关键测量点云信息；机器人仿真引擎允许测量物体和测量环境模型的输入，且将测量设备模型配置为多自由度机器人模型，并在测量仪器末端配置激光雷达传感器作为激光发射装置。此外，机器人仿真引擎为机器人配置动力学关节驱动器和控制器，能够控制测量仪器的运动。控制程序作为集控模块，接受仿真引擎的实时数据和建模软件提供的测量关键点数据，其蕴含基础的测量可达性分析算法，及在其基础上的测量仪器站位优化算法和ERS点布置算法，与机器人仿真引擎进行通讯，对其进行控制且分析其测量数据。
[0009]该套仿真分析方法包括以下步骤：搭建机器人仿真环境，配置每个测量仪器的三维模型为机器人模型，并给定多个关键测量点的位置坐标，其中，测量模型的末端安装具有两个转动自由度的激光雷达作为激光发射器；根据每个测量点的位置坐标计算激光雷达的两个转动角度，使得激光雷达发射的光线依次指向各个关键测量点，得到各个测量点与测量仪器之间的实测距离，分析实测距离和理论距离的差值以判断测量点的可达性；如有测量点测量不可达，则进一步通过网格化搜索的方式寻找使得所有测量点可测的激光跟踪仪站位，完成测量仪器的布置，随后通过网格化搜索分析测量可达的基准点(ERS)的布置位置，完成测量仪器的转站。
[0010]进一步地，所述搭建机器人仿真环境，建立每个测量仪器的仿真模型为机器人模型，具体包括：将激光跟踪仪建立为多自由度的机器人模型；在激光跟踪仪末端附加具有两个转动自由度的激光雷达模拟激光发射装置；将测量环境整体模型和机器人模型导入并配置于机器人仿真平台中。
[0011]进一步地，所述根据每个测量点的位置坐标计算激光雷达的两个转动角度，使得激光雷达发射的光线依次指向各个测量点，分析测量点的可达性，包括：根据测量点的三维坐标计算激光发射装置两自由度转角；控制激光发射装置转动并测量仿真中的实际测量距离；通过比较实际测量距离和理论距离分析所述测量点的可达性，如果实际测量距离和理论距离差距大于可达阈值，则确定所述测量点测量不可达；根据所有测量点的可达性分析结果得到所述激光跟踪仪在所述站位下的测量性能。
[0012]进一步地，所述通过网格化搜索的方式寻找所有测量点可测的激光跟踪仪站位，完成测量仪器的布置，并通过网格化搜索分析测量可达的基准点的布置位置，完成测量仪器的转站，包括：在每个测量仪器的每个预设测量初始站位周围划分多个网格点；根据测量仪器的每个测量点的可达性分析结果生成n维测量向量；对每个测量仪器的所述n维测量向量进行遍历形成一个测量组合，并对所有测量组合进行遍历，得到测量可达的组合站位；根据所述测量可达的组合站位确定测量可达的基准点的布置位置，并根据所述布置位置完成所述测量仪器的转站。
[0013]本申请第二方面实施例以实际航空数字化装配中某环境中的测量仪器布置为例，提供一种激光跟踪仪和IGPS的空间测量可达性仿真分析与布置模块应用案例，包括：建模
模块，用于建立测量仪器和测量环境的三维模型，配置测量仪器及其末端激光发射器的机器人模型，并建立机器人仿真环境；计算模块，用于分析每个关键测量点的光路可达性，进一步分析测量仪器在某站位组合下对所有测量点的测量可达性；规划模块，用于在测量可达性不理想时，通过网格化搜索的方式规划测量仪器在全场的组合站位，并通过网格化搜索分析规划组合站位下ERS点的布置方法，完成测量仪器的转站。
[0014]进一步地，所述建模模块具体用于：将激光跟踪仪建立为多自由度的机器人模型；在激光跟踪仪末端附加具有两个转动自由度的激光雷达模拟激光发射装置；将测量环境整体模型和机器人模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光跟踪仪和IGPS的空间测量可达性仿真分析与布置方法，其特征在于，包括以下步骤：搭建机器人仿真环境，配置每个测量仪器的三维模型为机器人模型，并给定多个关键测量点的位置坐标，其中，测量模型的末端安装有两个转动自由度的激光雷达；根据每个关键测量点的位置坐标计算激光雷达的两个转动角度，使得激光雷达发射的光线依次指向各个测量点，得到各个测量点与测量仪器之间的实测距离，分析实测距离和理论距离的差值以判断测量点的可达性；如有测量点测量不可达，则通过网格化搜索的方式寻找使得所有测量点可测的激光跟踪仪站位，完成测量仪器的布置，并进一步通过网格化搜索分析测量可达的基准点的布置位置，完成测量仪器的转站。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述搭建机器人仿真环境，配置每个测量仪器的三维模型为机器人模型，具体包括：在3D建模软件中，建立测量仪器和测量环境的三维模型；在机器人仿真引擎中将测量仪器配置为多自由度的机器人模型；在测量仪器末端安装具有两个转动自由度的激光雷达模拟激光发射装置；将测量环境三维模型和测量仪器的机器人模型导入并配置于机器人仿真平台中。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据关键测量点的位置坐标计算激光雷达的两个转动角度，使得激光雷达发射的光线依次指向各个测量点，分析测量点的可达性，包括：根据测量点的三维坐标计算激光发射装置两自由度转角，控制激光发射装置的关节转动使其指向测量点；测量仿真中的实测光路距离，通过比较实测距离和理论距离分析所述测量点的可达性：如果实际测量距离和理论距离差距大于可达阈值，则确定所述测量点测量不可达；根据所有测量点的可达性分析结果得到测量仪器在该站位下的测量性能。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过网格化搜索的方式寻找所有关键测量点可测的测量仪器组合站位，完成测量仪器的布置，并通过网格化搜索分析测量可达的ERS点的布置位置，完成测量仪器的转站，包括：在每个测量仪器的初始站位周围划分多个网格点；根据每个测量仪器的关键测量点的可达性分析结果生成n维测量向量；对多个测量仪器的n维测量向量进行组合，以分析该测量仪器组合站位是否对全场关键测量点可测；对所有可能的测量组合进行遍历，得到测量可达的组合站位；根据所述测量可达的组...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继文，王斌，吴丹，吴庆园，王国磊，徐静，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：