【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械工程/飞机装配领域，涉及一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法。
技术介绍
1、飞机大部件对接装配是指利用装配工装，把构成飞机基本结构的各个大部件进行准确地定位调姿后连接在一起，形成完整的飞机机体的过程。大部件对接装配是飞机装配的最后阶段，其对接装配质量直接决定飞机整机的装配质量和服役飞行性能。
2、在飞机大部件对接装配中，由于部件尺寸大、几何结构复杂、对接装配协调的几何因素多，加之对接协调精度要求高，因此，大部件对接的协调难度极大。随着新型飞机对飞行性能的要求不断提高，其对气动外形准确度要求也更高。因此，在大部件对接装配中，在保证多组交点孔对接协调的情况下，也要同时控制对接区的气动外形阶差。但当前在大部件对接装配中，部件定位调姿优化方法存在如下问题：(1)仅考虑了交点孔这一单一类型几何对象的对准协调，目前尚无可以同时考虑对接区形面偏差的调姿优化方法，仅依赖经验试错，不仅费时费力，更难以满足新一代飞机大部件对接装配准确度的要求；(2)主要采用数值优化的方式求解，常常会出现迭代求解失败的问题，优化成功率无法得到保障，从而影响实际装配生产效率。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，实现在大部件对接中既能保证各交点孔对准协调，同时有效控制对接区形面偏差，并提升对接优化调姿效率的目标。
2、本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
3、一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，所
4、步骤1：采集待对接部件数据
5、利用激光跟踪仪和三维扫描仪对待对接部件上的对接点及对接平面进行数据采集，得到一系列点的三维坐标。其中，作为主要优化目标的对接点记为ppre＝(xpre,ypre,zpre)，并记对接点数量为k；作为次要优化目标的对接平面记为planepre，该平面上的采集点共m1个，记为planepre＝(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、…、(xm1,ym1,zm1)。在采集平面数据点的过程中，应使采集点尽量均匀分布在整个采集平面内。m1数量以实际采集工况确定，不做特定限制。
6、步骤2：采集目标位置数据
7、利用激光跟踪仪和三维扫描仪对目标位置上的对接目标点及目标平面进行数据采集，得到一系列点的三维坐标数据。其中，对接目标点数据记为ptarget＝(xtarget,ytarget,ztarget)其数量与步骤1中对接点数量k相同；对接目标平面记为planetarget，该平面上的采集点共m2个，记为在采集目标平面数据点的过程中，同样应使采集点均匀分布在整个采集平面内。m2数量以实际采集工况确定，不做特定限制，与m1相等或不等。
8、步骤3：构建优化对象
9、构建优化对象四元数quat＝(xp,yp,zp,x,y,z,w),其中，xp,yp,zp代表平移分量，x,y,z,w代表旋转分量，该四元数表征了三维空间中的一个确定位姿，并可根据公式求解出对应的齐次变换矩阵h。选择四元数为优化对象的原因是其结构紧凑，约束简单，且能够表征空间中唯一位姿。优化对象即为xp,yp,zp,x,y,z,w七个变量。
10、步骤4：引入第一个约束
11、根据四元数的性质引入优化问题的第一个约束constrain_1:x2+y2+z2+w2＝1。
12、步骤5：构建主要优化目标
13、构建主要优化目标，该目标描述为：求解一个最优的四元数quat，及其对应的齐次变换矩阵h，使其在经过运算popti＝h×ppre后得到的结果，即新的对接点popti与对接目标点ptarget的均方误差最小，其中，k为对接点数量，loss1即为主要优化目标的目标函数(或称损失函数)。
14、步骤6：引入第二个约束
15、引入第二个约束，描述为：对于k个对接点中的每一个点，其优化后的位置与其对应的对接目标点位置在y,z两个方向上的误差均小于设定的δ1，记为：constraint_2:|yopti,i-ytarget,i|<δ1and|zopti,i-ztarget,i|<δ1,foreachiink，其中，yopti为新的对节点的y坐标，zopti为新的对节点的z坐标；
16、步骤7：目标平面数据预处理
17、对步骤2中所得目标平面数据点进行预处理。利用通用平面拟合算法(例如ransac算法等)，将m2个数据点拟合为平面，该平面方程记为：ax+by+cz+d＝0，得到4个表征目标平面的参数a、b、c、d；
18、步骤8：构建次要优化目标
19、构建次要优化目标，该目标描述为：求解一个最优的四元数quat，及其对应的齐次变换矩阵h，使其在经过运算planeopti＝h×planepre后得到的结果，即新的对接平面planeopti与目标平面planetarget的阶差loss2＝displane最小。具体操作为：针对步骤1中采集的m1个对接平面数据坐标点，通过计算planeopti＝h×planepre后得到m1个新的对接平面坐标点，记为planeopti＝(xopti_1,yopti_1,zopt_1)、(xopti_2,yopti_2,zopti_2)、…、(xopti_m1,yopti_m1,zopti_m1。计算上述每个坐标点到步骤7中所述平面ax+by+cz+d＝0的距离，记为：求解出所有距离的和，记为：loss2即为次要优化目标的目标函数(或称损失函数)；
20、步骤9：构建联合优化目标
21、依据对接目标点精度和对接平面精度的不同重视程度，指定主要优化目标和次要优化目标权重分别为w1、w2。当本次调姿操作更加注重对接目标点对齐程度时，w1的值需设置的更大一些；当本次调姿更加注重对接平面对齐程度时，w2的值需设置的更大一些。记loss＝w1×loss1+w2×loss2,即为联合优化目标函数；
22、步骤10：数值优化求解
23、通过通用的数值优化的方法在满足步骤4和步骤6中的约束constraint_1和constraint_2的前提下，求解一个四元数quat，使得步骤9中所述的loss最小，该结果即为最终优化结果，其对应的齐次变换矩阵h即为调姿矩阵；
24、步骤11：进行交叉验证
25、采用闭式求解的方式求解主要优化目标，得到一个最优位姿，用于和数值优化求解结果进行交叉验证，或者作为数值优化求解失败的备份。具体的：
26、考虑到数值优化求解可能会失败或求解错误的问题，通过闭式求解的方式进行交叉验证。由于闭式求解为解析解，其结果精度较高，通过闭式求解的方式求解出只需满足主要优化目标loss1的优化结果，并与步骤10中结果对比。在绝大多数情况下，二者的差异不会过大，如果其差异大于设定的阈值threshold_solution,则证明步骤1中的数据采本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，其特征在于，所述调姿方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，其特征在于，所述的步骤1和步骤2中，采集点均匀分布在整个采集平面内。
3.根据权利要求1所述的一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，其特征在于，所述的步骤1和步骤2中，m1和m2数量以实际采集工况确定，二者相等或不等。
4.根据权利要求1所述的一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，其特征在于，所述的步骤8具体操作为：针对步骤1中采集的m1个对接平面数据坐标点，通过计算planeopti＝H×planepre后得到m1个新的对接平面坐标点，记为planeopti＝(xopti_1,yopti_1,zopt_1)、(xopti_2,yopti_2,zopti_2)、…、(xopti_m1,yopti_m1,zopti_m1）；计算上述每个坐标点到步骤7中所述平面Ax+By+Cz+D＝0的距离，记为：求解出所有距离的和，记为：loss2即为次要优化目标的目标函数。
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【技术特征摘要】
1.一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，其特征在于，所述调姿方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，其特征在于，所述的步骤1和步骤2中，采集点均匀分布在整个采集平面内。
3.根据权利要求1所述的一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，其特征在于，所述的步骤1和步骤2中，m1和m2数量以实际采集工况确定，二者相等或不等。
4.根据权利要求1所述的一种考虑形面偏差的飞机大部件对接优化调姿方法，其特征在于，所述的步骤8具体操作为：针对步骤1中采集的m...
【专利技术属性】
技术研发人员：张铁瑞，任俊松，樊荣，董志，李梅平，杨庆龙，
申请(专利权)人：沈阳飞机工业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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