一种复杂位置金属平面的空间三维信息获取方法

摘要

本发明一种复杂位置金属平面的空间三维信息获取方法属于检测技术领域，涉及一种电涡流位移传感器阵列测量架以及实时快速的获取复杂位置金属平面的空间三维信息方法。该方法采用电涡流位移传感器阵列测量架，结合激光跟踪仪和电涡流位移传感器的方式实现金属平面的三维空间信息获取。测量前使用激光跟踪仪对测量架所处位置进行标定，建立激光跟踪仪坐标系与测量架坐标系的空间转换关系。测量进行时，实时采集测量信号，使用基于最小二乘法的金属平面拟合方法对测量信号进行处理，最终拟合出被测金属平面，获取复杂位置金属平面的空间三维信息。测量架的设计可根据实际测量情况修改，适用性强，实现快速三维信息获取，获取效率高。

说明书

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种结合电涡流位移传感器和激光跟踪仪的金属平面空间三维信息获取方法。

背景技术

金属平面空间三维信息的获取方法在检测领域中有着十分重要的地位，在很多情况下，获取空间中金属平面的三维信息是测量的第一步，在此基础上才能对金属平面上的特征信息进行进一步的测量。随着现代工业的不断发展，工业机械的复杂性越来越高，这使得对于空间金属平面三维信息的获取的困难性也越来越大，在速度和准确度上都提出了更加苛刻的要求。空间金属平面的位置越来越复杂，针对这种处于复杂位置上的金属平面，其位置的复杂性将会对金属平面空间三维信息获取带来很大的影响，因此现金的对于金属平面的空间三维信息获取方法也正在向快速化、非接触化进行发展。复杂位置的金属平面获取难度大，对于获取速度又有着很高的要求，只利用激光跟踪仪进行金属平面空间三维信息获取的方法必然使得获取过程效率低，不能满足现今对测量的需求。特别在快速金属平面三维信息获取技术中，要求可以对金属平面三维信息进行在线获取，进而可以对金属平面的形变进行分析监控。在目前情况下，如何合理设计一种金属平面三维信息获取方法来实现复杂位置上金属平面空间三维信息的在线快速获取过程成为目前的主要问题和主要研究方向。

王巍等人2016年在制造业自动化期刊第38卷第5期发表的《基于关键测量特征的飞机装配工装在线检测》中使用激光跟踪仪对工装上的特征进行测量，对于工装上众多复杂位置金属平面的空间三维信息的获取是通过激光跟踪仪的传统方式，手持靶球人工测量空间金属平面上的三维信息，与数模对比进行检测。这种方法可以实现空间金属平面三维信息的获取，但是利用人工接触式的测量方法使金属平面获取效率过低，且无法实现在线获取的过程，尤其是当金属平面遮挡情况出现时无法进行测量。尹英杰等人2013年在电子测量与仪器学报期刊第27卷第4期发表的《基于单目视觉的金属平面测量》中通过视觉测量方法测量金属平面上的物体位置，这种方法可以实现对金属平面三维信息的非接触式获取，但是需要在金属平面上放置金属平面靶标等标定件，此种方法对于处于复杂位置的金属平面并不适用。

发明内容

本发明要解决的技术难题是获取处于复杂位置上的金属平面的三维空间信息，发明了一种激光跟踪仪结合电涡流位移传感器的获取方法，用来获取金属平面的空间三维信息。利用设计的电涡流传感器测量架，将电涡流位移传感器阵列固定于测量架上，测量时将测量架固定于测量位置，测量位置通过激光跟踪仪进行标定，同时建立激光跟踪仪坐标系与测量架坐标系的空间转换关系。测量时，实时读取电涡流位移传感器测量值，使用基于最小二乘法的金属平面拟合方法，通过电涡流位移传感器阵列的测量值对被测金属平面进行拟合，最终获取被测金属平面空间三维信息。通过实时读取测量值进行数据处理，保证了获取的高效率性。

本发明采用的技术方案是一种复杂位置金属平面的空间三维信息获取方法，其特征是，该方法采用电涡流位移传感器阵列测量架，将电涡流传感器探头阵列固定于测量架上，结合激光跟踪仪和电涡流位移传感器的方式实现金属平面的三维空间信息获取。测量前的标定，使用激光跟踪仪对测量架所处位置进行标定，标定后测量架固定不动，与此同时建立激光跟踪仪坐标系与测量架坐标系的空间转换关系。测量进行时，实时采集测量信号，使用基于最小二乘法的金属平面拟合方法对测量信号进行处理，最终拟合出被测金属平面，获取复杂位置金属平面的空间三维信息。该方法的具体步骤如下：

第一步、测量架位置标定及坐标转换

利用激光跟踪仪进行测量架位置标定，在激光跟踪仪上建立世界坐标系即XYZ坐标系；设计的测量架除了有电涡流位移传感器探头阵列的安装孔M₁、M₂、M₃、M₄外，还设计有安装靶球的点A、B、C、D，用于放置激光跟踪仪的靶球；标定测量架位置时，将激光跟踪仪的多个靶球依次放置在测量架的靶球点位置，依次测量靶球点在激光跟踪仪坐标系-XYZ坐标系下的三维坐标(x,y,z)；完成测量架的位置标定过程；

同时，由于测量架为事先设计的，所以其上的靶球点间的空间相对位置关系已知，则可以利用靶球点中的任意三点建立测量架坐标系-UVW坐标系。由此可知测量架上四个靶球点在测量架坐标系-UVW坐标系下的空间三维坐标(u,v,w)。

通过已知靶球点分别在XYZ坐标系下和UVW坐标系下的空间三维坐标，利用欧式空间变换原理，可以获取XYZ坐标系与UVW坐标系的转换关系，即获取旋转矩阵和平移矩阵。欧式空间变换的具体公式如下：

其中：i为任意靶球点，n为靶球点总数，要求n≥3，取i＝1,2,…n，(u_i,v_i,w_i)为任意靶球点在测量架坐标系下的空间三维坐标，(x_i,y_i,z_i)为任意靶球点在激光跟踪仪坐标系下的空间三维坐标，R为旋转矩阵，T为平移矩阵。根据公式(1)，通过将n个方程联立可求解R和T。

此标定步骤在测量之前进行，标定后测量架固定不动，测量过程中不再需要激光跟踪仪的参与，摆脱了利用激光跟踪仪人工手持靶球逐个靶球点接触式测量的这种低效率方式。且只要测量架不动，在下一次测量时也无需进行标定过程。只有当测量架变动后，才需要用激光跟踪仪进行标定。测量过程中，通过实时采集电涡流位移传感器测量信号即可实现整个复杂位置金属平面的空间三维信息在线获取过程，非接触，效率高。

第二步、被测金属平面与电涡流传感器探头阵列对应点的空间三维信息获取

测量时，测量架固定在测量位置上，将电涡流位移传感器探头阵列分别安装到4个探头对应安装孔M₁、M₂、M₃、M₄中，利用激光跟踪仪对测量架被测金属平面上与电涡流位移传感器探头阵列相对应点M₁'、M₂'、M₃'、M₄'进行三维空间信息获取；实时采集电涡流位移传感器探头阵列的位移测量值ΔX；在测量架坐标系-UVW下，根据实时采集的电涡流位移传感器探头的位移测量值ΔX和对应点M₁'、M₂'、M₃'、M₄'与测量架上靶球点之间的空间相对位置关系，求取UVW坐标系下，被测金属平面上与四个电涡流传感器探头对应的点的空间三维坐标；

第三步、UVW坐标系下的基于最小二乘法的被测金属平面拟合

对被测金属平面利用最小二乘法进行拟合获取拟合金属平面方程。最小二乘法金属平面方程拟合具体公式如下：

z＝a₀x+a₁y+a₂(3)

其中：公式(2)为根据最小二乘法求取拟合金属平面方程系数的矩阵。其中n为拟合金属平面所用的点数，要求n≥3；第i个测点，取i＝1,2,……n。(u_i,v_i,w_i)为被测金属平面上与电涡流传感器探头阵列中第i个探头的对应点M'在UVW坐标系下的三维坐标；a₀，a₁，a₂为拟合金属平面方程的系数。公式(3)即为要求取的拟合金属平面方程。

第四步、UVW坐标系下的拟合金属平面空间三维信息获取

根据步骤(4)已经获取被测金属平面的拟合金属平面，则根据拟合金属平面上的空间相对位置关系，可以获取拟合金属平面上任意一点的空间三维信息。

第五步、XYZ坐标系下的拟合金属平面的空间三维信息获取

通过步骤一，已知了测量架坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T，将步骤(4)获取的拟合金属平面的空间三维信息带入空间坐标转换关系公式(1)中，即可获取在世界坐标系下-XYZ坐标系下的金属平面空间三维信息。

本发明的有益效果是方法中这种电涡流而位移传感器阵列测量架能够更好地适用于复杂位置的金属平面空间三维信息快速实时获取，且利用非接触式的测量方式，经过一次的标定过程后，只要测量架位置固定不变，实时采集测量信号可以对金属平面进行快速实时的三维信息获取过程，且测量架的设计可根据实际测量情况修改，适用性强。方法中这种利用电涡流位移传感器阵列测量架相对于传统激光跟踪仪人工手持靶球逐个测点接触测量的当时来说能够更好地适用于处于复杂位置上的金属平面的非接触、快速三维信息获取，获取效率高，可实现实时获取，在被测金属平面存在遮挡的情况下也可以快速实时准确的获取其空间三维信息。

附图说明

图1为金属平面空间三维信息获取的安装图。其中，M₁、M₂、M₃、M₄-探头安装孔，A、B、C、D-安装靶球的点，M₁'，M₂'，M₃'，M₄'-分别为与测量架上探头安装孔M₁、M₂、M₃、M₄的对应点，XYZ-激光跟踪仪上建立的坐标系，UVW为测量架上以靶球点C为零点建立的坐标系。

图2为金属平面空间三维信息获取的过程流程图。整个测量过程分为基于激光跟踪仪的测量架位置标定及坐标转换、被测金属平面探头对应点空间信息获取、测量架坐标系下的基于最小二乘法的被测金属平面拟合、测量架坐标系下拟合金属平面空间三维信息获取、激光跟踪仪坐标系下拟合金属平面空间三维信息获取。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

附图1为金属平面空间三维信息获取的原理图。原理图中仅以四个靶球点、四个探头点为例，实际测量中可根据测量时机情况进行调整。图2为金属平面空间三维信息获取的过程流程图。整个测量过程分为基于激光跟踪仪的测量架位置标定及坐标转换、被测金属平面探头对应点空间信息获取、测量架坐标系下的基于最小二乘法的被测金属平面拟合、测量架坐标系下拟合金属平面空间三维信息获取、激光跟踪仪坐标系下拟合金属平面空间三维信息获取五个步骤，具体步骤如下：

第一步、测量架位置标定及坐标转换

本实施例中设计的电涡流位移传感器测量架如附图1所示，将4个探头1、2、3、4分别安装到测量架上的M₁、M₂、M₃、M₄4个安装孔中；测量架上的A、B、C、D安装靶球的点用于放置激光跟踪仪的4个靶球1、2、3、4，当取n＝3，选择A、C、D三个靶球1、3、4进行。

标定开始时，打开激光跟踪仪，建立激光跟踪仪坐标系，将激光跟踪仪的靶球分别放置于靶球点A、C、D上，依次测量靶球点A、C、D在激光跟踪仪坐标系-XYZ坐标系下的三维坐标为A(2630.17,-554.21,-526.91)，C(2530.50,-551.09,-529.62)，D(2527.79,-610.95,-530.38)。由本实施例中设计的测量架上靶球点间的相对位置关系，可知测量架上的靶球点A、C、D在测量架坐标系-UVW坐标系下的空间三维坐标为A(100,0,0)，C(0,0,0)，D(0,60,0)。将以上坐标值带入公式(1)中即可求得旋转矩阵R和平移矩阵T分别为：

由此完成测量前的标定过程。

第二步、被测金属平面与电涡流传感器探头阵列对应点的空间三维信息获取

完成测量架标定以及坐标转换步骤后，即可开始测量步骤。通过控制计算机可以实时采集电涡流位移传感器阵列的位移测量值，实时性可由计算机控制信号采集进行实现，本实施例中控制计算机采集一次电涡流位移传感器阵列的位移测量值，本实施例设计的电涡流位移传感器阵列由附图1所示，为四个电涡流位移传感器探头M₁，M₂，M₃，M₄。采集得到的四个电涡流位移传感器测量值分别为ΔX₁＝3.8286，ΔX₂＝2.8333，ΔX₃＝3.4226，ΔX₄＝2.4481。在测量架坐标系下，四个电涡流位移传感器与被测表面的对应点为M₁'，M₂'，M₃'，M₄'。根据位移测量值以及本实施例设计的测量架的相对位置关系，最终求得UVW坐标系下，被测金属平面上与四个电涡流传感器探头对应的点M₁'，M₂'，M₃'，M₄'的空间三维坐标分别为M₁'(5,75,-49.0786)，M₄'(55,25,-48.6726)，M₂'(55,75,-48.0833)，M₃'(5,25,-47.6981)。

第三步、UVW坐标系下的基于最小二乘法的被测金属平面拟合

上一步获取的被测金属平面上与四个电涡流传感器探头对应点M'的空间三维坐标M₁'(5,75,-49.0786)，M₄'(55,25,-48.6726)，M₂'(55,75,-48.0833)，M₃'(5,25,-47.6981)，将其带入最小二乘法的金属平面拟合方程(2)中。其中n为拟合金属平面所用的点数，要求n≥3，本实施例取n＝3；第i个点，取i＝1,2,3；对被测金属平面利用公式(2)和公式(3)的最小二乘法进行拟合。通过公式(2)求得的拟合金属平面方程的系数分别为a₀＝0.00020813，a₁＝-0.0079，a₂＝-47.9922。带入公式(2)中，最终获取的拟合金属平面方程即为z＝0.00020813x-0.0079y-47.9922。

第四步、UVW坐标系下的拟合金属平面空间三维信息获取

根据上一步已经获取被测金属平面的拟合金属平面，则根据拟合金属平面上的空间相对位置关系，可以获取拟合金属平面上任意一点的空间三维信息。本实施例取金属平面上四个对应点M₁'，M₂'，M₃'，M₄'的中心位置点作P₁为例。求取P₁点在UVW坐标系下坐标为P₁(30,50,-48.3832)。

第五步、XYZ坐标系下的拟合金属平面的空间三维信息获取

通过标定过程已经获取测量架坐标系与世界坐标系的旋转矩阵R和平移矩阵T，将上一步获取的拟合金属平面的空间三维信息验证点P₁(30,50,-48.3832)带入公式(1)中，最终获取的在激光跟踪仪坐标系-XYZ坐标系下的被测金属平面空间三维信息的点坐标为P₁'(2580.4579,-582.1030,-577.0035)。

本发明的复杂位置上的金属平面空间三维信息获取方法，相对于传统的只利用激光跟踪仪进行人工逐个靶球点测量的方式来说，激光跟踪仪只需在测量前对测量架进行标定，测量架固定后无需激光跟踪仪，直接利用测量架复杂位置金属平面的空间三维信息获取过程，标定只需一次方便，且标定精度高。测量过程为非接触式测量，可以解决非金属遮挡问题，且由计算机控制实时采集测量信号，可实现实时性，大大提高了测量效率。