一種關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化方法，包括以下步驟：a)測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化過(guò)程：將姿態(tài)優(yōu)化裝置放置在待測(cè)空間內(nèi)，使用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)姿態(tài)優(yōu)化測(cè)量裝置上不同面上的多個(gè)錐孔以不同測(cè)量姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量；計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的重復(fù)精度，并與六個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值組成關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)姿態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；借助關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的輔助支架在處理后測(cè)量姿態(tài)下對(duì)待測(cè)物進(jìn)行測(cè)量；b)數(shù)據(jù)處理過(guò)程：通過(guò)D-H模型計(jì)算第j組測(cè)量姿態(tài)θ1j、θ2j、θ3j、θ4j、θ5j、θ6j下對(duì)應(yīng)的測(cè)頭坐標(biāo)xj、yj、zj，計(jì)算對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)i的至少50組數(shù)據(jù)坐標(biāo)平均值。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于坐標(biāo)測(cè)量
，具體涉及一種關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化方法。
技術(shù)介紹
關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種多自由度非正交坐標(biāo)式的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它主要是由一個(gè)磁性基座，三個(gè)測(cè)量臂，六個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和一個(gè)測(cè)頭組成。通過(guò)每個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角內(nèi)的角度傳感器的示數(shù)和關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)借助運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)計(jì)算測(cè)頭的坐標(biāo)。相比傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)有著使用方便、測(cè)量范圍大、測(cè)量精度較高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量，產(chǎn)品檢測(cè)，逆向工程等方面。但是由于測(cè)量機(jī)串聯(lián)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其有著誤差因素多、誤差逐級(jí)傳遞、結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定困難等缺點(diǎn)。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的標(biāo)定大多是通過(guò)對(duì)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)并對(duì)原測(cè)量機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)完成的。但是由于關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，且個(gè)別參數(shù)隨測(cè)量環(huán)境的變化有著微弱變化導(dǎo)致測(cè)量機(jī)標(biāo)定過(guò)程中存在著誤差，使得進(jìn)一步提高關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度困難。目前，提高關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度的方法主要是通過(guò)對(duì)測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)現(xiàn)的。主要分為外部標(biāo)定和自標(biāo)定兩種方法。外部標(biāo)定大多是使用高精度測(cè)量設(shè)備對(duì)測(cè)量機(jī)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量或者校準(zhǔn)了，標(biāo)定過(guò)程比較復(fù)雜，且對(duì)輔助標(biāo)定設(shè)備要求較高，如《基于激光跟蹤儀的關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)參數(shù)標(biāo)定》利用激光跟蹤儀進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)采用專用夾具固定測(cè)量機(jī)的姿態(tài)，測(cè)量30個(gè)點(diǎn)，采用高斯-牛頓法求最小二乘解，《關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》和《基于反轉(zhuǎn)法的平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的標(biāo)定》借助標(biāo)定裝置使用反轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的方法對(duì)平行雙關(guān)節(jié)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和六自由度關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。而自標(biāo)定則大多通過(guò)使用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量特定的標(biāo)定件如錐窩或者石英棒等聯(lián)立方程組求解測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。《柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)參數(shù)辨識(shí)方法》采用了單點(diǎn)錐窩的標(biāo)定方法，將一個(gè)錐窩固定在測(cè)量空間的一個(gè)位置，使用關(guān)節(jié)式柔性坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)錐窩頂點(diǎn)連續(xù)采樣200點(diǎn)；《變臂關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的參數(shù)自標(biāo)定方法研究》使用非線性規(guī)劃遺傳算法對(duì)60組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。相比外部標(biāo)定方式，內(nèi)部標(biāo)定有著實(shí)施簡(jiǎn)單，不需要過(guò)多的輔助設(shè)備等優(yōu)勢(shì)，但無(wú)法克服標(biāo)定過(guò)程中由算法帶來(lái)的誤差和采集過(guò)程當(dāng)中的人為誤差以及由于測(cè)量環(huán)境的改變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度和測(cè)量姿態(tài)相關(guān)。《關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)轉(zhuǎn)角誤差的仿真研究》由于不同測(cè)量姿態(tài)導(dǎo)致相同轉(zhuǎn)角誤差影響下的測(cè)量精度是不同的；《關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)誤差仿真系統(tǒng)建模與分析》提出關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角的誤差與測(cè)量姿態(tài)有密切關(guān)系；《關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)角度傳感器偏心參數(shù)辨識(shí)》中提到角度傳感器偏心誤差是有關(guān)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的函數(shù)，且對(duì)測(cè)量機(jī)測(cè)量精度影響很大。則使用不同測(cè)量姿態(tài)將可以減小由于傳感器偏心誤差導(dǎo)致的測(cè)量誤差。以上文獻(xiàn)都提出測(cè)量精度受測(cè)量姿態(tài)影響較大，但都沒(méi)有準(zhǔn)確提出關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)上述標(biāo)定過(guò)程中存在的問(wèn)題，提供一種關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化方法，包括以下步驟：a)測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化過(guò)程：將姿態(tài)優(yōu)化裝置放置在待測(cè)空間內(nèi)，使用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)姿態(tài)優(yōu)化測(cè)量裝置上不同面上的多個(gè)錐孔以不同測(cè)量姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)錐孔測(cè)量多次，得到測(cè)量樣本；計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的重復(fù)精度，并與六個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值組成關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)姿態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；借助關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的輔助支架在處理后測(cè)量姿態(tài)下對(duì)待測(cè)物進(jìn)行測(cè)量；或在處理后測(cè)量姿態(tài)下對(duì)待測(cè)物進(jìn)行多次測(cè)量，再將測(cè)量姿態(tài)結(jié)果以外的數(shù)據(jù)濾去得到測(cè)量機(jī)姿態(tài)優(yōu)化后的待測(cè)物測(cè)量數(shù)據(jù)；b)數(shù)據(jù)處理過(guò)程：通過(guò)D-H模型計(jì)算第j組測(cè)量姿態(tài)θ1j、θ2j、θ3j、θ4j、θ5j、θ6j下對(duì)應(yīng)的測(cè)頭坐標(biāo)xj、yj、zj，計(jì)算對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)i的至少50組數(shù)據(jù)坐標(biāo)平均值將每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量至少50次的坐標(biāo)平均值作為坐標(biāo)真值，并使用其來(lái)計(jì)算該測(cè)量姿態(tài)下的測(cè)量誤差δj：δj=(xj-x‾i)2+(yj-y‾i)2+(zj-z‾i)2]]>將第j組測(cè)量姿態(tài)與對(duì)應(yīng)測(cè)量誤差聯(lián)立θ1j、θ2j、θ3j、θ4j、θ5j、θ6jδj，關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)將有以上至少5000組測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)組成；對(duì)所有測(cè)量機(jī)測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，即將測(cè)量姿態(tài)和測(cè)量誤差接近的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)匯聚在一起，形成多個(gè)簇；對(duì)所有簇內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算簇i內(nèi)平均測(cè)量誤差若簇內(nèi)含有k組樣本，則簇j內(nèi)測(cè)量誤差方差σj=Σi=1k(δ1-δ‾)2n-1]]>計(jì)算簇內(nèi)第j個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θj，旋轉(zhuǎn)范圍Δθj：Δθj=C|max(θj)-min(θj)|；j=1，2，3，4，5，6其中max(θj)，min(θj)分別為簇中第j個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的最大值和最小值，C為測(cè)量姿態(tài)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍權(quán)值，為了保證測(cè)量精度，一般情況下C應(yīng)小于1，姿態(tài)優(yōu)化后第j個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)邊界θjmax，θjmin分別為：θjmax=max(θj)-min(θj)+Δθj2;j=1,2,3,4,5,6]]>θjmin=max(θj)-min(θj)-Δθj2;j=1,2,3,4,5,6]]>最后根據(jù)各個(gè)簇的測(cè)量平均誤差，測(cè)量誤差方差，簇內(nèi)樣本數(shù)對(duì)簇進(jìn)行提取。優(yōu)選地，在所述測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化過(guò)程中，將姿態(tài)優(yōu)化裝置放置在待測(cè)空間內(nèi)，測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化裝置不同面上的50個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)使用不同測(cè)量姿態(tài)測(cè)量測(cè)量50次。優(yōu)選地，在所述測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化過(guò)程中，將姿態(tài)優(yōu)化裝置放置在待測(cè)空間內(nèi)，測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化裝置不同面上的100個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)使用不同測(cè)量姿態(tài)測(cè)量測(cè)量100次。優(yōu)選地，在所述測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化過(guò)程中，將姿態(tài)優(yōu)化裝置放置在待測(cè)空間內(nèi)，測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化裝置不同面上的50個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)使用不同測(cè)量姿態(tài)測(cè)量測(cè)量100次。本專利技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)是：采用自主設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)姿態(tài)優(yōu)化裝置，其上的錐孔及孔矩可計(jì)算重復(fù)性測(cè)量精度。具備簡(jiǎn)單易行的采樣策略，將姿態(tài)優(yōu)化裝置放置在待測(cè)空間內(nèi)，測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化裝置不同面上的100個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)使用不同測(cè)量姿態(tài)測(cè)量測(cè)量50次。測(cè)量過(guò)程中可通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕或旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)姿態(tài)優(yōu)化裝置以得到測(cè)量空間內(nèi)更多的采樣點(diǎn)。與已有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果體現(xiàn)在：1、本專利技術(shù)主要針對(duì)關(guān)節(jié)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化方法，包括以下步驟：a)測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化過(guò)程將姿態(tài)優(yōu)化裝置放置在待測(cè)空間內(nèi)，使用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)姿態(tài)優(yōu)化測(cè)量裝置上不同面上的多個(gè)錐孔以不同測(cè)量姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)錐孔測(cè)量多次，得到測(cè)量樣本；計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的重復(fù)精度，并與六個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值組成關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)姿態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；借助關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的輔助支架在處理后測(cè)量姿態(tài)下對(duì)待測(cè)物進(jìn)行測(cè)量；或在處理后測(cè)量姿態(tài)下對(duì)待測(cè)物進(jìn)行多次測(cè)量，再將測(cè)量姿態(tài)結(jié)果以外的數(shù)據(jù)濾去得到測(cè)量機(jī)姿態(tài)優(yōu)化后的待測(cè)物測(cè)量數(shù)據(jù)；b)數(shù)據(jù)處理過(guò)程通過(guò)D?H模型計(jì)算第j組測(cè)量姿態(tài)θ1j、θ2j、θ3j、θ4j、θ5j、θ6j下對(duì)應(yīng)的測(cè)頭坐標(biāo)xj、yj、zj，計(jì)算對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)i的至少50組數(shù)據(jù)坐標(biāo)平均值將每個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量至少50次的坐標(biāo)平均值作為坐標(biāo)真值，并使用其來(lái)計(jì)算該測(cè)量姿態(tài)下的測(cè)量誤差δj：δj=(xj-x‾i)2+(yj-y‾i)2+(zj-z‾i)2]]>將第j組測(cè)量姿態(tài)與對(duì)應(yīng)測(cè)量誤差聯(lián)立θ1j、θ2j、θ3j、θ4j、θ5j、θ6j、δj，關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)將有以上至少5000組測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)組成；對(duì)所有測(cè)量機(jī)測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，即將測(cè)量姿態(tài)和測(cè)量誤差接近的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)匯聚在一起，形成多個(gè)簇；對(duì)所有簇內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算簇i內(nèi)平均測(cè)量誤差若簇內(nèi)含有k組樣本，則簇j內(nèi)測(cè)量誤差方差σj=Σi=1k(δj-δ‾)2n-1]]>計(jì)算簇內(nèi)第j個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θj，旋轉(zhuǎn)范圍Δθj：Δθj=C|max(θj)-min(θj)|;j=1,2,3,4,5,6]]>其中max(θj)，min(θj)分別為簇中第j個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的最大值和最小值，C為測(cè)量姿態(tài)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍權(quán)值，為了保證測(cè)量精度，一般情況下C應(yīng)小于1，姿態(tài)優(yōu)化后第j個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)邊界θjmax，θjmin分別為：θjmax=max(θj)-min(θj)+Δθj2;j=1,2,3,4,5,6]]>θjmin=max(θj)-min(θj)-Δθj2;j=1,2,3,4,5,6]]>最后根據(jù)各個(gè)簇的測(cè)量平均誤差，測(cè)量誤差方差，簇內(nèi)樣本數(shù)對(duì)簇進(jìn)行提取。...

【技術(shù)特征摘要】
2015.10.14 CN 20151066076141.一種關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化方法，包括以下步驟：
a)測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化過(guò)程
將姿態(tài)優(yōu)化裝置放置在待測(cè)空間內(nèi)，使用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)姿態(tài)優(yōu)化
測(cè)量裝置上不同面上的多個(gè)錐孔以不同測(cè)量姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)錐孔測(cè)量多
次，得到測(cè)量樣本；
計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的重復(fù)精度，并與六個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值組成關(guān)節(jié)式坐標(biāo)
測(cè)量機(jī)姿態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；
借助關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的輔助支架在處理后測(cè)量姿態(tài)下對(duì)待測(cè)物進(jìn)行測(cè)
量；或在處理后測(cè)量姿態(tài)下對(duì)待測(cè)物進(jìn)行多次測(cè)量，再將測(cè)量姿態(tài)結(jié)果以外
的數(shù)據(jù)濾去得到測(cè)量機(jī)姿態(tài)優(yōu)化后的待測(cè)物測(cè)量數(shù)據(jù)；
b)數(shù)據(jù)處理過(guò)程
通過(guò)D-H模型計(jì)算第j組測(cè)量姿態(tài)θ1j、θ2j、θ3j、θ4j、θ5j、θ6j下對(duì)應(yīng)的測(cè)頭坐標(biāo)
xj、yj、zj，計(jì)算對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)i的至少50組數(shù)據(jù)坐標(biāo)平均值將每
個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)量至少50次的坐標(biāo)平均值作為坐標(biāo)真值，并使用其來(lái)計(jì)算該測(cè)量
姿態(tài)下的測(cè)量誤差δj：
δj=(xj-x‾i)2+(yj-y‾i)2+(zj-z‾i)2]]>將第j組測(cè)量姿態(tài)與對(duì)應(yīng)測(cè)量誤差聯(lián)立θ1j、θ2j、θ3j、θ4j、θ5j、θ6j、δj，關(guān)節(jié)
式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量姿態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)將有以上至少5000組測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)組成；
對(duì)所有測(cè)量機(jī)測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，即將測(cè)量姿態(tài)和測(cè)量誤差接
近的測(cè)量姿態(tài)數(shù)據(jù)匯聚在一起，形成多個(gè)簇；
對(duì)所有簇內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算簇i內(nèi)平均測(cè)量誤差若簇內(nèi)含有k組
樣本，則簇j內(nèi)測(cè)量誤差...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：祝連慶，郭陽(yáng)寬，潘志康，董明利，婁小平，劉超，汪金鵬，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京信息科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11