本發(fā)明屬于檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種結(jié)合電渦流位移傳感器和激光跟蹤儀的金屬平面空間三維信息獲取方法。

背景技術(shù)：

金屬平面空間三維信息的獲取方法在檢測領(lǐng)域中有著十分重要的地位，在很多情況下，獲取空間中金屬平面的三維信息是測量的第一步，在此基礎(chǔ)上才能對金屬平面上的特征信息進行進一步的測量。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)機械的復雜性越來越高，這使得對于空間金屬平面三維信息的獲取的困難性也越來越大，在速度和準確度上都提出了更加苛刻的要求?？臻g金屬平面的位置越來越復雜，針對這種處于復雜位置上的金屬平面，其位置的復雜性將會對金屬平面空間三維信息獲取帶來很大的影響，因此現(xiàn)金的對于金屬平面的空間三維信息獲取方法也正在向快速化、非接觸化進行發(fā)展。復雜位置的金屬平面獲取難度大，對于獲取速度又有著很高的要求，只利用激光跟蹤儀進行金屬平面空間三維信息獲取的方法必然使得獲取過程效率低，不能滿足現(xiàn)今對測量的需求。特別在快速金屬平面三維信息獲取技術(shù)中，要求可以對金屬平面三維信息進行在線獲取，進而可以對金屬平面的形變進行分析監(jiān)控。在目前情況下，如何合理設(shè)計一種金屬平面三維信息獲取方法來實現(xiàn)復雜位置上金屬平面空間三維信息的在線快速獲取過程成為目前的主要問題和主要研究方向。

王巍等人2016年在制造業(yè)自動化期刊第38卷第5期發(fā)表的《基于關(guān)鍵測量特征的飛機裝配工裝在線檢測》中使用激光跟蹤儀對工裝上的特征進行測量，對于工裝上眾多復雜位置金屬平面的空間三維信息的獲取是通過激光跟蹤儀的傳統(tǒng)方式，手持靶球人工測量空間金屬平面上的三維信息，與數(shù)模對比進行檢測。這種方法可以實現(xiàn)空間金屬平面三維信息的獲取，但是利用人工接觸式的測量方法使金屬平面獲取效率過低，且無法實現(xiàn)在線獲取的過程，尤其是當金屬平面遮擋情況出現(xiàn)時無法進行測量。尹英杰等人2013年在電子測量與儀器學報期刊第27卷第4期發(fā)表的《基于單目視覺的金屬平面測量》中通過視覺測量方法測量金屬平面上的物體位置，這種方法可以實現(xiàn)對金屬平面三維信息的非接觸式獲取，但是需要在金屬平面上放置金屬平面靶標等標定件，此種方法對于處于復雜位置的金屬平面并不適用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是獲取處于復雜位置上的金屬平面的三維空間信息，發(fā)明了一種激光跟蹤儀結(jié)合電渦流位移傳感器的獲取方法，用來獲取金屬平面的空間三維信息。利用設(shè)計的電渦流傳感器測量架，將電渦流位移傳感器陣列固定于測量架上，測量時將測量架固定于測量位置，測量位置通過激光跟蹤儀進行標定，同時建立激光跟蹤儀坐標系與測量架坐標系的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系。測量時，實時讀取電渦流位移傳感器測量值，使用基于最小二乘法的金屬平面擬合方法，通過電渦流位移傳感器陣列的測量值對被測金屬平面進行擬合，最終獲取被測金屬平面空間三維信息。通過實時讀取測量值進行數(shù)據(jù)處理，保證了獲取的高效率性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種復雜位置金屬平面的空間三維信息獲取方法，其特征是，該方法采用電渦流位移傳感器陣列測量架，將電渦流傳感器探頭陣列固定于測量架上，結(jié)合激光跟蹤儀和電渦流位移傳感器的方式實現(xiàn)金屬平面的三維空間信息獲取。測量前的標定，使用激光跟蹤儀對測量架所處位置進行標定，標定后測量架固定不動，與此同時建立激光跟蹤儀坐標系與測量架坐標系的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系。測量進行時，實時采集測量信號，使用基于最小二乘法的金屬平面擬合方法對測量信號進行處理，最終擬合出被測金屬平面，獲取復雜位置金屬平面的空間三維信息。該方法的具體步驟如下：

第一步、測量架位置標定及坐標轉(zhuǎn)換

利用激光跟蹤儀進行測量架位置標定，在激光跟蹤儀上建立世界坐標系即xyz坐標系；設(shè)計的測量架除了有電渦流位移傳感器探頭陣列的安裝孔m1、m2、m3、m4外，還設(shè)計有安裝靶球的點a、b、c、d，用于放置激光跟蹤儀的靶球；標定測量架位置時，將激光跟蹤儀的多個靶球依次放置在測量架的靶球點位置，依次測量靶球點在激光跟蹤儀坐標系-xyz坐標系下的三維坐標(x,y,z)；完成測量架的位置標定過程；

同時，由于測量架為事先設(shè)計的，所以其上的靶球點間的空間相對位置關(guān)系已知，則可以利用靶球點中的任意三點建立測量架坐標系-uvw坐標系。由此可知測量架上四個靶球點在測量架坐標系-uvw坐標系下的空間三維坐標(u,v,w)。

通過已知靶球點分別在xyz坐標系下和uvw坐標系下的空間三維坐標，利用歐式空間變換原理，可以獲取xyz坐標系與uvw坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即獲取旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。歐式空間變換的具體公式如下：

其中：i為任意靶球點，n為靶球點總數(shù)，要求n≥3，取i＝1,2,…n，(ui,vi,wi)為任意靶球點在測量架坐標系下的空間三維坐標，(xi,yi,zi)為任意靶球點在激光跟蹤儀坐標系下的空間三維坐標，r為旋轉(zhuǎn)矩陣，t為平移矩陣。根據(jù)公式(1)，通過將n個方程聯(lián)立可求解r和t。

此標定步驟在測量之前進行，標定后測量架固定不動，測量過程中不再需要激光跟蹤儀的參與，擺脫了利用激光跟蹤儀人工手持靶球逐個靶球點接觸式測量的這種低效率方式。且只要測量架不動，在下一次測量時也無需進行標定過程。只有當測量架變動后，才需要用激光跟蹤儀進行標定。測量過程中，通過實時采集電渦流位移傳感器測量信號即可實現(xiàn)整個復雜位置金屬平面的空間三維信息在線獲取過程，非接觸，效率高。

第二步、被測金屬平面與電渦流傳感器探頭陣列對應點的空間三維信息獲取

測量時，測量架固定在測量位置上，將電渦流位移傳感器探頭陣列分別安裝到4個探頭對應安裝孔m1、m2、m3、m4中，利用激光跟蹤儀對測量架被測金屬平面上與電渦流位移傳感器探頭陣列相對應點m1'、m2'、m3'、m4'進行三維空間信息獲取；實時采集電渦流位移傳感器探頭陣列的位移測量值δx；在測量架坐標系-uvw下，根據(jù)實時采集的電渦流位移傳感器探頭的位移測量值δx和對應點m1'、m2'、m3'、m4'與測量架上靶球點之間的空間相對位置關(guān)系，求取uvw坐標系下，被測金屬平面上與四個電渦流傳感器探頭對應的點的空間三維坐標；

第三步、uvw坐標系下的基于最小二乘法的被測金屬平面擬合

對被測金屬平面利用最小二乘法進行擬合獲取擬合金屬平面方程。最小二乘法金屬平面方程擬合具體公式如下：

z＝a0x+a1y+a2(3)

其中：公式(2)為根據(jù)最小二乘法求取擬合金屬平面方程系數(shù)的矩陣。其中n為擬合金屬平面所用的點數(shù)，要求n≥3；第i個測點，取i＝1,2,……n。(ui,vi,wi)為被測金屬平面上與電渦流傳感器探頭陣列中第i個探頭的對應點m'在uvw坐標系下的三維坐標；a0，a1，a2為擬合金屬平面方程的系數(shù)。公式(3)即為要求取的擬合金屬平面方程。

第四步、uvw坐標系下的擬合金屬平面空間三維信息獲取

根據(jù)步驟(4)已經(jīng)獲取被測金屬平面的擬合金屬平面，則根據(jù)擬合金屬平面上的空間相對位置關(guān)系，可以獲取擬合金屬平面上任意一點的空間三維信息。

第五步、xyz坐標系下的擬合金屬平面的空間三維信息獲取

通過步驟一，已知了測量架坐標系與激光跟蹤儀坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矩陣t，將步驟(4)獲取的擬合金屬平面的空間三維信息帶入空間坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系公式(1)中，即可獲取在世界坐標系下-xyz坐標系下的金屬平面空間三維信息。

本發(fā)明的有益效果是方法中這種電渦流而位移傳感器陣列測量架能夠更好地適用于復雜位置的金屬平面空間三維信息快速實時獲取，且利用非接觸式的測量方式，經(jīng)過一次的標定過程后，只要測量架位置固定不變，實時采集測量信號可以對金屬平面進行快速實時的三維信息獲取過程，且測量架的設(shè)計可根據(jù)實際測量情況修改，適用性強。方法中這種利用電渦流位移傳感器陣列測量架相對于傳統(tǒng)激光跟蹤儀人工手持靶球逐個測點接觸測量的當時來說能夠更好地適用于處于復雜位置上的金屬平面的非接觸、快速三維信息獲取，獲取效率高，可實現(xiàn)實時獲取，在被測金屬平面存在遮擋的情況下也可以快速實時準確的獲取其空間三維信息。

附圖說明

圖1為金屬平面空間三維信息獲取的安裝圖。其中，m1、m2、m3、m4-探頭安裝孔，a、b、c、d-安裝靶球的點，m1'，m2'，m3'，m4'-分別為與測量架上探頭安裝孔m1、m2、m3、m4的對應點，xyz-激光跟蹤儀上建立的坐標系，uvw為測量架上以靶球點c為零點建立的坐標系。

圖2為金屬平面空間三維信息獲取的過程流程圖。整個測量過程分為基于激光跟蹤儀的測量架位置標定及坐標轉(zhuǎn)換、被測金屬平面探頭對應點空間信息獲取、測量架坐標系下的基于最小二乘法的被測金屬平面擬合、測量架坐標系下擬合金屬平面空間三維信息獲取、激光跟蹤儀坐標系下擬合金屬平面空間三維信息獲取。

具體實施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式。

附圖1為金屬平面空間三維信息獲取的原理圖。原理圖中僅以四個靶球點、四個探頭點為例，實際測量中可根據(jù)測量時機情況進行調(diào)整。圖2為金屬平面空間三維信息獲取的過程流程圖。整個測量過程分為基于激光跟蹤儀的測量架位置標定及坐標轉(zhuǎn)換、被測金屬平面探頭對應點空間信息獲取、測量架坐標系下的基于最小二乘法的被測金屬平面擬合、測量架坐標系下擬合金屬平面空間三維信息獲取、激光跟蹤儀坐標系下擬合金屬平面空間三維信息獲取五個步驟，具體步驟如下：

第一步、測量架位置標定及坐標轉(zhuǎn)換

本實施例中設(shè)計的電渦流位移傳感器測量架如附圖1所示，將4個探頭1、2、3、4分別安裝到測量架上的m1、m2、m3、m44個安裝孔中；測量架上的a、b、c、d安裝靶球的點用于放置激光跟蹤儀的4個靶球1、2、3、4，當取n＝3，選擇a、c、d三個靶球1、3、4進行。

標定開始時，打開激光跟蹤儀，建立激光跟蹤儀坐標系，將激光跟蹤儀的靶球分別放置于靶球點a、c、d上，依次測量靶球點a、c、d在激光跟蹤儀坐標系-xyz坐標系下的三維坐標為a(2630.17,-554.21,-526.91)，c(2530.50,-551.09,-529.62)，d(2527.79,-610.95,-530.38)。由本實施例中設(shè)計的測量架上靶球點間的相對位置關(guān)系，可知測量架上的靶球點a、c、d在測量架坐標系-uvw坐標系下的空間三維坐標為a(100,0,0)，c(0,0,0)，d(0,60,0)。將以上坐標值帶入公式(1)中即可求得旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矩陣t分別為：

由此完成測量前的標定過程。

第二步、被測金屬平面與電渦流傳感器探頭陣列對應點的空間三維信息獲取

完成測量架標定以及坐標轉(zhuǎn)換步驟后，即可開始測量步驟。通過控制計算機可以實時采集電渦流位移傳感器陣列的位移測量值，實時性可由計算機控制信號采集進行實現(xiàn)，本實施例中控制計算機采集一次電渦流位移傳感器陣列的位移測量值，本實施例設(shè)計的電渦流位移傳感器陣列由附圖1所示，為四個電渦流位移傳感器探頭m1，m2，m3，m4。采集得到的四個電渦流位移傳感器測量值分別為δx1＝3.8286，δx2＝2.8333，δx3＝3.4226，δx4＝2.4481。在測量架坐標系下，四個電渦流位移傳感器與被測表面的對應點為m1'，m2'，m3'，m4'。根據(jù)位移測量值以及本實施例設(shè)計的測量架的相對位置關(guān)系，最終求得uvw坐標系下，被測金屬平面上與四個電渦流傳感器探頭對應的點m1'，m2'，m3'，m4'的空間三維坐標分別為m1'(5,75,-49.0786)，m4'(55,25,-48.6726)，m2'(55,75,-48.0833)，m3'(5,25,-47.6981)。

第三步、uvw坐標系下的基于最小二乘法的被測金屬平面擬合

上一步獲取的被測金屬平面上與四個電渦流傳感器探頭對應點m'的空間三維坐標m1'(5,75,-49.0786)，m4'(55,25,-48.6726)，m2'(55,75,-48.0833)，m3'(5,25,-47.6981)，將其帶入最小二乘法的金屬平面擬合方程(2)中。其中n為擬合金屬平面所用的點數(shù)，要求n≥3，本實施例取n＝3；第i個點，取i＝1,2,3；對被測金屬平面利用公式(2)和公式(3)的最小二乘法進行擬合。通過公式(2)求得的擬合金屬平面方程的系數(shù)分別為a0＝0.00020813，a1＝-0.0079，a2＝-47.9922。帶入公式(2)中，最終獲取的擬合金屬平面方程即為z＝0.00020813x-0.0079y-47.9922。

第四步、uvw坐標系下的擬合金屬平面空間三維信息獲取

根據(jù)上一步已經(jīng)獲取被測金屬平面的擬合金屬平面，則根據(jù)擬合金屬平面上的空間相對位置關(guān)系，可以獲取擬合金屬平面上任意一點的空間三維信息。本實施例取金屬平面上四個對應點m1'，m2'，m3'，m4'的中心位置點作p1為例。求取p1點在uvw坐標系下坐標為p1(30,50,-48.3832)。

第五步、xyz坐標系下的擬合金屬平面的空間三維信息獲取

通過標定過程已經(jīng)獲取測量架坐標系與世界坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣r和平移矩陣t，將上一步獲取的擬合金屬平面的空間三維信息驗證點p1(30,50,-48.3832)帶入公式(1)中，最終獲取的在激光跟蹤儀坐標系-xyz坐標系下的被測金屬平面空間三維信息的點坐標為p1'(2580.4579,-582.1030,-577.0035)。

本發(fā)明的復雜位置上的金屬平面空間三維信息獲取方法，相對于傳統(tǒng)的只利用激光跟蹤儀進行人工逐個靶球點測量的方式來說，激光跟蹤儀只需在測量前對測量架進行標定，測量架固定后無需激光跟蹤儀，直接利用測量架復雜位置金屬平面的空間三維信息獲取過程，標定只需一次方便，且標定精度高。測量過程為非接觸式測量，可以解決非金屬遮擋問題，且由計算機控制實時采集測量信號，可實現(xiàn)實時性，大大提高了測量效率。