[发明专利]基于激光跟踪仪的飞机机身姿态计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空制造技术领域，尤其涉及一种基于激光跟踪仪的飞机机身姿态计算方法。

背景技术

激光跟踪仪作为大范围高精度的测量工具，在飞机大部件数字化装配中，显示出越来越重要的地位。清华大学申请的发明专利(申请号99109623)公开了一种由目标反射镜组、跟踪站群及计算机控制与数据采集处理系统等组成的目标空间位置及姿态激光测量跟踪系统。该系统可以实现对目标空间坐标、速度，加速度以及全姿态的测量。但是这种方法为了获得目标的位置和姿态，其目标测量点只能取3个点。并且需要预先标定出跟踪站之间的位置关系。

部件上的三个点可以确定部件的姿态，刚体姿态计算的最初方法是3点定位法：测量刚体上不在同一直线上的3个点，并通过这3个点建立一个部件坐标系，这个部件坐标系就可以表达刚体的姿态。显然利用这种方法计算姿态，其误差与坐标系的建立方法相关，在测量点多于3个点的时候，这种方法不能让所有的点都参与姿态的计算，这就增加了姿态计算的误差。

在测量点多于3点的情况下，一般需要构造最小二乘目标函数，然后进行简化求解，以便求得的姿态满足各点误差之和最小的要求。其中，文献“Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions”(HORN，BKP.《J Opt Soc Am Ser A》，1987.4：p.629-642)介绍的四组元法和文献“Least-squares fitting of two 3-D point sets”(ARUN，K.S.；HUANG，T.S.；BLOSTEIN，S.D.《IEEE Trans Pattern Anal Machine Intell》，1987.9：p.698-700)介绍的和奇异值分解法是应用最多的算法。其他算法多数是对这两个方法的改进。这些算法都是非迭代的，而且不需要用户提供初值，就能够快速的获得各个点误差都比较小的刚性转换参数。然而，每个点误差都最小并不一定是部件的最佳姿态。部件上的很多关键点有约束误差的要求，比如对称度、平面度、直线度等等。用以上方法匹配计算获得的结果往往不能满足这些约束条件。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于激光跟踪仪的飞机机身姿态计算方法。

基于激光跟踪仪的飞机机身姿态计算方法包括如下步骤：

1)在测量空间内，布置覆盖整个空间的5～12个公共观测点，并被激光跟踪仪测量到；

2)利用激光跟踪仪测量公共观测点坐标，在现场建立一个参考坐标系，计算公共观测点在参考坐标系下的位置，称之为公共观测点的理论位置；

3)根据机身数字化模型，设计一个飞机放置在现场的理想位置，此时，机身上各测量点在现场参考坐标系下的坐标值，称为测量点的理论值；

4)各激光跟踪仪测量公共观测点，根据公共观测点的理论值和测量值对激光跟踪仪进行转站，使得激光跟踪仪的测量坐标系与参考坐标系重合；这一步通过操作跟踪仪的配套软件实现。

5)测量机身上的姿态测量点，并根据姿态测量点的理论值和测量值计算机身姿态，姿态计算方法考虑了部分测量点的约束要求，以最小二乘误差表达作为目标函数，利用多目标最优化模型把约束和点匹配结合起来，利用牛顿法求解最优化问题，获得符合约束条件的飞机机身最佳姿态。

所述的在现场建立一个参考坐标系，计算公共观测点在参考坐标系下的位置步骤：设建立的直角坐标系原点为O(x0，y0，z0)，x、y、z轴为分别表示为向量OX，OY，OZ，则公共观测点P在参考坐标系下的位置P’的计算公式为：

P’＝((P-O)·OX，(P-O)·OX，(P-O)·OX)

所述的根据机身数字化模型，设计一个飞机放置在现场的理想位置步骤：飞机坐标系和现场坐标系方向一致，各方向上有平移量Δ(Δx，Δy，Δz)，若机身上各测量点在飞机坐标系下坐标K，则测量点的理论值为K+Δ。

所述的测量机身上的姿态测量点，并根据姿态测量点的理论值和测量值计算机身姿态步骤：

1)所述的最小二乘误差表达作为目标函数为：min(ξ_m(v)w_m+ξ_c1(v)w_c1+…+ξ_ci(v)w_ci+…+ξ_cn(v)w_cn)