[发明专利]一种管件法兰相对位姿测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种管件法兰相对位姿测量系统，其特征在于：所述管件法兰相对位姿测量系统包括：扫描装置(1)、移动段管件(2)和固定段管件(3)；

扫描装置(1)包括两个线扫描激光测距传感器(4)、传感器旋转机构(5)和支撑杆(6)，扫描装置设置在移动段管件(2)和固定段管件(3)之间，传感器旋转机构(5)带动两个线扫描激光测距传感器(4)进行圆周运动，两个线扫描激光测距传感器(4)分别扫描移动段管件(2)和固定段管件(3)；支撑杆(6)一端连接传感器旋转机构(5)，另一端通过传感器固定结构固定线扫描激光测距传感器(4)。

2.一种采用权利要求1所述系统的管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：建立世界坐标系；

步骤二：建立移动段管件(2)坐标系：

步骤三：建立固定段管件(3)坐标系；

步骤四：根据步骤一至步骤三建立的坐标系测量移动段管件(2)和固定段管件(3)的相对位姿；具体包括以下步骤：

步骤四一：根据步骤一至步骤三建立的坐标系，求得移动段管件(2)相对于世界坐标系的位姿，用位姿变换矩阵^sT_m表示；

步骤四二：采用步骤四一的方法求得固定段管件(3)相对于世界坐标系的位姿，用位姿矩阵^sT_t表示；

步骤四三：移动段管件(2)相对于固定段管件(3)的位姿变换矩阵^tT_m由下式(1)求得：

^tT_m＝^tT_s·^sT_m＝(^sT_t)^-1·^sT_m (1)。

3.根据权利要求2所述的一种管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤一中建立世界坐标系具体为：

世界坐标系圆心O_s位于传感器旋转机构(5)旋转轴线和传感器支撑杆(6)轴线的交点，x_s轴与传感器旋转机构旋转轴线重合，指向固定段管件(3)；z_s轴与传感器支撑杆(6)轴线重合，指向传感器(4)；y_s轴由右手定则确定。

4.根据权利要求3所述的一种管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤二中建立移动段管件(2)坐标系具体为：

移动段管件(2)坐标系的圆心O_m位于移动段管件(2)法兰面圆心，x_m轴与法兰面法向量重合，指向固定段管件(3)；在移动段管件(2)法兰面的边缘均匀分布12个通孔，并依次标号，将第一个通孔和第七个通孔作为用于定位的销孔，z_m轴与第7销孔圆心与第1销孔圆心的连线重合，由第7销孔圆心指向第1销孔圆心；y_m轴由右手定则确定。

5.根据权利要求4所述的一种管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤三中建立固定段管件(3)坐标系具体为：

圆心O_t位于固定段管件(3)法兰面圆心，x_t轴与法兰面法向量重合，指向与x_m轴一致；在固定段管件(3)法兰面的边缘均匀分布12个通孔，并依次标号，将第一个通孔和第七个通孔作为用于定位的销孔，z_t轴与第7销轴圆心与第1销轴圆心的连线重合，由第7销轴圆心指向第1销轴圆心；y_t轴由右手定则确定。

6.根据权利要求5所述的一种管件法兰相对位姿测量方法，其特征在于：所述步骤四一中根据步骤一至步骤三建立的坐标系，求得移动段管件(2)相对于世界坐标系的位姿的具体过程为：

采用位姿矩阵^sT_m表示移动段管件坐标系O_mx_my_mz_m相对于世界坐标系O_sx_sy_sz_s的位姿；

其中为x_m轴单位矢量在x_s轴投影，为x_m轴单位矢量在y_s轴投影，为x_m轴单位矢量在z_s轴投影，为y_m轴单位矢量在x_s轴投影，为y_m轴单位矢量在y_s轴投影，为y_m轴单位矢量在z_s轴投影，为z_m轴单位矢量在x_s轴投影，为z_m轴单位矢量在y_s轴投影，为z_m轴单位矢量在z_s轴投影，为O_m在世界坐标系中x坐标值，为O_m在世界坐标系中y坐标值，为O_m在世界坐标系中z坐标值；

旋转矩阵^sR_m表示为：

根据旋转矩阵^sR_m列矢量是单位矢量且两两相互正交，列出6个相互独立约束方程如式(4)；

通过采集线扫描激光测距传感器(4)的测量信息，得到管件法兰面上各个通孔圆心在世界坐标系中的坐标信息，利用第1、7销孔圆心以及第4通孔圆心在世界坐标系的坐标对移动段管件(2)相对世界坐标系的位姿进行求解；

假设第1、7销孔圆心以及第4通孔圆心点坐标为：P₁(x_1s，y_1s，z_1s)，P₇(x_7s，y_7s，z_7s)，P₄(x_4s，y_4s，z_4s)；在坐标系O_mx_my_mz_m中，O_mx_m是移动段管件(2)法兰面法向量，即是平面O_my_mz_m法向量；取平面O_my_mz_m上三个点P₁，P₄，P₇，组成两个相交向量根据正交性，得到：

联立解得

不考虑管件制造加工误差，则移动段管件法兰面圆心O_m为P₁，P₇的中点，移动段管件法兰面圆心在世界坐标系中的坐标由式(6)求得：

为O_m点在世界坐标系的坐标，坐标系O_mx_my_mz_m原点O_m在坐标系O_sx_sy_sz_s中的坐标值，即为位姿矩阵^sT_m的和如式(7)所示：

坐标系O_mx_my_mz_m中，O_mz_m轴与P₇P₁重合，且由P₇指向P₁；得到如式(8)所示：

根据得到的^sR_m中的由正交关系求得^sT_m中的12个参数全部求得；

即求得了移动段管件坐标系O_mx_my_mz_m相对于世界坐标系O_sx_sy_sz_s的位姿矩阵^sT_m。