[发明专利]一种三维测量系统工具坐标系标定方法

说明书

本发明公开了一种三维测量系统工具坐标系标定方法，该标定方法包括以下步骤：步骤S1，设计测量程序并采集测量点数据；步骤S2，求解姿态矩阵参数初始值；步骤S3，辨识正交化姿态矩阵参数误差；步骤S4，判断姿态矩阵是否满足约束条件。本发明节约了测量成本，提高了标定效率；在传统姿态矩阵正交化程序的基础上，建立了新姿态矩阵参数误差辨识模型，通过循环逼近的方式辨识得到姿态矩阵参数误差，进一步提高了辨识精度。本发明解决了因测量头姿态误差导致测量系统测量精度下降的问题，同时对矩阵正交化程序带来的误差进行迭代辨识，直至得到高精度的满足旋转矩阵特性的姿态矩阵，具有标定精度高、成本低、快速等特点。

技术领域

本发明涉及标定技术领域，尤其涉及一种三维测量系统工具坐标系标定方法。

背景技术

本发明中所涉及的三维测量系统由一个三轴移动机构和一个R-test测量仪组成，用于测量目标物的三维位置。如图1所示，R-test测量仪固定在移动轴的末端。当目标物移动时，三轴移动机构带动R-test测量仪对准目标物，最后通过移动机构和R-test测量仪的测量值得到目标物的三维位置。加工和装配误差使得R-test测量仪的安装姿态产生偏移，最终导致测量结果不精确，难以满足测量精度需求。因此，在安装完成后，有必要对R-test测量头坐标系相对三轴移动机构坐标系的姿态进行校准，以提高整个测量系统的测量精度。

然而由于测量噪音的存在，所辨识的姿态矩阵不能满足旋转矩阵的正交性，需要进行正交化处理。虽然此正交化处理程序可以得到姿态矩阵的映射旋转矩阵，但是也增加了姿态矩阵的正交转换误差，使得姿态矩阵的辨识不确定度增加。

所以，亟需解决因测量头姿态误差导致测量系统测量精度下降和正交化处理导致姿态矩阵辨识不确定度增加的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种三维测量系统工具坐标系标定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种三维测量系统工具坐标系标定方法，三维测量系统包括三轴移动机构和R-test测量仪，该方法包括以下步骤：

S1、设计测量程序并采集测量点数据：保持精密球的位置不变，多次变换三维测量系统的测量位置和测量方向获取球心的位置，此为一组测量，变换精密球的位置，循环测量获取多组数据；

S2、求解姿态矩阵参数初始值：结合R-test测量仪坐标系、三轴移动机构坐标系构建姿态矩阵；当三维测量系统分别位于不同测量位置时，建立误差方程；当变换精密球位置时，建立多组数据组成的姿态矩阵超定方程组，通过最小二乘法求解得到姿态矩阵的参数，并对姿态矩阵进行正交化处理，得到近似正交矩阵；

S3、建立参数辨识模型并辨识姿态参数：将求解得到的近似正交姿态矩阵的值作为初始值，并结合姿态矩阵的误差矩阵，建立参数辨识模型；通过最小二乘法求解，得到新的姿态矩阵；

S4、判断新的姿态矩阵是否满足约束条件；若不满足约束条件，则将新的姿态矩阵作为初始值，重复执行步骤S3；若满足约束条件，结束标定。

进一步地，本发明的所述步骤S2中，结合R-test测量仪坐标系、三轴移动机构坐标系的姿态矩阵为：

其中，{t}表示R-test测量仪坐标系，{MC}表示三轴移动机构坐标系；表示姿态矩阵的第一列单位向量，表示姿态矩阵的第二列单位向量，表示姿态矩阵的第三列单位向量。

进一步地，本发明的所述步骤S2中，建立误差方程的方法：

对于第i个位置处的精密球；i＝1,…,I；当测量系统分别位于第m个和第m+k个测量位置处时；m＝1,…,N-1；k＝1,…,N-m；建立如下误差方程：