遮挡区域空间位姿的多传感组合测量方法研究

陆 野，马国鹭，曾国英，肖兴维

（西南科技大学 制造过程测试技术教育部重点实验室，四川 绵阳 621010）

引言

工业设备的自动化装配技术在现代工业制造过程中扮演着重要角色[1-3]，其中设备模块间相对位姿的测量又是保证设备质量与效益的关键。目前人工测量的方法在效率、精度和可靠性上难以达到工业制造要求[2]；同时存在测量区域尺度跨度大、空间狭长、易被遮挡等问题[4-6]。因此如何实现设备模块间高效、精确的自动位姿测量成为了当前研究的热点。

在工业生产中广泛采用能识别丰富信息的立体视觉相机[7-8]测量模块间位姿，通过点云匹配[9]等方式较高精度求解位姿，但该方法易受环境噪声与障碍遮挡的影响。由于单传感器的局限，组合测量发展起来：利用激光测距仪与视觉传感器[10-11]的精度高、采集信息量大的特点，通过优化激光测距仪的位置和数量提高位姿测量精度，但标定复杂且无法获取遮挡区域信息；采用视觉与倾角仪组合测量[12-13]，利用倾角仪提供的额外约束提高了姿态测量精度，但需靠标定的特征点信息来保证测量精度，使得测量效率与可靠性偏低；轮廓仪与视觉组合[14-15]，结合视觉测量的灵活性与轮廓仪的可靠性，虽结合各自优点提高了测量效率与精度，但该方法仅适合于筒类部件。

本文将短采样周期获取大量精确测量点的轮廓仪引入到测量装置中，结合倾角仪、激光测距仪构成空间位姿测量系统，提出多传感器组合的跨尺度狭长区域相对位姿测量方法，进而可实现待装配模块间相对位姿的测量与自动精密对接。

1 多传感组合测量系统原理

多传感器组合测量系统原理如图1 所示，通过布置在测量目标前后的轮廓仪、激光位移传感器对基目标与对准目标上前后对称且相互垂直的特征面进行扫描测量，结合分别固定在基目标与对准目标下表面的倾角仪联合解算出2 个目标的相对位姿，间接得出对接区域位姿。测量系统共有7 个坐标系分别为：轮廓仪坐标系 OsXsYsZs、激光传 感 器 坐 标 系 OkXkYkZk、倾 角 仪1 坐 标 系 O1X1Y1、倾 角 仪2 坐 标 系 O2X2Y2、 基 目 标 坐 标 系 OzXzYzZz、对准目标坐标系 OfXfYfZf与世界坐标系OwXwYwZw。

图 1 多传感组合测量系统测量原理图Fig. 1 Measurement schematic diagram of multi-sensor combined measurement system

坐标系间转换关系如下：倾角仪1 坐标系到世界坐标系的旋转、平移矩阵分别为 Rw1、 Tw1；倾角仪2 坐标系到世界坐标系的旋转、平移矩阵分别为 Rw2、 Tw2。以此类推，基目标与对准目标坐标系到世界坐标系的矩阵分别为 Rwz、 Twz、 Rwf、 Twf；对准目标坐标系到基目标坐标系的矩阵分别为 R、T；轮廓仪坐标系与激光位移传感器到世界坐标系的矩阵分别为 Rws、 Tws、 Rwk、 Twk，且可标定得到；因倾角仪只输出2 个角度，故可设基目标坐标系到倾角仪1 坐标系的旋转矩阵为 R1，对准目标坐标系到倾角仪2 坐标系的旋转矩阵为 R2，且都可标定得到。绕X、Y、Z 轴的旋转角分别为 α 、 β 、 γ，倾角仪X、Y 轴输出角度分别为 α′、 β′。

由基目标坐标系、对准目标坐标系与世界坐标系之间的关系可得：

T′=Twf−Twz

式中： 。根据文献[14]提到的倾角仪输出角与相应的旋转角之间的关系可得：

由基目标坐标系、倾角仪1 坐标系与世界坐标系之间的关系可得：

将（3）式带入（4）式可求得：

2 实验验证与结果

2.1 组合测量系统实验装置

多传感组合测量自动对接平台如图2 所示。轮廓仪采用米铱的29X0 型，测量分辨率与范围分别为4 μm、50 mm～100 mm；激光位移传感器采用SICK的CD2-50W10 型，测量精度与距离分别为±50 μm、300 mm；倾角仪采用BWS2500 型，测量精度与范围分别为0.001°、±5°；待装配模块的外尺寸为（700×700×400）mm3，对接专用航空插头与插座直径都为50 mm（由42 个长7 mm、直径φ1±0.01 mm的对接针与42 个深8 mm、直径φ1±0.2 mm 的对接孔组成），连接耳垂直与水平面（特征面）尺寸为15 mm×50 mm。根据对接针与对接孔的尺寸，专用插头与插孔成功对接的前提是：

式中： ∆1、 ∆2为对接件的加工误差，在器件加工上的∆1小 于5 μm， ∆2小 于0.01°，由于 ∆1、 ∆2引入的量微小，此时可忽略此部分。由（10）式可知成功对接的前提是整个系统的位置与姿态设计精度需分别在0.105 mm、0.17°内。精密导轨驱动轮廓仪、激光位移传感器对待装配模块连接耳扫描测量；倾角仪测量待装配模块水平角度；六自由度移动平台、三自由度移动平台对待装配模块进行支撑安装与位姿调整。

图 2 多传感器组合测量自动对接平台Fig. 2 Automatic docking platform of multi-sensor combined measurement

2.2 实验测试与结果

为验证多传感测量系统的测量精度，设计了对比测试实验。采用AICON 公司的MoveInspect HF 系统（双目视觉测量系统），测量精度为±10 μm，测量中需先把2 个待装配模块拉开到专用航空插头与插座的图像都在双目视觉测量视场下（实验中拉开到了200 mm），再进行图像的提取与位姿的解算。运用本文测量系统测量位姿，首先需对前面双目视觉测量后的模块通过六自由度移动平台X 方向的移动使特征面在轮廓仪与激光位移传感器的测量范围内，其次倾角仪反馈2 个移动台的角度数据，然后轮廓仪对模块前连接耳水平与竖直面扫描获取点云数据，接着激光位移传感器获取模块后连接耳竖直面距离信息，最后运用第1 节的相对位姿求解方法对模块间位姿求解。对待装配模块分别用2 种测量系统进行20 次重复测量与装配，把双目视觉系统测量值作为真值与多传感器组合测量对比，得到图3 多传感器测量系统与双目视觉测量值的误差曲线。

图 3 组合测量系统位姿误差曲线图Fig. 3 Pose error curve of combined measurement system

统计图3 实验误差曲线表明，本文系统测量位置与姿态偏差值分别优于：40 μm、0.02°，同时测量最大误差均在误差允许范围内。为进一步验证多传感器组合测量系统的稳定性与测量效率，用本文方法进行了20 次重复测量对接实验。得到的实验结果为：对接成功率为100%且该系统将原来手工对接时间从1.5 h 压缩到15 min；由图4 数据可得出本文测量方法的测量位置与姿态的标准差分别为0.007、0.003。综上，本文所提出的测量系统满足待装配模块的测量精度、效率与稳定性需求。

图 4 组合测量重复试验位姿偏差曲线Fig. 4 Pose deviation curve of repeat test on combined measurement

3 结论

本文将轮廓仪、倾角仪与激光位移传感器组合构成多传感器组合测量系统，利用轮廓仪测量点可靠性高、速度快、精度高的特点提高了位置与姿态测量的效率与精度，同时通过倾角仪提供的高分辨率角度信息消除水平角度偏差对姿态求解的影响，最后根据坐标之间的转换关系解出模块间的相对位姿，间接反映狭长区域关键部位空间位姿。实验结果表明：对比实验中统计分析出了系统的位置与姿态测量精度分别优于40 μm、0.02°；重复性实验中证明了所搭建的多传感测量系统满足跨尺度狭长遮挡区域位姿测量需求。本文提出的多传感器组合测量技术对同类型位姿测量问题的解决提供了参考，同时还可以与力/触觉传感器或视觉相机结合实现机器人对设备模块的自动识别与对接，具有广阔的市场前景与较重要的研究意义。