[发明专利]一种列车车体门窗的2D激光定位方法

权利要求书

1.一种列车车体门窗的2D激光定位方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将机械手固定在自动导引运输车上，将2D激光传感器与操作工具固定于机械手的末端夹具上；

2)对列车的车体门窗框体进行标定测量，所述标定测量的过程包括：

第一步，手动将自动导引运输车移动到工作位，目测定位，将列车车体的门窗框体的中心处设置为机械手基坐标原点；

第二步，示教机械手进行安装或加工操作，保存机械手的轨迹作为安装或加工的工作轨迹；

第三步，示教机械手进行标定测量，所述的标定测量是在列车的车体窗框的框体每条边的3等分处，示教机械手带着2D传感器在垂直于框体边沿方向扫描框体的2D轮廓记录数据，用过向量约束、拟合的方法，分别计算出6自由度中的A、B、C角度坐标；用坐标平移的方法，分别计算出6自由度中的X，Y，Z坐标，作为标定位置值；保存机械手的标定测量路径作为后续的测量工作的路径；

计算框体的6自由度坐标值的过程如下：

1)在列车的车体窗框的框体每条边的3等分处，机械手带着2D传感器在垂直于框体边沿方向扫描框体的2D轮廓并记录数据，记录P1～P8共8组数据，P1～P8数据格式为2维数组[800,2]，记录P1～P8位置的轮廓；其中，在所述的框体中，P1和P2在同一个边上，P3和P4在同一个边上，P5和P6在同一个边上，P7和P8在同一个边上，P1、P4在两条相互平行的边上，而且P1、P4的连线和水平面或纵轴线平行，P2、P3在两条相互平行的边上，而且P2、P3的连线和水平面或纵轴线平行，P5、P7在两条相互平行的边上，而且P5、P7的连线和水平面或纵轴线平行，P6、P8在两条相互平行的边上，而且P6、P8的连线和水平面或纵轴线平行，

P1横坐标(x_i)_p1＝P1[i,0]；高度值(z_i)_p1＝P1[i,1]；

P2横坐标(x_i)_p2＝P2[i,0]；高度值(z_i)_p2＝P2[i,1]；

P3横坐标(x_i)_p3＝P3[i,0]；高度值(z_i)_p3＝P3[i,1]；

P4横坐标(x_i)_p4＝P4[i,0]；高度值(z_i)_p4＝P4[i,1]；

P5横坐标(x_i)_p5＝P5[i,0]；高度值(z_i)_p5＝P5[i,1]；

P6横坐标(x_i)_p6＝P6[i,0]；高度值(z_i)_p6＝P6[i,1]；

P7横坐标(x_i)_p7＝P7[i,0]；高度值(z_i)_p7＝P7[i,1]；

P8横坐标(x_i)_p8＝P8[i,0]；高度值(z_i)_p8＝P8[i,1]；

其中i＝0～799，共800个点；

a)去除P1～P8中z_i值小于-50的点，剩余则为有效数据；

b)按边分成4组，(P1，P2)、(P3，P4)、(P5，P6)、(P7，P8)；

c)先处理分组(P1，P2)，从i＝0开始，往后查找P1的第一个有效数据，假设i＝j时找到该数据，则该数据可表示为(x_j,z_j)_P1；从i＝j开始,往后查找P1的第一个无效数据，假设i＝k时找到该数据，则该数据可以表示为(x_k,z_k)_P1；

计算P1的有效长度：

L_P1＝(x_k)_p1–(x_j)_P1；

L_P1为数据P1的有效长度；

(x_k)_p1为数据P1有效数据之后的第一个无效数据的x坐标值；

(x_j)_P1为数据P1的第一个有效数据的x坐标值；

同理计算P2的有效长度：L_P2；

d)取L_P1及L_P2中的小值L_min1；

e)统一按L_min1调整P₁、P₂的有效长度：

当(x_i)_pn(x_j)_Pn+L_min1时，数据(xi,zi)_pn置为无效，并去除；

其中Pn表示P1～P2；i＝0～799；

处理之后得到新的P1、P2数据；

f)同理，重复c)～e)步骤，对剩余3个分组(P3，P4)、(P5，P6)、(P7，P8)作处理；这样就得到新的P3～P8的数据；

2)一个将2D数据转换为3D数据的过程；

将步骤1)得到的P1～P8的数据，转换为基坐标系下的新数据P1_B～P8_B；

其中：(Pn_B)_i——基坐标系下的新数据P1_B～P8_B的第i个点的坐标值，Pn表示P1～P8,i∈(0～799)之中的有效数据序号；

(x_i)_pn——原数据P1～P8的第i个点的x坐标值，Pn表示P1～P8,i∈(0～799)之中的有效数据序号；

(z_i)_pn——原数据P1～P8的第i个点的z坐标值，Pn表示P1～P8,i∈(0～799)之中的有效数据序号；

An——新数据P1_B～P8_B的转换矩阵，n＝1～8；

An的具体取值如下：

L——为框体长度；

W——为框体宽度；

3)一个计算窗框法向方向的过程；

用最小二乘法分别对P1_B～P8_B做直线段拟合，得到8条线段M_P1～M_P8以及它们的方向向量；再利用这8个方向向量拟合出框体平面的法向向量D_N，并计算方差得到拟合质量指标q_n；

4)一个计算窗框边框方向向量的过程；

计算M_P1～M_P8的中点坐标；计算各边两条线段的中点连线的向量坐标；对得到的4个向量作拟合，约束至两对边相互平行、两邻边相互垂直、且4个向量在一个平面上；归一连线的向量坐标，用于表示边框的方向向量Dx， 并计算方差得到拟合质量指标q_x；

5)一个计算窗框中心坐标的过程；

利用步骤4)得到的4个边框向量，合围成一个矩形，计算出这个矩形的中心点坐标，即作为窗框的中心点坐标(X,Y,Z)；

6)一个计算窗框绕x、y轴的旋转坐标A、B的过程；

通过窗框法向量D_N在基坐标轴、及各坐标平面上的投影，可以直接计算出SinA及SinB值，通过反正弦函数求得A、B；

7)一个计算窗框绕z轴的旋转坐标C的过程；

将方向向量Dx使用旋转矩阵分别绕x及y轴逆向旋转角度A和角度B，得到的方向向量与x轴的角度差即是所求坐标C；

8)通过步骤5)～7)，即得到窗框的6自由度坐标值Q(X,Y,Z,A,B,C)；

3)然后移动自动导引运输车到各个工位进行测量或加工操作，所述的测量或加工操作包括，将自动导引运输车移动到工作位，利用机械手调用标定测量路径，扫描列车门窗框体边框，记录2D轮廓数据，计算当前框体的6自由度坐标，其过程与步骤2)中第三步的标定测量过程相同，计算当前框体坐标与标定位置值之间的坐标偏差，调用机械手的安装或加工工作轨迹，并补偿所述的坐标偏差，得到新的工作轨迹，然后机械手运行新的工作轨迹进行安装或加工工作。