本发明属于激光测量标定，具体涉及一种基于标准块的双线激光标定方法及标定装置。
背景技术：
1、在各种航天推进技术中，液体火箭发动机因具有性能和可靠性高、任务适应性好等诸多优势，在航天工程应用中占据主导地位。喷注系统被称为液体火箭发动机的咽喉，其主要功能是将液体推进剂以一定的质量流率引入燃烧室，并使其雾化均匀。在喷注系统的喷嘴上加工有成对的倾斜喷注孔，用于将燃料和氧化剂雾化并混合，喷注孔的加工质量决定了发动机的燃料雾化性能、燃烧效率、比冲及燃烧稳定性等关键技术指标。
2、在互击式喷注盘焊接前，需要检测喷注孔的尺寸参数、对撞高度、空间交错误差等指标是否合格。目前，大多采用接触式检测，接触式检测方法采用专用工装、高度尺、百分表等传统量具实现设计参数的符合性测量，存在检测效率低、精度低、人工误判等问题。针对这一工程问题，采取的解决方案是双线激光测量仪对向安装扫描，分别获取喷注孔两侧表面点云数据，将双线激光扫描仪的数据进行拼接，拟合得到两侧孔的中心点坐标，从而计算出喷注孔的轴线方程，得到成对喷注孔的对撞高度、空间交错误差等参数。
3、采用双线激光测量仪测量时，存在多项安装误差，其采集的数据分别位于两个测量仪的局部坐标系中，相互独立。为了将双线激光测量仪采集的数据精准拼接，准确测量喷注孔的各项几何参数，需要对两个线激光测量仪进行标定。目前，针对对向安装的线激光测量仪标定方法，还没有较好的解决方案。
技术实现思路
1、为了克服以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于标准块的双线激光标定方法及标定装置，该方法可在对标准块一次扫描完成后，完成对双线激光测量仪的角度和位置标定。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
3、一种基于标准块的双线激光标定方法，包括以下步骤；
4、步骤1：双线激光局部坐标系变换至同一局部坐标系；
5、步骤2：局部坐标系变换至虚拟坐标系；
6、其中，坐标系变换步骤包括：角度变换步骤和位置变换步骤，通过角度变换步骤和位置变换步骤，完成对双线激光测量仪的角度和位置标定。
7、所述步骤1具体为，双线激光局部坐标系变换至同一局部坐标系：
8、角度变换步骤：将标准块放置于两个对向安装的线激光测量仪a、线激光测量仪b之间，标准块的厚度为d，长轴方向与扫描方向成一定角度θ，使标准块的两组相邻平面在两个线激光测量仪的扫描范围之内；
9、分别获取线激光测量仪a、线激光测量仪b对标准块两组相邻表面的采集点云数据；
10、首先对采集的点云数据进行预处理，包括曲率下采样对数据进行精简，统计滤波和半径滤波去除点云中的大量噪声；
11、将所述的线激光测量仪b的点云数据沿xy平面镜像，使双线激光测量仪的局部坐标系方向相同；
12、对所述的两组相邻表面的采集点云数据平面分割，求出两组数据中较大相对平面的法向量夹角，计算出旋转矩阵使两个较大平面的法向量平行，即采集点云数据中两个较大平面平行，将旋转矩阵应用至所述的线激光测量仪b的采集点云数据；
13、计算所述的线激光测量仪a的采集点云数据和应用旋转矩阵后线激光测量仪b的点云数据中较小平面的法向量，求出两个法向量的夹角，计算出旋转矩阵使两个较小平面的法向量平行，并将旋转矩阵应用至所述的线激光测量仪b的点云数据，完成双线激光局部坐标系变换至同一坐标系的角度变换；得到线激光测量仪a、线激光测量仪b的采集点云数据在线激光测量仪a局部坐标系下，标准块两个相对平面相互平行的点云数据，以及两个点云数据角度变换的旋转矩阵。
14、位置变换步骤：对完成角度变换的两组相邻表面的采集点云数据进行处理，分别对两组扫描点云中较大平面进行拟合，并找出该平面的中心点，通过平面中心点坐标、平面的法向量、以及标准块的厚度，计算出标准块的中心点坐标。计算线激光测量仪a、线激光测量仪b点云数据拟合中心点之后的差值，可得到双线激光的位置变换参数，完成对向双线激光测量的位置变换；得到线激光测量仪a、线激光测量仪b的采集点云数据在线激光测量仪a局部坐标系下，标准块拼接后的点云数据，以及一个点云数据位置变换的矢量矩阵。
15、所述步骤2具体为：
16、局部坐标系变换至虚拟坐标系：变换过程与所述双线激光局部坐标系变换至同一局部坐标系步骤相同；
17、角度变换步骤：计算线激光测量仪a的采集点云数据中较大平面的法向量和虚拟坐标系下对应较大平面的法向量，计算旋转矩阵使两个较大平面的平行，并将旋转矩阵应用至所述的线激光测量仪a的采集点云数据；
18、同理，计算线激光测量仪a的点云数据中较小平面的法向量和虚拟坐标系下对应较小平面的法向量，计算旋转矩阵使两个较小平面的平行，并将旋转矩阵应用至所述的线激光测量仪a的采集点云数据；
19、得到线激光测量仪a的局部坐标系变换至虚拟坐标系的角度变换矩阵。
20、位置变换步骤：计算虚拟坐标系中标准块的中心点坐标和完成角度变换的线激光测量仪a的点云数据中标准块中心点坐标，计算虚拟坐标系中标准块的中心点坐标和角度变换后线激光测量仪a点云的标准块中心点坐标的差值，得到局部坐标系变换至虚拟坐标系的位置变换矢量矩阵。
21、通过角度变换和位置变换将线激光测量仪a的局部坐标系下的点云数据转换至虚拟坐标系中，完成双线激光测量仪的标定。
22、所述步骤1还包括：
23、将标准块放置于两个对向安装的线激光测量仪之间，标准块可以为0级量块，标准块的厚度为d，长轴方向与扫描方向成一定角度θ，使标准块的两组相对平面都在线激光测量仪的扫描范围之内；
24、通过线激光测量仪a、线激光测量仪b对标准块的两组相邻表面进行扫描，获取标准块两组相邻表面的点云数据，由于量块两相邻平面具有正交性，因此采集的两组点云数据中分别有一对正交平面；
25、所述的线激光测量仪a、线激光测量仪b的局部坐标系分别为s1和s2；
26、假定系统的虚拟坐标系s0位于两个线激光测量仪的之间，虚拟坐标系s0的原点为标准块一角点。
27、角度变换步骤：
28、将所述的线激光测量仪b的扫描数据沿xy平面镜像，使其局部坐标系与所述的线激光测量仪a的局部坐标系方向相同，即对所述的线激光测量仪b的扫描数据应用变换矩阵b1；
29、
30、对所述的两组相邻表面的采集点云数据进行预处理；首先进行曲率下采样对数据进行精简，通过统计滤波和半径滤波去除点云中的大量噪声。
31、分别采用ransac算法拟合分割两组相邻表面点云数据中的四个平面，线激光测量仪a采集点云数据中较大平面为p1，较小平面为p2；线激光测量仪b采集点云数据中较大平面为p3。
32、计算所述分割后的点云数据中较大平面p1、p3的法向量，并自定义法向量的方向，所述线激光测量仪a的较大平面法向量为na1＝(xa1，ya1，za1)，所述线激光测量仪b的较大平面法向量为nb1＝(xb1，yb1，zb1)。
33、计算所述两个较大平面法向量的夹角、旋转轴和旋转角度，使两个法向量平行，并通过使用公式构造旋转矩阵r1，即r1·nb1的方向与na1的方向相同。
34、所述构造旋转矩阵公式：
35、aab＝na1×nb1
36、
37、α1＝arccos(cos(α1))
38、
39、式中，na1为线激光测量仪a采集点云数据中较大平面的法向量；nb1为线激光测量仪b采集点云数据中较大平面的法向量，aab为旋转轴，α1为旋转角度，r1为旋转矩阵。
40、将所述旋转矩阵r1应用于所述线激光测量仪b的采集数据，使采集点云数据中两个较大平面平行；
41、对所述应用旋转矩阵线r1的点云数据进行ransac拟合分割，得到点云数据中较小平面p4。
42、计算所述分割后的点云数据中较小平面p2、p4的法向量，并自定义法向量的方向，所述线激光测量仪a的较小平面法向量为na2＝(xa2，ya2，za2)，所述线激光测量仪b的较大平面法向量为nb2＝(xb2，yb2，zb2)。
43、采用所述公式(1)，计算所述两个较小平面法向量的夹角、旋转轴和旋转角度，使两个法向量平行，并通过使用公式构造旋转矩阵r2，即r2·nb2的方向与na2的方向相同，完成其角度变换。
44、得到所述双线激光测量仪局部坐标系变换至同一局部坐标系s1的旋转矩阵r1·r2，以及双线激光测量仪采集点云数据转换至同一局部坐标系s1下，较大平面和较小平面分别相互平行的点云数据。
45、所述的位置变换步骤：
46、分别对完成角度标定的两组相邻表面的点云数据进行处理，通过dbscan密度聚类算法对两组数据的平面进行分割并保存分割结果，获取标准块两个较大相对平面的点云数据；
47、计算所述两个较大相对平面的角点坐标，并计算点云平面的中心点坐标，假定线激光测量仪a中较大平面的中心点坐标为ca1＝(x1，y1，z1)，线激光测量仪b中较大平面的中心点坐标为cb1＝(x2，y2，z2)；
48、使用所述的标准块的厚度d、平面的中心点坐标ca1、cb1以及角度标定步骤中计算得到的平面法向量na1、nb1，通过公式计算出两组扫描数据中标准块的中心点坐标ca2＝(x3，y3，z3)、cb2＝(x4，y4，z4)。
49、所述的中心点坐标计算公式：
50、
51、ca2＝ca1+v1 (2)
52、采用上述公式，计算所述cb2，即可得到两组标准块数据的中心点坐标；
53、计算所述标准块数据的中心点坐标在x、y、z方向上的差值，得到位置变换的平移向量，t1＝(△x1，△y1，△z1)。
54、△x1＝x3-x4
55、△y1＝y3-y4
56、△z1＝z3-z4 (3)
57、式中，△x表示x方向上的平移量；△y表示y方向上的平移量；△z表示z方向上的平移量。
58、将所得的平移向量应用于线激光测量仪b的测量数据，即完成双线激光局部坐标系变换至同一局部坐标系s1的位置变换。
59、得到双线激光测量仪局部坐标系变换至同一局部坐标系s1的位置变换矢量t1，以及在局部坐标系s1下，标准块点云的拼接数据。
60、通过角度变换和位置变换，得到所述的双线激光局部坐标系变换至同一局部坐标系s1的变换矩阵m1：
61、
62、所述步骤2还包括：
63、将所述局部坐标系s1下的标准块数据转换至虚拟坐标系s0，其计算变换矩阵的过程与所述的将双线激光局部坐标系转换至同一局部坐标系s1的变换过程相同；
64、测量时，所述标准块长轴与扫描方向夹角为θ，标准块在虚拟坐标系下较大平面法向量和较小平面法向量分别为na0＝(0，-sin(θ)，cos(θ))，nb0＝(0，cos(θ)，sin(θ))；
65、计算所述线激光测量仪a的采集点云数据中较大平面的法向量和虚拟坐标系中对应平面的法向量，使用所述公式(1)计算旋转矩阵r3；
66、将所述旋转矩阵r3应用于所述线激光测量仪a的采集点云数据，根据所述公式(1)计算较小平面法向量的旋转矩阵r4；
67、将所述旋转矩阵r4应用于所述线激光测量仪a的点云数据，完成局部坐标系s1变换至虚拟坐标系s0的角度变换。
68、计算所述完成角度变换的测量仪a点云数据中较大平面的中心点坐标，并使用所述公式(2)计算点云数据的中心点坐标；
69、假定标准块的长度为l，高为h，厚度为d，标准块的中心点坐标为：
70、
71、依据所述公式(3)，可计算出局部坐标系变换至虚拟坐标系的位置变换向量，t2＝(△x2，△y2，△z2)；
72、通过角度变换和位置变换，得到所述的局部坐标系s1下的点云数据变换至虚拟坐标系s0的变换矩阵m2：
73、
74、所述的双线激光局部坐标系变换至所述线激光测量仪a局部坐标系s1，再将局部坐标系变换至虚拟坐标系s0，完成双线激光的标定。
75、得到所述线激光测量仪a的标定变换矩阵m2，线激光测量仪b的标定变换矩阵m1·m2。将线激光测量仪a、线激光测量仪b的采集点云数据在局部坐标系下的数据转换至虚拟坐标系，完成标准块的点云数据拼接和坐标转换。
76、所述标定装置包括：线激光测量仪支架、线激光测量仪、连接板、标准块、斜楔式膨胀夹、线激光测量仪、三轴微调平台、精密直线模组；
77、线激光测量仪、线激光测量仪分别通过支架对向安装在面包板上，支架上加工有多个凹槽，对线激光测量仪、线激光测量仪的位置进行调节，所述精密直线模组放置于线激光测量仪、线激光测量仪的中间位置，精密模组上固定有三轴微调平台，三轴微调平台上安装有连接板，所述连接板上固定有两个斜楔式膨胀夹，用于标准块的固定；
78、所述微调平台调节标准块在所述双线激光测量仪之间的角度和位置，确保标准块的两组相邻表面在测量范围内。
79、本发明的有益效果：
80、本发明只需对标准块进行一次扫描，即可完成角度变换和位置变换，实现双线激光测量仪局部坐标系转换至虚拟坐标系的过程。
81、本发明提出的一种基于标准块的双线激光标定方法及标定装置经过试验，标定过程较为便捷，标定精度高，能够满足现有双线激光对向安装测量的精度要求。
1.一种基于标准块的双线激光标定方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤1：双线激光局部坐标系变换至同一局部坐标系；
2.根据权利要求1所述的一种基于标准块的双线激光标定方法，其特征在于，所述步骤1中，角度变换步骤：将标准块放置于两个对向安装的线激光测量仪a、线激光测量仪b之间，标准块的厚度为d，长轴方向与扫描方向成一定角度θ，使标准块的两组相邻平面在两个线激光测量仪的扫描范围之内；
3.根据权利要求2所述的一种基于标准块的双线激光标定方法，其特征在于，所述步骤2中，局部坐标系变换至虚拟坐标系：变换过程与所述双线激光局部坐标系变换至同一局部坐标系步骤相同；
4.根据权利要求2所述的一种基于标准块的双线激光标定方法，其特征在于，所述步骤1还包括：
5.根据权利要求4所述的一种基于标准块的双线激光标定方法，其特征在于，所述步骤2还包括：
6.根据权利要求1-5任一项为实现所述的方法的标定装置，其特征在于，包括：线激光测量仪支架(1)、线激光测量仪(2)、连接板(3)、标准块(4)、斜楔式膨胀夹(5)、线激光测量仪(6)、三轴微调平台(7)、精密直线模组(8)；
