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| iGPS測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 |
| iGPS測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 | | 發(fā)布時(shí)間：2017/3/29 10:52:03 |
20世紀(jì)70年代，美國(guó)陸、海、空三軍聯(lián)合研制出GPS（GlobalPositioning System）全球定位系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），主要為陸、海、空三軍提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，GPS系統(tǒng)不僅僅只用于軍事用途，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸深入到人們的日常生活當(dāng)中，被視為全世界通用的定位系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)不僅在于它的先進(jìn)技術(shù)，更在于它的系統(tǒng)理念。
圖1 美國(guó)GPS全球定位系統(tǒng)
20世紀(jì)90年代，在GPS測(cè)量原理的啟發(fā)下，美國(guó)Arcsecond公司率先開(kāi)發(fā)出了一種具有高精度、高可靠性和高效率的室內(nèi)GPS（indoorGPS，iGPS）系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），主要用于解決大尺寸室內(nèi)空間測(cè)量與定位問(wèn)題。iGPS對(duì)大尺寸的精密測(cè)量提供了一種全新的方法，解決了飛機(jī)外形、大型船身等大尺寸對(duì)象的精密測(cè)量問(wèn)題。iGPS與GPS一樣，利用三角測(cè)量原理建立三維坐標(biāo)體系從而實(shí)現(xiàn)定位，不同的是iGPS采用紅外激光代替了衛(wèi)星（微波）信號(hào)。iGPS是利用室內(nèi)的激光發(fā)射裝置（基站）不停地向外發(fā)射單向的帶有位置信息的紅外激光，接收器接受到信號(hào)后，從中得到發(fā)射器與接受器間的2個(gè)角度值（類(lèi)似于經(jīng)緯儀的水平角和垂直角），在已知基站的位置和方位信息后，只要有2個(gè)以上的基站就可以通過(guò)角度交會(huì)的方法計(jì)算出接收器的三維坐標(biāo)。
圖2 大尺寸IGPS測(cè)量系統(tǒng)
iGPS測(cè)量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）多用戶(hù)測(cè)量。iGPS測(cè)量場(chǎng)是1個(gè)共享的資源場(chǎng)，位于測(cè)量場(chǎng)中的接收器獨(dú)立工作，互不影響，像GPS系統(tǒng)一樣，只需增加傳感器和接收器的數(shù)量就可以增加用戶(hù)。
（2）測(cè)量范圍廣。在iGPS測(cè)量網(wǎng)中，通過(guò)增加發(fā)射站可實(shí)現(xiàn)量程擴(kuò)展，且不損失測(cè)量精度，其工作范圍為2~300m。
（3）抗干擾性好。測(cè)量過(guò)程允許斷光，且不影響測(cè)量精度。
（4）無(wú)需轉(zhuǎn)站測(cè)量�？梢酝ㄟ^(guò)增加發(fā)射器或?qū)ζ溥M(jìn)行部局重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)全部測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量，從而降低或消除轉(zhuǎn)站誤差。
（5）可視化程度高。無(wú)論是在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)還是中央控制中心，操作人員都可以通過(guò)PDA或計(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時(shí)看到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
（6）一次標(biāo)定多次使用。只要標(biāo)定后的發(fā)射站位置不發(fā)生改變，該測(cè)量場(chǎng)即可無(wú)限次使用。
基于以上優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外業(yè)界深入研究了iGPS測(cè)量系統(tǒng)，J.Schwendemann[1]等人通過(guò)研究指出，iGPS可用于巷道中掘進(jìn)機(jī)及其他掘進(jìn)設(shè)備的導(dǎo)航以及應(yīng)力狀態(tài)下飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的變形測(cè)量；德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)和尼康公司的RobertSchmitt[2]等人通過(guò)對(duì)不確定度的研究指出，iGPS系統(tǒng)除用于機(jī)器人的控制和校準(zhǔn)以外，還可以廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船、汽車(chē)等大尺寸、高精度定位與測(cè)量的裝備制造領(lǐng)域。
本文介紹了iGPS測(cè)量系統(tǒng)組成，討論了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)，列舉了iGPS測(cè)量系統(tǒng)在飛機(jī)柔性裝配中的應(yīng)用。
iGPS測(cè)量系統(tǒng)組成
典型的iGPS測(cè)量系統(tǒng)主要由3大部分組成：信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收和信號(hào)處理（見(jiàn)圖3）。信號(hào)發(fā)射部分為激光發(fā)射器，系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)射器發(fā)出2 道具有固定角度的扇面激光和全向光脈沖，該激光對(duì)人體和眼睛沒(méi)有任何傷害；信號(hào)接收部分由傳感器和接收器組成，傳感器接收來(lái)自發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號(hào)，并傳給放大器，接收器對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化成數(shù)字化的角度信息；信號(hào)處理部分由中央計(jì)算機(jī)、客戶(hù)端和數(shù)據(jù)處理軟件組成，角度信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央計(jì)算機(jī)，由第三方數(shù)據(jù)處理軟件（如MAYA、SpatialAnalyzer、Metrolog Ⅱ等）處理為準(zhǔn)確的方位信息，并在整個(gè)工作區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)中共享，以便于多個(gè)用戶(hù)從客戶(hù)端讀取被測(cè)點(diǎn)的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)定位。沈飛公司與天津大學(xué)、634所聯(lián)合研制的iGPS測(cè)量系統(tǒng)主要由發(fā)射基站、接收器（測(cè)量傳感器）、前端處理機(jī)、控制網(wǎng)、任務(wù)計(jì)算機(jī)和主控計(jì)算機(jī)組成。主控計(jì)算機(jī)位于星形網(wǎng)絡(luò)布局的中心，負(fù)責(zé)控制測(cè)量任務(wù)及參數(shù)配置、分配資源、構(gòu)建及優(yōu)化控制網(wǎng)并監(jiān)控整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的狀態(tài)。發(fā)射基站分布于整個(gè)測(cè)量空間，其數(shù)量和位置根據(jù)測(cè)量空間和測(cè)量任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，只要保證接收器（測(cè)量傳感器）同時(shí)接收2個(gè)或2個(gè)以上發(fā)射基站的掃描激光信號(hào)，測(cè)量即可穩(wěn)定進(jìn)行。前端處理機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接收器（測(cè)量傳感器）接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間信號(hào)，并通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（無(wú)線(xiàn)傳輸距離可達(dá)40m）發(fā)送到任務(wù)計(jì)算機(jī)，由任務(wù)計(jì)算機(jī)完成空間坐標(biāo)的解算并進(jìn)行三維顯示�？刂凭W(wǎng)協(xié)助接收器完成精確解算的任務(wù)，并動(dòng)態(tài)監(jiān)控、更新發(fā)射基站參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)校正和補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試驗(yàn)證，車(chē)間測(cè)量場(chǎng)系統(tǒng)精度能達(dá)到0.2mm。
iGPS測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
1 系統(tǒng)布局及測(cè)量網(wǎng)優(yōu)化
iGPS測(cè)量系統(tǒng)中發(fā)射器和接收器的數(shù)量以及相對(duì)位置在很大程度上影響著系統(tǒng)測(cè)量精度，不同種類(lèi)接收器的使用也會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量精度。例如，3個(gè)發(fā)射器相對(duì)于2個(gè)發(fā)射器其測(cè)量精度可提高50%，4個(gè)發(fā)射器相對(duì)于3個(gè)發(fā)射器其測(cè)量精度可提高30%，5個(gè)發(fā)射器相對(duì)于4個(gè)發(fā)射器其測(cè)量精度可提高10%~15%[3]。此外，測(cè)量系統(tǒng)中全局控制網(wǎng)由多個(gè)區(qū)域測(cè)量網(wǎng)構(gòu)成，究竟由哪些發(fā)射器和接收器組成區(qū)域測(cè)量網(wǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分配。例如，在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域可布置較多的發(fā)射器，以進(jìn)一步增強(qiáng)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。因此，只有合理布置系統(tǒng)資源，并進(jìn)行測(cè)量網(wǎng)優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的精準(zhǔn)定位。
2 系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)
iGPS測(cè)量系統(tǒng)中每個(gè)發(fā)射器都有自己的測(cè)量坐標(biāo)系，所測(cè)得的角度值（方位角、俯仰角）也都是相對(duì)于各自的坐標(biāo)系，為了利用不同坐標(biāo)系下所測(cè)得的角度值，就需要在測(cè)量初始對(duì)發(fā)射器之間的相對(duì)位置關(guān)系和空間姿態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，確定系統(tǒng)參數(shù)，使所有發(fā)射器測(cè)得的目標(biāo)點(diǎn)的角度值在同一個(gè)坐標(biāo)系下。iGPS系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)際上就是通過(guò)測(cè)量空間目標(biāo)點(diǎn)，然后對(duì)其觀(guān)測(cè)值進(jìn)行平差解算，求得各發(fā)射器測(cè)量坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置和姿態(tài)。在利用系統(tǒng)標(biāo)定后的iGPS對(duì)空間未知目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)得的觀(guān)測(cè)值及發(fā)射器測(cè)量坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置和姿態(tài)關(guān)系，便可解算出未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)。因此，系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)是iGPS測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行空間點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量的前提和關(guān)鍵[4]。
3 數(shù)據(jù)處理與分析
使用iGPS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，接收器接收來(lái)自不同發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號(hào)，為了快速獲得目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，要求接收器對(duì)各通路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，提高數(shù)據(jù)處理速度，為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多目標(biāo)點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量打下基礎(chǔ)。此外，采用iGPS進(jìn)行位姿調(diào)整時(shí)，需要根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量值與理論值差異來(lái)確定調(diào)整量。因此，為了實(shí)時(shí)反饋調(diào)整信息，必須實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的快速處理和分析。
4 誤差補(bǔ)償技術(shù)
iGPS測(cè)量系統(tǒng)誤差主要源于儀器誤差、附件誤差、環(huán)境誤差和方法誤差等[4]。儀器誤差包括發(fā)射器和接收器誤差，發(fā)射器產(chǎn)生誤差的因素主要有：軸系偏擺、光脈沖延時(shí)同步、電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移以及光源信號(hào)、光平面的傾角及相對(duì)位置等。接收器產(chǎn)生誤差的因素主要影響體現(xiàn)在計(jì)時(shí)測(cè)量及其匹配判別、接收器光路設(shè)計(jì)等方面。針對(duì)每一個(gè)發(fā)射器，360°范圍內(nèi)不同角度的測(cè)量誤差是不同的，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果結(jié)合插值等方法進(jìn)行角度修正。系統(tǒng)的定向分為內(nèi)參數(shù)標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)定向2部分，影響內(nèi)參數(shù)標(biāo)定質(zhì)量的因素主要有激光器自帶誤差以及轉(zhuǎn)軸標(biāo)定精度；影響現(xiàn)場(chǎng)定向質(zhì)量的因素包括測(cè)角精度（系統(tǒng)硬件精度）、發(fā)射站布局、標(biāo)定點(diǎn)的選取及現(xiàn)場(chǎng)空間的限制、標(biāo)定算法以及控制點(diǎn)精度等。iGPS作為角度交匯測(cè)量系統(tǒng)，發(fā)射站的布局對(duì)測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，主要影響因素有基線(xiàn)長(zhǎng)度、交匯角、約束方向以及發(fā)射站的個(gè)數(shù)等。對(duì)于全局測(cè)量誤差，可以在全局布置幾個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，并且用高精度測(cè)量設(shè)備對(duì)其定位，當(dāng)發(fā)射器工作一段時(shí)間后，重復(fù)測(cè)量這幾個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)測(cè)得的誤差進(jìn)行全局誤差補(bǔ)償。只有采用正確的誤差補(bǔ)償方法，才能提高iGPS測(cè)量系統(tǒng)的精度、可靠性和穩(wěn)定性。
iGPS系統(tǒng)在飛機(jī)柔性裝配中的應(yīng)用
1 柔性裝配工裝定位
飛機(jī)柔性裝配工裝由骨架、定位件、夾緊件及輔助設(shè)備等組成，工裝定位件安裝的準(zhǔn)確度對(duì)飛機(jī)裝配精度起著重要的作用。柔性工裝尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位件多，采用傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備對(duì)其定檢所需的時(shí)間較長(zhǎng)，因此可以使用iGPS測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行工裝的定位安裝，從而大大縮短工裝準(zhǔn)備時(shí)間，提高裝配效率。
2 自動(dòng)牽引運(yùn)輸車(chē)導(dǎo)航
在飛機(jī)柔性裝配前，不同裝配車(chē)間之間或者從裝配車(chē)間到試飛場(chǎng)之間的部件運(yùn)輸，都需要大量牽引運(yùn)輸車(chē)進(jìn)行頻繁的穿梭作業(yè)。對(duì)于固定導(dǎo)軌系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，很難實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸路徑的改變。而iGPS測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)牽引運(yùn)輸車(chē)的精確導(dǎo)航，并且根據(jù)需要進(jìn)行交通控制和傳輸路徑規(guī)劃，控制停泊位置和電池充電站[5]。
3 部件對(duì)接
尼康公司報(bào)道稱(chēng)，巴西AeronauticsInstitute of Technology(ITA)和巴西航空工業(yè)公司(Embraer)在小型客機(jī)自動(dòng)化裝配中（見(jiàn)圖4）采用了iGPS系統(tǒng)。其裝配場(chǎng)地面積為300m2，高10m，測(cè)量系統(tǒng)由iGPS、攝影測(cè)量和激光雷達(dá)組成，協(xié)助2臺(tái)重型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)身裝配。
圖4 小型客機(jī)自動(dòng)化裝配
美國(guó)波音公司從1998年開(kāi)始研究iGPS測(cè)量技術(shù)，并已應(yīng)用于從747、F/A18到777等飛機(jī)的總裝對(duì)接中，解決了對(duì)大尺寸構(gòu)件的測(cè)量問(wèn)題。在最新的787客機(jī)總裝（見(jiàn)圖5）中，iGPS技術(shù)應(yīng)用更加成熟。裝配過(guò)程中，測(cè)量系統(tǒng)會(huì)定位飛機(jī)部件，這些數(shù)據(jù)信息被輸入到系統(tǒng)的應(yīng)用軟件中，從而解算出飛機(jī)各部件（前后機(jī)身、左右機(jī)翼等）需要移動(dòng)的距離，以確保飛機(jī)相鄰部件的準(zhǔn)確對(duì)接裝配。這一精確的定位過(guò)程保證了飛機(jī)的平滑裝配，使得787機(jī)翼機(jī)身對(duì)接裝配僅用了幾個(gè)小時(shí)，而不是通常所需的幾天[6]。
圖5 波音787部件對(duì)接
4 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)引導(dǎo)
使用iGPS系統(tǒng)對(duì)工業(yè)鉆鉚機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)引導(dǎo)，以提高機(jī)翼指定位置處鉆孔及鉚接精度；可使機(jī)翼鉆孔和鉚接工位的定位準(zhǔn)確程度提高10倍。在動(dòng)態(tài)制造過(guò)程中當(dāng)部件由機(jī)械人夾持進(jìn)行焊接時(shí)，也可由iGPS對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位提高焊接精度；為無(wú)法使用精確位置反饋（編碼器/解析器）獲得全局坐標(biāo)系的爬行機(jī)器人提供位置信息。
5 全機(jī)水平測(cè)量
iGPS測(cè)量系統(tǒng)還可以用于飛機(jī)的全機(jī)水平測(cè)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制。操作人員用來(lái)檢查飛機(jī)成品整體的外形結(jié)構(gòu)、機(jī)翼的水平度、重要部件尺寸大小和原始圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的相符程度，以及飛機(jī)試飛前后關(guān)鍵點(diǎn)的變形情況等，從而達(dá)到對(duì)飛機(jī)成品的質(zhì)量檢測(cè)[5]。應(yīng)用iGPS系統(tǒng)完成全機(jī)水平測(cè)量無(wú)需使用專(zhuān)用工裝和場(chǎng)地，不必調(diào)整飛機(jī)處于水平狀態(tài)，在任何工位和姿態(tài)下均可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)標(biāo)定后，1~2名操作者30mm內(nèi)即可完成全機(jī)水平測(cè)量工作，傳統(tǒng)方法完成全機(jī)水平測(cè)量平均需要5~8h，測(cè)量精度由mm級(jí)提高到μm級(jí)。
6 其他應(yīng)用
F35全機(jī)外表面隱身噴涂，應(yīng)用8個(gè)固定的iGPS發(fā)射站安裝裝置，每個(gè)固定裝置內(nèi)有2臺(tái)紅外發(fā)射器，在工位四周分布有22個(gè)可移動(dòng)iGPS安裝裝置，通過(guò)紅外發(fā)射站照射整個(gè)工位對(duì)激光投影設(shè)備及機(jī)身上的光學(xué)傳感器進(jìn)行角度交匯定位，每個(gè)光傳感器具有360°的視場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層的監(jiān)測(cè)控制。
此外，iGPS系統(tǒng)還可以用于機(jī)器人刀具中心點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
結(jié)束語(yǔ)
iGPS系統(tǒng)具有測(cè)量范圍廣、多任務(wù)測(cè)量、無(wú)需轉(zhuǎn)站等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本文介紹了iGPS測(cè)量系統(tǒng)的組成，分析了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的4 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：系統(tǒng)布局及測(cè)量網(wǎng)優(yōu)化、系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與分析及誤差補(bǔ)償技術(shù)，最后列舉了iGPS系統(tǒng)在飛機(jī)柔性裝配過(guò)程中的應(yīng)用，主要用于柔性裝配工裝定位、自動(dòng)牽引運(yùn)輸車(chē)導(dǎo)航和部件對(duì)接等。 |
20世紀(jì)70年代，美國(guó)陸、海、空三軍聯(lián)合研制出GPS（GlobalPositioning System）全球定位系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），主要為陸、海、空三軍提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，GPS系統(tǒng)不僅僅只用于軍事用途，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸深入到人們的日常生活當(dāng)中，被視為全世界通用的定位系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)不僅在于它的先進(jìn)技術(shù)，更在于它的系統(tǒng)理念。
圖1 美國(guó)GPS全球定位系統(tǒng)
20世紀(jì)90年代，在GPS測(cè)量原理的啟發(fā)下，美國(guó)Arcsecond公司率先開(kāi)發(fā)出了一種具有高精度、高可靠性和高效率的室內(nèi)GPS（indoorGPS，iGPS）系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），主要用于解決大尺寸室內(nèi)空間測(cè)量與定位問(wèn)題。iGPS對(duì)大尺寸的精密測(cè)量提供了一種全新的方法，解決了飛機(jī)外形、大型船身等大尺寸對(duì)象的精密測(cè)量問(wèn)題。iGPS與GPS一樣，利用三角測(cè)量原理建立三維坐標(biāo)體系從而實(shí)現(xiàn)定位，不同的是iGPS采用紅外激光代替了衛(wèi)星（微波）信號(hào)。iGPS是利用室內(nèi)的激光發(fā)射裝置（基站）不停地向外發(fā)射單向的帶有位置信息的紅外激光，接收器接受到信號(hào)后，從中得到發(fā)射器與接受器間的2個(gè)角度值（類(lèi)似于經(jīng)緯儀的水平角和垂直角），在已知基站的位置和方位信息后，只要有2個(gè)以上的基站就可以通過(guò)角度交會(huì)的方法計(jì)算出接收器的三維坐標(biāo)。
圖2 大尺寸IGPS測(cè)量系統(tǒng)
iGPS測(cè)量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）多用戶(hù)測(cè)量。iGPS測(cè)量場(chǎng)是1個(gè)共享的資源場(chǎng)，位于測(cè)量場(chǎng)中的接收器獨(dú)立工作，互不影響，像GPS系統(tǒng)一樣，只需增加傳感器和接收器的數(shù)量就可以增加用戶(hù)。
（2）測(cè)量范圍廣。在iGPS測(cè)量網(wǎng)中，通過(guò)增加發(fā)射站可實(shí)現(xiàn)量程擴(kuò)展，且不損失測(cè)量精度，其工作范圍為2~300m。
（3）抗干擾性好。測(cè)量過(guò)程允許斷光，且不影響測(cè)量精度。
（4）無(wú)需轉(zhuǎn)站測(cè)量�？梢酝ㄟ^(guò)增加發(fā)射器或?qū)ζ溥M(jìn)行部局重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)全部測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量，從而降低或消除轉(zhuǎn)站誤差。
（5）可視化程度高。無(wú)論是在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)還是中央控制中心，操作人員都可以通過(guò)PDA或計(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時(shí)看到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
（6）一次標(biāo)定多次使用。只要標(biāo)定后的發(fā)射站位置不發(fā)生改變，該測(cè)量場(chǎng)即可無(wú)限次使用。
基于以上優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外業(yè)界深入研究了iGPS測(cè)量系統(tǒng)，J.Schwendemann[1]等人通過(guò)研究指出，iGPS可用于巷道中掘進(jìn)機(jī)及其他掘進(jìn)設(shè)備的導(dǎo)航以及應(yīng)力狀態(tài)下飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的變形測(cè)量；德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)和尼康公司的RobertSchmitt[2]等人通過(guò)對(duì)不確定度的研究指出，iGPS系統(tǒng)除用于機(jī)器人的控制和校準(zhǔn)以外，還可以廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船、汽車(chē)等大尺寸、高精度定位與測(cè)量的裝備制造領(lǐng)域。
本文介紹了iGPS測(cè)量系統(tǒng)組成，討論了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)，列舉了iGPS測(cè)量系統(tǒng)在飛機(jī)柔性裝配中的應(yīng)用。
iGPS測(cè)量系統(tǒng)組成
典型的iGPS測(cè)量系統(tǒng)主要由3大部分組成：信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收和信號(hào)處理（見(jiàn)圖3）。信號(hào)發(fā)射部分為激光發(fā)射器，系統(tǒng)工作時(shí)，發(fā)射器發(fā)出2 道具有固定角度的扇面激光和全向光脈沖，該激光對(duì)人體和眼睛沒(méi)有任何傷害；信號(hào)接收部分由傳感器和接收器組成，傳感器接收來(lái)自發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號(hào)，并傳給放大器，接收器對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化成數(shù)字化的角度信息；信號(hào)處理部分由中央計(jì)算機(jī)、客戶(hù)端和數(shù)據(jù)處理軟件組成，角度信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央計(jì)算機(jī)，由第三方數(shù)據(jù)處理軟件（如MAYA、SpatialAnalyzer、Metrolog Ⅱ等）處理為準(zhǔn)確的方位信息，并在整個(gè)工作區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)中共享，以便于多個(gè)用戶(hù)從客戶(hù)端讀取被測(cè)點(diǎn)的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)定位。沈飛公司與天津大學(xué)、634所聯(lián)合研制的iGPS測(cè)量系統(tǒng)主要由發(fā)射基站、接收器（測(cè)量傳感器）、前端處理機(jī)、控制網(wǎng)、任務(wù)計(jì)算機(jī)和主控計(jì)算機(jī)組成。主控計(jì)算機(jī)位于星形網(wǎng)絡(luò)布局的中心，負(fù)責(zé)控制測(cè)量任務(wù)及參數(shù)配置、分配資源、構(gòu)建及優(yōu)化控制網(wǎng)并監(jiān)控整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的狀態(tài)。發(fā)射基站分布于整個(gè)測(cè)量空間，其數(shù)量和位置根據(jù)測(cè)量空間和測(cè)量任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，只要保證接收器（測(cè)量傳感器）同時(shí)接收2個(gè)或2個(gè)以上發(fā)射基站的掃描激光信號(hào)，測(cè)量即可穩(wěn)定進(jìn)行。前端處理機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接收器（測(cè)量傳感器）接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間信號(hào)，并通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（無(wú)線(xiàn)傳輸距離可達(dá)40m）發(fā)送到任務(wù)計(jì)算機(jī)，由任務(wù)計(jì)算機(jī)完成空間坐標(biāo)的解算并進(jìn)行三維顯示�？刂凭W(wǎng)協(xié)助接收器完成精確解算的任務(wù)，并動(dòng)態(tài)監(jiān)控、更新發(fā)射基站參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)校正和補(bǔ)償。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試驗(yàn)證，車(chē)間測(cè)量場(chǎng)系統(tǒng)精度能達(dá)到0.2mm。
iGPS測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
1 系統(tǒng)布局及測(cè)量網(wǎng)優(yōu)化
iGPS測(cè)量系統(tǒng)中發(fā)射器和接收器的數(shù)量以及相對(duì)位置在很大程度上影響著系統(tǒng)測(cè)量精度，不同種類(lèi)接收器的使用也會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量精度。例如，3個(gè)發(fā)射器相對(duì)于2個(gè)發(fā)射器其測(cè)量精度可提高50%，4個(gè)發(fā)射器相對(duì)于3個(gè)發(fā)射器其測(cè)量精度可提高30%，5個(gè)發(fā)射器相對(duì)于4個(gè)發(fā)射器其測(cè)量精度可提高10%~15%[3]。此外，測(cè)量系統(tǒng)中全局控制網(wǎng)由多個(gè)區(qū)域測(cè)量網(wǎng)構(gòu)成，究竟由哪些發(fā)射器和接收器組成區(qū)域測(cè)量網(wǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分配。例如，在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域可布置較多的發(fā)射器，以進(jìn)一步增強(qiáng)測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性。因此，只有合理布置系統(tǒng)資源，并進(jìn)行測(cè)量網(wǎng)優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的精準(zhǔn)定位。
2 系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)
iGPS測(cè)量系統(tǒng)中每個(gè)發(fā)射器都有自己的測(cè)量坐標(biāo)系，所測(cè)得的角度值（方位角、俯仰角）也都是相對(duì)于各自的坐標(biāo)系，為了利用不同坐標(biāo)系下所測(cè)得的角度值，就需要在測(cè)量初始對(duì)發(fā)射器之間的相對(duì)位置關(guān)系和空間姿態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，確定系統(tǒng)參數(shù)，使所有發(fā)射器測(cè)得的目標(biāo)點(diǎn)的角度值在同一個(gè)坐標(biāo)系下。iGPS系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)際上就是通過(guò)測(cè)量空間目標(biāo)點(diǎn)，然后對(duì)其觀(guān)測(cè)值進(jìn)行平差解算，求得各發(fā)射器測(cè)量坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置和姿態(tài)。在利用系統(tǒng)標(biāo)定后的iGPS對(duì)空間未知目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)得的觀(guān)測(cè)值及發(fā)射器測(cè)量坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置和姿態(tài)關(guān)系，便可解算出未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)。因此，系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)是iGPS測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行空間點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量的前提和關(guān)鍵[4]。
3 數(shù)據(jù)處理與分析
使用iGPS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，接收器接收來(lái)自不同發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號(hào)，為了快速獲得目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，要求接收器對(duì)各通路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，提高數(shù)據(jù)處理速度，為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)、多目標(biāo)點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量打下基礎(chǔ)。此外，采用iGPS進(jìn)行位姿調(diào)整時(shí)，需要根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量值與理論值差異來(lái)確定調(diào)整量。因此，為了實(shí)時(shí)反饋調(diào)整信息，必須實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的快速處理和分析。
4 誤差補(bǔ)償技術(shù)
iGPS測(cè)量系統(tǒng)誤差主要源于儀器誤差、附件誤差、環(huán)境誤差和方法誤差等[4]。儀器誤差包括發(fā)射器和接收器誤差，發(fā)射器產(chǎn)生誤差的因素主要有：軸系偏擺、光脈沖延時(shí)同步、電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移以及光源信號(hào)、光平面的傾角及相對(duì)位置等。接收器產(chǎn)生誤差的因素主要影響體現(xiàn)在計(jì)時(shí)測(cè)量及其匹配判別、接收器光路設(shè)計(jì)等方面。針對(duì)每一個(gè)發(fā)射器，360°范圍內(nèi)不同角度的測(cè)量誤差是不同的，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果結(jié)合插值等方法進(jìn)行角度修正。系統(tǒng)的定向分為內(nèi)參數(shù)標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)定向2部分，影響內(nèi)參數(shù)標(biāo)定質(zhì)量的因素主要有激光器自帶誤差以及轉(zhuǎn)軸標(biāo)定精度；影響現(xiàn)場(chǎng)定向質(zhì)量的因素包括測(cè)角精度（系統(tǒng)硬件精度）、發(fā)射站布局、標(biāo)定點(diǎn)的選取及現(xiàn)場(chǎng)空間的限制、標(biāo)定算法以及控制點(diǎn)精度等。iGPS作為角度交匯測(cè)量系統(tǒng)，發(fā)射站的布局對(duì)測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，主要影響因素有基線(xiàn)長(zhǎng)度、交匯角、約束方向以及發(fā)射站的個(gè)數(shù)等。對(duì)于全局測(cè)量誤差，可以在全局布置幾個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，并且用高精度測(cè)量設(shè)備對(duì)其定位，當(dāng)發(fā)射器工作一段時(shí)間后，重復(fù)測(cè)量這幾個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)測(cè)得的誤差進(jìn)行全局誤差補(bǔ)償。只有采用正確的誤差補(bǔ)償方法，才能提高iGPS測(cè)量系統(tǒng)的精度、可靠性和穩(wěn)定性。
iGPS系統(tǒng)在飛機(jī)柔性裝配中的應(yīng)用
1 柔性裝配工裝定位
飛機(jī)柔性裝配工裝由骨架、定位件、夾緊件及輔助設(shè)備等組成，工裝定位件安裝的準(zhǔn)確度對(duì)飛機(jī)裝配精度起著重要的作用。柔性工裝尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定位件多，采用傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備對(duì)其定檢所需的時(shí)間較長(zhǎng)，因此可以使用iGPS測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行工裝的定位安裝，從而大大縮短工裝準(zhǔn)備時(shí)間，提高裝配效率。
2 自動(dòng)牽引運(yùn)輸車(chē)導(dǎo)航
在飛機(jī)柔性裝配前，不同裝配車(chē)間之間或者從裝配車(chē)間到試飛場(chǎng)之間的部件運(yùn)輸，都需要大量牽引運(yùn)輸車(chē)進(jìn)行頻繁的穿梭作業(yè)。對(duì)于固定導(dǎo)軌系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，很難實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸路徑的改變。而iGPS測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)牽引運(yùn)輸車(chē)的精確導(dǎo)航，并且根據(jù)需要進(jìn)行交通控制和傳輸路徑規(guī)劃，控制停泊位置和電池充電站[5]。
3 部件對(duì)接
尼康公司報(bào)道稱(chēng)，巴西AeronauticsInstitute of Technology(ITA)和巴西航空工業(yè)公司(Embraer)在小型客機(jī)自動(dòng)化裝配中（見(jiàn)圖4）采用了iGPS系統(tǒng)。其裝配場(chǎng)地面積為300m2，高10m，測(cè)量系統(tǒng)由iGPS、攝影測(cè)量和激光雷達(dá)組成，協(xié)助2臺(tái)重型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)身裝配。
圖4 小型客機(jī)自動(dòng)化裝配
美國(guó)波音公司從1998年開(kāi)始研究iGPS測(cè)量技術(shù)，并已應(yīng)用于從747、F/A18到777等飛機(jī)的總裝對(duì)接中，解決了對(duì)大尺寸構(gòu)件的測(cè)量問(wèn)題。在最新的787客機(jī)總裝（見(jiàn)圖5）中，iGPS技術(shù)應(yīng)用更加成熟。裝配過(guò)程中，測(cè)量系統(tǒng)會(huì)定位飛機(jī)部件，這些數(shù)據(jù)信息被輸入到系統(tǒng)的應(yīng)用軟件中，從而解算出飛機(jī)各部件（前后機(jī)身、左右機(jī)翼等）需要移動(dòng)的距離，以確保飛機(jī)相鄰部件的準(zhǔn)確對(duì)接裝配。這一精確的定位過(guò)程保證了飛機(jī)的平滑裝配，使得787機(jī)翼機(jī)身對(duì)接裝配僅用了幾個(gè)小時(shí)，而不是通常所需的幾天[6]。
圖5 波音787部件對(duì)接
4 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)引導(dǎo)
使用iGPS系統(tǒng)對(duì)工業(yè)鉆鉚機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)引導(dǎo)，以提高機(jī)翼指定位置處鉆孔及鉚接精度；可使機(jī)翼鉆孔和鉚接工位的定位準(zhǔn)確程度提高10倍。在動(dòng)態(tài)制造過(guò)程中當(dāng)部件由機(jī)械人夾持進(jìn)行焊接時(shí)，也可由iGPS對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位提高焊接精度；為無(wú)法使用精確位置反饋（編碼器/解析器）獲得全局坐標(biāo)系的爬行機(jī)器人提供位置信息。
5 全機(jī)水平測(cè)量
iGPS測(cè)量系統(tǒng)還可以用于飛機(jī)的全機(jī)水平測(cè)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制。操作人員用來(lái)檢查飛機(jī)成品整體的外形結(jié)構(gòu)、機(jī)翼的水平度、重要部件尺寸大小和原始圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的相符程度，以及飛機(jī)試飛前后關(guān)鍵點(diǎn)的變形情況等，從而達(dá)到對(duì)飛機(jī)成品的質(zhì)量檢測(cè)[5]。應(yīng)用iGPS系統(tǒng)完成全機(jī)水平測(cè)量無(wú)需使用專(zhuān)用工裝和場(chǎng)地，不必調(diào)整飛機(jī)處于水平狀態(tài)，在任何工位和姿態(tài)下均可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)標(biāo)定后，1~2名操作者30mm內(nèi)即可完成全機(jī)水平測(cè)量工作，傳統(tǒng)方法完成全機(jī)水平測(cè)量平均需要5~8h，測(cè)量精度由mm級(jí)提高到μm級(jí)。
6 其他應(yīng)用
F35全機(jī)外表面隱身噴涂，應(yīng)用8個(gè)固定的iGPS發(fā)射站安裝裝置，每個(gè)固定裝置內(nèi)有2臺(tái)紅外發(fā)射器，在工位四周分布有22個(gè)可移動(dòng)iGPS安裝裝置，通過(guò)紅外發(fā)射站照射整個(gè)工位對(duì)激光投影設(shè)備及機(jī)身上的光學(xué)傳感器進(jìn)行角度交匯定位，每個(gè)光傳感器具有360°的視場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層的監(jiān)測(cè)控制。
此外，iGPS系統(tǒng)還可以用于機(jī)器人刀具中心點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
結(jié)束語(yǔ)
iGPS系統(tǒng)具有測(cè)量范圍廣、多任務(wù)測(cè)量、無(wú)需轉(zhuǎn)站等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本文介紹了iGPS測(cè)量系統(tǒng)的組成，分析了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的4 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：系統(tǒng)布局及測(cè)量網(wǎng)優(yōu)化、系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與分析及誤差補(bǔ)償技術(shù)，最后列舉了iGPS系統(tǒng)在飛機(jī)柔性裝配過(guò)程中的應(yīng)用，主要用于柔性裝配工裝定位、自動(dòng)牽引運(yùn)輸車(chē)導(dǎo)航和部件對(duì)接等。 |
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