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| iGPS測量系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 |
| iGPS測量系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 | | 發(fā)布時間：2017/3/29 10:52:03 |
20世紀(jì)70年代，美國陸、海、空三軍聯(lián)合研制出GPS（GlobalPositioning System）全球定位系統(tǒng)（見圖1），主要為陸、海、空三軍提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。經(jīng)過幾十年的發(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GPS全球定位系統(tǒng)
20世紀(jì)90年代，在GPS測量原理的啟發(fā)下，美國Arcsecond公司率先開發(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)（見圖2），主要用于解決大尺寸室內(nèi)空間測量與定位問題。iGPS對大尺寸的精密測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象的精密測量問題。iGPS與GPS一樣，利用三角測量原理建立三維坐標(biāo)體系從而實現(xiàn)定位，不同的是iGPS采用紅外激光代替了衛(wèi)星（微波）信號。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，接收器接受到信號后，從中得到發(fā)射器與接受器間的2個角度值（類似于經(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個以上的基站就可以通過角度交會的方法計算出接收器的三維坐標(biāo)。
圖2 大尺寸IGPS測量系統(tǒng)
iGPS測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：
（1）多用戶測量。iGPS測量場是1個共享的資源場，位于測量場中的接收器獨立工作，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。
（2）測量范圍廣。在iGPS測量網(wǎng)中，通過增加發(fā)射站可實現(xiàn)量程擴(kuò)展，且不損失測量精度，其工作范圍為2~300m。
（3）抗干擾性好。測量過程允許斷光，且不影響測量精度。
（4）無需轉(zhuǎn)站測量。可以通過增加發(fā)射器或?qū)ζ溥M(jìn)行部局重構(gòu)，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)全部測量點的測量，從而降低或消除轉(zhuǎn)站誤差。
（5）可視化程度高。無論是在測量現(xiàn)場還是中央控制中心，操作人員都可以通過PDA或計算機(jī)屏幕實時看到被測點的三維坐標(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，該測量場即可無限次使用。
基于以上優(yōu)點，近幾年來國內(nèi)外業(yè)界深入研究了iGPS測量系統(tǒng)，J.Schwendemann[1]等人通過研究指出，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)的變形測量；德國亞琛工業(yè)大學(xué)和尼康公司的RobertSchmitt[2]等人通過對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、汽車等大尺寸、高精度定位與測量的裝備制造領(lǐng)域。
本文介紹了iGPS測量系統(tǒng)組成，討論了系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)，列舉了iGPS測量系統(tǒng)在飛機(jī)柔性裝配中的應(yīng)用。
iGPS測量系統(tǒng)組成
典型的iGPS測量系統(tǒng)主要由3大部分組成：信號發(fā)射、信號接收和信號處理（見圖3）。信號發(fā)射部分為激光發(fā)射器，系統(tǒng)工作時，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，該激光對人體和眼睛沒有任何傷害；信號接收部分由傳感器和接收器組成，傳感器接收來自發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號，并傳給放大器，接收器對放大信號進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化成數(shù)字化的角度信息；信號處理部分由中央計算機(jī)、客戶端和數(shù)據(jù)處理軟件組成，角度信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央計算機(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，并在整個工作區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)中共享，以便于多個用戶從客戶端讀取被測點的位置信息，從而實現(xiàn)定位。沈飛公司與天津大學(xué)、634所聯(lián)合研制的iGPS測量系統(tǒng)主要由發(fā)射基站、接收器（測量傳感器）、前端處理機(jī)、控制網(wǎng)、任務(wù)計算機(jī)和主控計算機(jī)組成。主控計算機(jī)位于星形網(wǎng)絡(luò)布局的中心，負(fù)責(zé)控制測量任務(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)控整個測量系統(tǒng)的狀態(tài)。發(fā)射基站分布于整個測量空間，其數(shù)量和位置根據(jù)測量空間和測量任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，只要保證接收器（測量傳感器）同時接收2個或2個以上發(fā)射基站的掃描激光信號，測量即可穩(wěn)定進(jìn)行。前端處理機(jī)負(fù)責(zé)實現(xiàn)接收器（測量傳感器）接收到的光信號轉(zhuǎn)換為時間信號，并通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)（無線傳輸距離可達(dá)40m）發(fā)送到任務(wù)計算機(jī)，由任務(wù)計算機(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)，并動態(tài)監(jiān)控、更新發(fā)射基站參數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動校正和補(bǔ)償。經(jīng)過系統(tǒng)應(yīng)用測試驗證，車間測量場系統(tǒng)精度能達(dá)到0.2mm。
iGPS測量系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
1 系統(tǒng)布局及測量網(wǎng)優(yōu)化
iGPS測量系統(tǒng)中發(fā)射器和接收器的數(shù)量以及相對位置在很大程度上影響著系統(tǒng)測量精度，不同種類接收器的使用也會產(chǎn)生不同的測量精度。例如，3個發(fā)射器相對于2個發(fā)射器其測量精度可提高50%，4個發(fā)射器相對于3個發(fā)射器其測量精度可提高30%，5個發(fā)射器相對于4個發(fā)射器其測量精度可提高10%~15%[3]。此外，測量系統(tǒng)中全局控制網(wǎng)由多個區(qū)域測量網(wǎng)構(gòu)成，究竟由哪些發(fā)射器和接收器組成區(qū)域測量網(wǎng)應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行分配。例如，在重點關(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)行測量網(wǎng)優(yōu)化，才能實現(xiàn)被測對象的精準(zhǔn)定位。
2 系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)
iGPS測量系統(tǒng)中每個發(fā)射器都有自己的測量坐標(biāo)系，所測得的角度值（方位角、俯仰角）也都是相對于各自的坐標(biāo)系，為了利用不同坐標(biāo)系下所測得的角度值，就需要在測量初始對發(fā)射器之間的相對位置關(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)射器測得的目標(biāo)點的角度值在同一個坐標(biāo)系下。iGPS系統(tǒng)標(biāo)定實際上就是通過測量空間目標(biāo)點，然后對其觀測值進(jìn)行平差解算，求得各發(fā)射器測量坐標(biāo)系之間的相對位置和姿態(tài)。在利用系統(tǒng)標(biāo)定后的iGPS對空間未知目標(biāo)點進(jìn)行測量時，根據(jù)測得的觀測值及發(fā)射器測量坐標(biāo)系之間的相對位置和姿態(tài)關(guān)系，便可解算出未知點的三維坐標(biāo)。因此，系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)是iGPS測量系統(tǒng)進(jìn)行空間點坐標(biāo)測量的前提和關(guān)鍵[4]。
3 數(shù)據(jù)處理與分析
使用iGPS系統(tǒng)進(jìn)行測量時，接收器接收來自不同發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號，為了快速獲得目標(biāo)點的坐標(biāo)，要求接收器對各通路數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，提高數(shù)據(jù)處理速度，為實現(xiàn)多任務(wù)、多目標(biāo)點的同時測量打下基礎(chǔ)。此外，采用iGPS進(jìn)行位姿調(diào)整時，需要根據(jù)目標(biāo)點的測量值與理論值差異來確定調(diào)整量。因此，為了實時反饋調(diào)整信息，必須實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的快速處理和分析。
4 誤差補(bǔ)償技術(shù)
iGPS測量系統(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、光脈沖延時同步、電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移以及光源信號、光平面的傾角及相對位置等。接收器產(chǎn)生誤差的因素主要影響體現(xiàn)在計時測量及其匹配判別、接收器光路設(shè)計等方面。針對每一個發(fā)射器，360°范圍內(nèi)不同角度的測量誤差是不同的，可以根據(jù)實際測量結(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)場定向質(zhì)量的因素包括測角精度（系統(tǒng)硬件精度）、發(fā)射站布局、標(biāo)定點的選取及現(xiàn)場空間的限制、標(biāo)定算法以及控制點精度等。iGPS作為角度交匯測量系統(tǒng)，發(fā)射站的布局對測量精度會產(chǎn)生較大的影響，主要影響因素有基線長度、交匯角、約束方向以及發(fā)射站的個數(shù)等。對于全局測量誤差，可以在全局布置幾個目標(biāo)點，并且用高精度測量設(shè)備對其定位，當(dāng)發(fā)射器工作一段時間后，重復(fù)測量這幾個目標(biāo)點的坐標(biāo)，根據(jù)測得的誤差進(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)測量設(shè)備對其定檢所需的時間較長，因此可以使用iGPS測量系統(tǒng)進(jìn)行工裝的定位安裝，從而大大縮短工裝準(zhǔn)備時間，提高裝配效率。
2 自動牽引運輸車導(dǎo)航
在飛機(jī)柔性裝配前，不同裝配車間之間或者從裝配車間到試飛場之間的部件運輸，都需要大量牽引運輸車進(jìn)行頻繁的穿梭作業(yè)。對于固定導(dǎo)軌系統(tǒng)來說，很難實現(xiàn)運輸路徑的改變。而iGPS測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)對自動牽引運輸車的精確導(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 部件對接
尼康公司報道稱，巴西AeronauticsInstitute of Technology(ITA)和巴西航空工業(yè)公司(Embraer)在小型客機(jī)自動化裝配中（見圖4）采用了iGPS系統(tǒng)。其裝配場地面積為300m2，高10m，測量系統(tǒng)由iGPS、攝影測量和激光雷達(dá)組成，協(xié)助2臺重型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)身裝配。
圖4 小型客機(jī)自動化裝配
美國波音公司從1998年開始研究iGPS測量技術(shù)，并已應(yīng)用于從747、F/A18到777等飛機(jī)的總裝對接中，解決了對大尺寸構(gòu)件的測量問題。在最新的787客機(jī)總裝（見圖5）中，iGPS技術(shù)應(yīng)用更加成熟。裝配過程中，測量系統(tǒng)會定位飛機(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）需要移動的距離，以確保飛機(jī)相鄰部件的準(zhǔn)確對接裝配。這一精確的定位過程保證了飛機(jī)的平滑裝配，使得787機(jī)翼機(jī)身對接裝配僅用了幾個小時，而不是通常所需的幾天[6]。
圖5 波音787部件對接
4 工業(yè)機(jī)器人自動引導(dǎo)
使用iGPS系統(tǒng)對工業(yè)鉆鉚機(jī)器人進(jìn)行實時引導(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。在動態(tài)制造過程中當(dāng)部件由機(jī)械人夾持進(jìn)行焊接時，也可由iGPS對機(jī)器人進(jìn)行實時跟蹤定位提高焊接精度；為無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)水平測量
iGPS測量系統(tǒng)還可以用于飛機(jī)的全機(jī)水平測量，實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制。操作人員用來檢查飛機(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設(shè)計的相符程度，以及飛機(jī)試飛前后關(guān)鍵點的變形情況等，從而達(dá)到對飛機(jī)成品的質(zhì)量檢測[5]。應(yīng)用iGPS系統(tǒng)完成全機(jī)水平測量無需使用專用工裝和場地，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)水平測量工作，傳統(tǒng)方法完成全機(jī)水平測量平均需要5~8h，測量精度由mm級提高到μm級。
6 其他應(yīng)用
F35全機(jī)外表面隱身噴涂，應(yīng)用8個固定的iGPS發(fā)射站安裝裝置，每個固定裝置內(nèi)有2臺紅外發(fā)射器，在工位四周分布有22個可移動iGPS安裝裝置，通過紅外發(fā)射站照射整個工位對激光投影設(shè)備及機(jī)身上的光學(xué)傳感器進(jìn)行角度交匯定位，每個光傳感器具有360°的視場，實現(xiàn)對涂層的監(jiān)測控制。
此外，iGPS系統(tǒng)還可以用于機(jī)器人刀具中心點位置的實時監(jiān)測。
結(jié)束語
iGPS系統(tǒng)具有測量范圍廣、多任務(wù)測量、無需轉(zhuǎn)站等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本文介紹了iGPS測量系統(tǒng)的組成，分析了系統(tǒng)實現(xiàn)的4 項關(guān)鍵技術(shù)：系統(tǒng)布局及測量網(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)柔性裝配過程中的應(yīng)用，主要用于柔性裝配工裝定位、自動牽引運輸車導(dǎo)航和部件對接等。 |
20世紀(jì)70年代，美國陸、海、空三軍聯(lián)合研制出GPS（GlobalPositioning System）全球定位系統(tǒng)（見圖1），主要為陸、海、空三軍提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。經(jīng)過幾十年的發(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GPS全球定位系統(tǒng)
20世紀(jì)90年代，在GPS測量原理的啟發(fā)下，美國Arcsecond公司率先開發(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)（見圖2），主要用于解決大尺寸室內(nèi)空間測量與定位問題。iGPS對大尺寸的精密測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象的精密測量問題。iGPS與GPS一樣，利用三角測量原理建立三維坐標(biāo)體系從而實現(xiàn)定位，不同的是iGPS采用紅外激光代替了衛(wèi)星（微波）信號。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，接收器接受到信號后，從中得到發(fā)射器與接受器間的2個角度值（類似于經(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個以上的基站就可以通過角度交會的方法計算出接收器的三維坐標(biāo)。
圖2 大尺寸IGPS測量系統(tǒng)
iGPS測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：
（1）多用戶測量。iGPS測量場是1個共享的資源場，位于測量場中的接收器獨立工作，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。
（2）測量范圍廣。在iGPS測量網(wǎng)中，通過增加發(fā)射站可實現(xiàn)量程擴(kuò)展，且不損失測量精度，其工作范圍為2~300m。
（3）抗干擾性好。測量過程允許斷光，且不影響測量精度。
（4）無需轉(zhuǎn)站測量�？梢酝ㄟ^增加發(fā)射器或?qū)ζ溥M(jìn)行部局重構(gòu)，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)全部測量點的測量，從而降低或消除轉(zhuǎn)站誤差。
（5）可視化程度高。無論是在測量現(xiàn)場還是中央控制中心，操作人員都可以通過PDA或計算機(jī)屏幕實時看到被測點的三維坐標(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，該測量場即可無限次使用。
基于以上優(yōu)點，近幾年來國內(nèi)外業(yè)界深入研究了iGPS測量系統(tǒng)，J.Schwendemann[1]等人通過研究指出，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)的變形測量；德國亞琛工業(yè)大學(xué)和尼康公司的RobertSchmitt[2]等人通過對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、汽車等大尺寸、高精度定位與測量的裝備制造領(lǐng)域。
本文介紹了iGPS測量系統(tǒng)組成，討論了系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)，列舉了iGPS測量系統(tǒng)在飛機(jī)柔性裝配中的應(yīng)用。
iGPS測量系統(tǒng)組成
典型的iGPS測量系統(tǒng)主要由3大部分組成：信號發(fā)射、信號接收和信號處理（見圖3）。信號發(fā)射部分為激光發(fā)射器，系統(tǒng)工作時，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，該激光對人體和眼睛沒有任何傷害；信號接收部分由傳感器和接收器組成，傳感器接收來自發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號，并傳給放大器，接收器對放大信號進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化成數(shù)字化的角度信息；信號處理部分由中央計算機(jī)、客戶端和數(shù)據(jù)處理軟件組成，角度信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央計算機(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，并在整個工作區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)中共享，以便于多個用戶從客戶端讀取被測點的位置信息，從而實現(xiàn)定位。沈飛公司與天津大學(xué)、634所聯(lián)合研制的iGPS測量系統(tǒng)主要由發(fā)射基站、接收器（測量傳感器）、前端處理機(jī)、控制網(wǎng)、任務(wù)計算機(jī)和主控計算機(jī)組成。主控計算機(jī)位于星形網(wǎng)絡(luò)布局的中心，負(fù)責(zé)控制測量任務(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)控整個測量系統(tǒng)的狀態(tài)。發(fā)射基站分布于整個測量空間，其數(shù)量和位置根據(jù)測量空間和測量任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，只要保證接收器（測量傳感器）同時接收2個或2個以上發(fā)射基站的掃描激光信號，測量即可穩(wěn)定進(jìn)行。前端處理機(jī)負(fù)責(zé)實現(xiàn)接收器（測量傳感器）接收到的光信號轉(zhuǎn)換為時間信號，并通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)（無線傳輸距離可達(dá)40m）發(fā)送到任務(wù)計算機(jī)，由任務(wù)計算機(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)，并動態(tài)監(jiān)控、更新發(fā)射基站參數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動校正和補(bǔ)償。經(jīng)過系統(tǒng)應(yīng)用測試驗證，車間測量場系統(tǒng)精度能達(dá)到0.2mm。
iGPS測量系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
1 系統(tǒng)布局及測量網(wǎng)優(yōu)化
iGPS測量系統(tǒng)中發(fā)射器和接收器的數(shù)量以及相對位置在很大程度上影響著系統(tǒng)測量精度，不同種類接收器的使用也會產(chǎn)生不同的測量精度。例如，3個發(fā)射器相對于2個發(fā)射器其測量精度可提高50%，4個發(fā)射器相對于3個發(fā)射器其測量精度可提高30%，5個發(fā)射器相對于4個發(fā)射器其測量精度可提高10%~15%[3]。此外，測量系統(tǒng)中全局控制網(wǎng)由多個區(qū)域測量網(wǎng)構(gòu)成，究竟由哪些發(fā)射器和接收器組成區(qū)域測量網(wǎng)應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行分配。例如，在重點關(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)行測量網(wǎng)優(yōu)化，才能實現(xiàn)被測對象的精準(zhǔn)定位。
2 系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)
iGPS測量系統(tǒng)中每個發(fā)射器都有自己的測量坐標(biāo)系，所測得的角度值（方位角、俯仰角）也都是相對于各自的坐標(biāo)系，為了利用不同坐標(biāo)系下所測得的角度值，就需要在測量初始對發(fā)射器之間的相對位置關(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)射器測得的目標(biāo)點的角度值在同一個坐標(biāo)系下。iGPS系統(tǒng)標(biāo)定實際上就是通過測量空間目標(biāo)點，然后對其觀測值進(jìn)行平差解算，求得各發(fā)射器測量坐標(biāo)系之間的相對位置和姿態(tài)。在利用系統(tǒng)標(biāo)定后的iGPS對空間未知目標(biāo)點進(jìn)行測量時，根據(jù)測得的觀測值及發(fā)射器測量坐標(biāo)系之間的相對位置和姿態(tài)關(guān)系，便可解算出未知點的三維坐標(biāo)。因此，系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)是iGPS測量系統(tǒng)進(jìn)行空間點坐標(biāo)測量的前提和關(guān)鍵[4]。
3 數(shù)據(jù)處理與分析
使用iGPS系統(tǒng)進(jìn)行測量時，接收器接收來自不同發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號，為了快速獲得目標(biāo)點的坐標(biāo)，要求接收器對各通路數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，提高數(shù)據(jù)處理速度，為實現(xiàn)多任務(wù)、多目標(biāo)點的同時測量打下基礎(chǔ)。此外，采用iGPS進(jìn)行位姿調(diào)整時，需要根據(jù)目標(biāo)點的測量值與理論值差異來確定調(diào)整量。因此，為了實時反饋調(diào)整信息，必須實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的快速處理和分析。
4 誤差補(bǔ)償技術(shù)
iGPS測量系統(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、光脈沖延時同步、電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移以及光源信號、光平面的傾角及相對位置等。接收器產(chǎn)生誤差的因素主要影響體現(xiàn)在計時測量及其匹配判別、接收器光路設(shè)計等方面。針對每一個發(fā)射器，360°范圍內(nèi)不同角度的測量誤差是不同的，可以根據(jù)實際測量結(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)場定向質(zhì)量的因素包括測角精度（系統(tǒng)硬件精度）、發(fā)射站布局、標(biāo)定點的選取及現(xiàn)場空間的限制、標(biāo)定算法以及控制點精度等。iGPS作為角度交匯測量系統(tǒng)，發(fā)射站的布局對測量精度會產(chǎn)生較大的影響，主要影響因素有基線長度、交匯角、約束方向以及發(fā)射站的個數(shù)等。對于全局測量誤差，可以在全局布置幾個目標(biāo)點，并且用高精度測量設(shè)備對其定位，當(dāng)發(fā)射器工作一段時間后，重復(fù)測量這幾個目標(biāo)點的坐標(biāo)，根據(jù)測得的誤差進(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)測量設(shè)備對其定檢所需的時間較長，因此可以使用iGPS測量系統(tǒng)進(jìn)行工裝的定位安裝，從而大大縮短工裝準(zhǔn)備時間，提高裝配效率。
2 自動牽引運輸車導(dǎo)航
在飛機(jī)柔性裝配前，不同裝配車間之間或者從裝配車間到試飛場之間的部件運輸，都需要大量牽引運輸車進(jìn)行頻繁的穿梭作業(yè)。對于固定導(dǎo)軌系統(tǒng)來說，很難實現(xiàn)運輸路徑的改變。而iGPS測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)對自動牽引運輸車的精確導(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 部件對接
尼康公司報道稱，巴西AeronauticsInstitute of Technology(ITA)和巴西航空工業(yè)公司(Embraer)在小型客機(jī)自動化裝配中（見圖4）采用了iGPS系統(tǒng)。其裝配場地面積為300m2，高10m，測量系統(tǒng)由iGPS、攝影測量和激光雷達(dá)組成，協(xié)助2臺重型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行機(jī)身裝配。
圖4 小型客機(jī)自動化裝配
美國波音公司從1998年開始研究iGPS測量技術(shù)，并已應(yīng)用于從747、F/A18到777等飛機(jī)的總裝對接中，解決了對大尺寸構(gòu)件的測量問題。在最新的787客機(jī)總裝（見圖5）中，iGPS技術(shù)應(yīng)用更加成熟。裝配過程中，測量系統(tǒng)會定位飛機(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）需要移動的距離，以確保飛機(jī)相鄰部件的準(zhǔn)確對接裝配。這一精確的定位過程保證了飛機(jī)的平滑裝配，使得787機(jī)翼機(jī)身對接裝配僅用了幾個小時，而不是通常所需的幾天[6]。
圖5 波音787部件對接
4 工業(yè)機(jī)器人自動引導(dǎo)
使用iGPS系統(tǒng)對工業(yè)鉆鉚機(jī)器人進(jìn)行實時引導(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。在動態(tài)制造過程中當(dāng)部件由機(jī)械人夾持進(jìn)行焊接時，也可由iGPS對機(jī)器人進(jìn)行實時跟蹤定位提高焊接精度；為無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)水平測量
iGPS測量系統(tǒng)還可以用于飛機(jī)的全機(jī)水平測量，實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制。操作人員用來檢查飛機(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設(shè)計的相符程度，以及飛機(jī)試飛前后關(guān)鍵點的變形情況等，從而達(dá)到對飛機(jī)成品的質(zhì)量檢測[5]。應(yīng)用iGPS系統(tǒng)完成全機(jī)水平測量無需使用專用工裝和場地，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)水平測量工作，傳統(tǒng)方法完成全機(jī)水平測量平均需要5~8h，測量精度由mm級提高到μm級。
6 其他應(yīng)用
F35全機(jī)外表面隱身噴涂，應(yīng)用8個固定的iGPS發(fā)射站安裝裝置，每個固定裝置內(nèi)有2臺紅外發(fā)射器，在工位四周分布有22個可移動iGPS安裝裝置，通過紅外發(fā)射站照射整個工位對激光投影設(shè)備及機(jī)身上的光學(xué)傳感器進(jìn)行角度交匯定位，每個光傳感器具有360°的視場，實現(xiàn)對涂層的監(jiān)測控制。
此外，iGPS系統(tǒng)還可以用于機(jī)器人刀具中心點位置的實時監(jiān)測。
結(jié)束語
iGPS系統(tǒng)具有測量范圍廣、多任務(wù)測量、無需轉(zhuǎn)站等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本文介紹了iGPS測量系統(tǒng)的組成，分析了系統(tǒng)實現(xiàn)的4 項關(guān)鍵技術(shù)：系統(tǒng)布局及測量網(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)柔性裝配過程中的應(yīng)用，主要用于柔性裝配工裝定位、自動牽引運輸車導(dǎo)航和部件對接等。 |
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