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| iGPS測量系統實現關鍵技術及應用 |
| iGPS測量系統實現關鍵技術及應用 | | 發布時間：2017/3/29 10:52:03 |
20世紀70年代，美國陸、海、空三軍聯合研制出GPS（GlobalPositioning System）全球定位系統（見圖1），主要為陸、海、空三軍提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的。經過幾十年的發展，GPS系統不僅僅只用于軍事用途，現在已經逐漸深入到人們的日常生活當中，被視為全世界通用的定位系統。GPS系統的優勢不僅在于它的先進技術，更在于它的系統理念。
圖1 美國GPS全球定位系統
20世紀90年代，在GPS測量原理的啟發下，美國Arcsecond公司率先開發出了一種具有高精度、高可靠性和高效率的室內GPS（indoorGPS，iGPS）系統（見圖2），主要用于解決大尺寸室內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體系從而實現定位，不同的是iGPS采用紅外激光代替了衛星（微波）信號。iGPS是利用室內的激光發射裝置（基站）不停地向外發射單向的帶有位置信息的紅外激光，接收器接受到信號后，從中得到發射器與接受器間的2個角度值（類似于經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。
圖2 大尺寸IGPS測量系統
iGPS測量系統具有以下優點：
（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系統一樣，只需增加傳感器和接收器的數量就可以增加用戶。
（2）測量范圍廣。在iGPS測量網中，通過增加發射站可實現量程擴展，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）無需轉站測量�？梢酝ㄟ^增加發射器或對其進行部局重構，實現對系統內全部測量點的測量，從而降低或消除轉站誤差。
（5）可視化程度高。無論是在測量現場還是中央控制中心，操作人員都可以通過PDA或計算機屏幕實時看到被測點的三維坐標。
（6）一次標定多次使用。只要標定后的發射站位置不發生改變，該測量場即可無限次使用。
基于以上優點，近幾年來國內外業界深入研究了iGPS測量系統，J.Schwendemann[1]等人通過研究指出，iGPS可用于巷道中掘進機及其他掘進設備的導航以及應力狀態下飛機機身結構的變形測量；德國亞琛工業大學和尼康公司的RobertSchmitt[2]等人通過對不確定度的研究指出，iGPS系統除用于機器人的控制和校準以外，還可以廣泛應用于航空、航天、造船、汽車等大尺寸、高精度定位與測量的裝備制造領域。
本文介紹了iGPS測量系統組成，討論了系統實現關鍵技術，列舉了iGPS測量系統在飛機柔性裝配中的應用。
iGPS測量系統組成
典型的iGPS測量系統主要由3大部分組成：信號發射、信號接收和信號處理（見圖3）。信號發射部分為激光發射器，系統工作時，發射器發出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，傳感器接收來自發射器發出的激光模擬信號，并傳給放大器，接收器對放大信號進行處理并轉化成數字化的角度信息；信號處理部分由中央計算機、客戶端和數據處理軟件組成，角度信息通過無線網絡傳輸至中央計算機，由第三方數據處理軟件（如MAYA、SpatialAnalyzer、Metrolog Ⅱ等）處理為準確的方位信息，并在整個工作區域和網絡中共享，以便于多個用戶從客戶端讀取被測點的位置信息，從而實現定位。沈飛公司與天津大學、634所聯合研制的iGPS測量系統主要由發射基站、接收器（測量傳感器）、前端處理機、控制網、任務計算機和主控計算機組成。主控計算機位于星形網絡布局的中心，負責控制測量任務及參數配置、分配資源、構建及優化控制網并監控整個測量系統的狀態。發射基站分布于整個測量空間，其數量和位置根據測量空間和測量任務進行規劃，只要保證接收器（測量傳感器）同時接收2個或2個以上發射基站的掃描激光信號，測量即可穩定進行。前端處理機負責實現接收器（測量傳感器）接收到的光信號轉換為時間信號，并通過Zigbee無線網絡（無線傳輸距離可達40m）發送到任務計算機，由任務計算機完成空間坐標的解算并進行三維顯示�？刂凭W協助接收器完成精確解算的任務，并動態監控、更新發射基站參數，以實現系統的自動校正和補償。經過系統應用測試驗證，車間測量場系統精度能達到0.2mm。
iGPS測量系統實現關鍵技術
1 系統布局及測量網優化
iGPS測量系統中發射器和接收器的數量以及相對位置在很大程度上影響著系統測量精度，不同種類接收器的使用也會產生不同的測量精度。例如，3個發射器相對于2個發射器其測量精度可提高50%，4個發射器相對于3個發射器其測量精度可提高30%，5個發射器相對于4個發射器其測量精度可提高10%~15%[3]。此外，測量系統中全局控制網由多個區域測量網構成，究竟由哪些發射器和接收器組成區域測量網應根據實際情況進行分配。例如，在重點關注區域可布置較多的發射器，以進一步增強測量結果的穩定性。因此，只有合理布置系統資源，并進行測量網優化，才能實現被測對象的精準定位。
2 系統標定技術
iGPS測量系統中每個發射器都有自己的測量坐標系，所測得的角度值（方位角、俯仰角）也都是相對于各自的坐標系，為了利用不同坐標系下所測得的角度值，就需要在測量初始對發射器之間的相對位置關系和空間姿態進行標定，確定系統參數，使所有發射器測得的目標點的角度值在同一個坐標系下。iGPS系統標定實際上就是通過測量空間目標點，然后對其觀測值進行平差解算，求得各發射器測量坐標系之間的相對位置和姿態。在利用系統標定后的iGPS對空間未知目標點進行測量時，根據測得的觀測值及發射器測量坐標系之間的相對位置和姿態關系，便可解算出未知點的三維坐標。因此，系統標定技術是iGPS測量系統進行空間點坐標測量的前提和關鍵[4]。
3 數據處理與分析
使用iGPS系統進行測量時，接收器接收來自不同發射器發出的激光模擬信號，為了快速獲得目標點的坐標，要求接收器對各通路數據進行實時處理，提高數據處理速度，為實現多任務、多目標點的同時測量打下基礎。此外，采用iGPS進行位姿調整時，需要根據目標點的測量值與理論值差異來確定調整量。因此，為了實時反饋調整信息，必須實現測量數據的快速處理和分析。
4 誤差補償技術
iGPS測量系統誤差主要源于儀器誤差、附件誤差、環境誤差和方法誤差等[4]。儀器誤差包括發射器和接收器誤差，發射器產生誤差的因素主要有：軸系偏擺、光脈沖延時同步、電機轉速偏移以及光源信號、光平面的傾角及相對位置等。接收器產生誤差的因素主要影響體現在計時測量及其匹配判別、接收器光路設計等方面。針對每一個發射器，360°范圍內不同角度的測量誤差是不同的，可以根據實際測量結果結合插值等方法進行角度修正。系統的定向分為內參數標定和現場定向2部分，影響內參數標定質量的因素主要有激光器自帶誤差以及轉軸標定精度；影響現場定向質量的因素包括測角精度（系統硬件精度）、發射站布局、標定點的選取及現場空間的限制、標定算法以及控制點精度等。iGPS作為角度交匯測量系統，發射站的布局對測量精度會產生較大的影響，主要影響因素有基線長度、交匯角、約束方向以及發射站的個數等。對于全局測量誤差，可以在全局布置幾個目標點，并且用高精度測量設備對其定位，當發射器工作一段時間后，重復測量這幾個目標點的坐標，根據測得的誤差進行全局誤差補償。只有采用正確的誤差補償方法，才能提高iGPS測量系統的精度、可靠性和穩定性。
iGPS系統在飛機柔性裝配中的應用
1 柔性裝配工裝定位
飛機柔性裝配工裝由骨架、定位件、夾緊件及輔助設備等組成，工裝定位件安裝的準確度對飛機裝配精度起著重要的作用。柔性工裝尺寸大、結構復雜、定位件多，采用傳統測量設備對其定檢所需的時間較長，因此可以使用iGPS測量系統進行工裝的定位安裝，從而大大縮短工裝準備時間，提高裝配效率。
2 自動牽引運輸車導航
在飛機柔性裝配前，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行頻繁的穿梭作業。對于固定導軌系統來說，很難實現運輸路徑的改變。而iGPS測量系統可以實現對自動牽引運輸車的精確導航，并且根據需要進行交通控制和傳輸路徑規劃，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)和巴西航空工業公司(Embraer)在小型客機自動化裝配中（見圖4）采用了iGPS系統。其裝配場地面積為300m2，高10m，測量系統由iGPS、攝影測量和激光雷達組成，協助2臺重型工業機器人進行機身裝配。
圖4 小型客機自動化裝配
美國波音公司從1998年開始研究iGPS測量技術，并已應用于從747、F/A18到777等飛機的總裝對接中，解決了對大尺寸構件的測量問題。在最新的787客機總裝（見圖5）中，iGPS技術應用更加成熟。裝配過程中，測量系統會定位飛機部件，這些數據信息被輸入到系統的應用軟件中，從而解算出飛機各部件（前后機身、左右機翼等）需要移動的距離，以確保飛機相鄰部件的準確對接裝配。這一精確的定位過程保證了飛機的平滑裝配，使得787機翼機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 工業機器人自動引導
使用iGPS系統對工業鉆鉚機器人進行實時引導，以提高機翼指定位置處鉆孔及鉚接精度；可使機翼鉆孔和鉚接工位的定位準確程度提高10倍。在動態制造過程中當部件由機械人夾持進行焊接時，也可由iGPS對機器人進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）獲得全局坐標系的爬行機器人提供位置信息。
5 全機水平測量
iGPS測量系統還可以用于飛機的全機水平測量，實現產品的質量控制。操作人員用來檢查飛機成品整體的外形結構、機翼的水平度、重要部件尺寸大小和原始圖紙設計的相符程度，以及飛機試飛前后關鍵點的變形情況等，從而達到對飛機成品的質量檢測[5]。應用iGPS系統完成全機水平測量無需使用專用工裝和場地，不必調整飛機處于水平狀態，在任何工位和姿態下均可實現，系統標定后，1~2名操作者30mm內即可完成全機水平測量工作，傳統方法完成全機水平測量平均需要5~8h，測量精度由mm級提高到μm級。
6 其他應用
F35全機外表面隱身噴涂，應用8個固定的iGPS發射站安裝裝置，每個固定裝置內有2臺紅外發射器，在工位四周分布有22個可移動iGPS安裝裝置，通過紅外發射站照射整個工位對激光投影設備及機身上的光學傳感器進行角度交匯定位，每個光傳感器具有360°的視場，實現對涂層的監測控制。
此外，iGPS系統還可以用于機器人刀具中心點位置的實時監測。
結束語
iGPS系統具有測量范圍廣、多任務測量、無需轉站等優點，被廣泛應用于工業領域。本文介紹了iGPS測量系統的組成，分析了系統實現的4 項關鍵技術：系統布局及測量網優化、系統標定技術、數據處理與分析及誤差補償技術，最后列舉了iGPS系統在飛機柔性裝配過程中的應用，主要用于柔性裝配工裝定位、自動牽引運輸車導航和部件對接等。 |
20世紀70年代，美國陸、海、空三軍聯合研制出GPS（GlobalPositioning System）全球定位系統（見圖1），主要為陸、海、空三軍提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的。經過幾十年的發展，GPS系統不僅僅只用于軍事用途，現在已經逐漸深入到人們的日常生活當中，被視為全世界通用的定位系統。GPS系統的優勢不僅在于它的先進技術，更在于它的系統理念。
圖1 美國GPS全球定位系統
20世紀90年代，在GPS測量原理的啟發下，美國Arcsecond公司率先開發出了一種具有高精度、高可靠性和高效率的室內GPS（indoorGPS，iGPS）系統（見圖2），主要用于解決大尺寸室內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體系從而實現定位，不同的是iGPS采用紅外激光代替了衛星（微波）信號。iGPS是利用室內的激光發射裝置（基站）不停地向外發射單向的帶有位置信息的紅外激光，接收器接受到信號后，從中得到發射器與接受器間的2個角度值（類似于經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。
圖2 大尺寸IGPS測量系統
iGPS測量系統具有以下優點：
（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系統一樣，只需增加傳感器和接收器的數量就可以增加用戶。
（2）測量范圍廣。在iGPS測量網中，通過增加發射站可實現量程擴展，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）無需轉站測量�？梢酝ㄟ^增加發射器或對其進行部局重構，實現對系統內全部測量點的測量，從而降低或消除轉站誤差。
（5）可視化程度高。無論是在測量現場還是中央控制中心，操作人員都可以通過PDA或計算機屏幕實時看到被測點的三維坐標。
（6）一次標定多次使用。只要標定后的發射站位置不發生改變，該測量場即可無限次使用。
基于以上優點，近幾年來國內外業界深入研究了iGPS測量系統，J.Schwendemann[1]等人通過研究指出，iGPS可用于巷道中掘進機及其他掘進設備的導航以及應力狀態下飛機機身結構的變形測量；德國亞琛工業大學和尼康公司的RobertSchmitt[2]等人通過對不確定度的研究指出，iGPS系統除用于機器人的控制和校準以外，還可以廣泛應用于航空、航天、造船、汽車等大尺寸、高精度定位與測量的裝備制造領域。
本文介紹了iGPS測量系統組成，討論了系統實現關鍵技術，列舉了iGPS測量系統在飛機柔性裝配中的應用。
iGPS測量系統組成
典型的iGPS測量系統主要由3大部分組成：信號發射、信號接收和信號處理（見圖3）。信號發射部分為激光發射器，系統工作時，發射器發出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，傳感器接收來自發射器發出的激光模擬信號，并傳給放大器，接收器對放大信號進行處理并轉化成數字化的角度信息；信號處理部分由中央計算機、客戶端和數據處理軟件組成，角度信息通過無線網絡傳輸至中央計算機，由第三方數據處理軟件（如MAYA、SpatialAnalyzer、Metrolog Ⅱ等）處理為準確的方位信息，并在整個工作區域和網絡中共享，以便于多個用戶從客戶端讀取被測點的位置信息，從而實現定位。沈飛公司與天津大學、634所聯合研制的iGPS測量系統主要由發射基站、接收器（測量傳感器）、前端處理機、控制網、任務計算機和主控計算機組成。主控計算機位于星形網絡布局的中心，負責控制測量任務及參數配置、分配資源、構建及優化控制網并監控整個測量系統的狀態。發射基站分布于整個測量空間，其數量和位置根據測量空間和測量任務進行規劃，只要保證接收器（測量傳感器）同時接收2個或2個以上發射基站的掃描激光信號，測量即可穩定進行。前端處理機負責實現接收器（測量傳感器）接收到的光信號轉換為時間信號，并通過Zigbee無線網絡（無線傳輸距離可達40m）發送到任務計算機，由任務計算機完成空間坐標的解算并進行三維顯示。控制網協助接收器完成精確解算的任務，并動態監控、更新發射基站參數，以實現系統的自動校正和補償。經過系統應用測試驗證，車間測量場系統精度能達到0.2mm。
iGPS測量系統實現關鍵技術
1 系統布局及測量網優化
iGPS測量系統中發射器和接收器的數量以及相對位置在很大程度上影響著系統測量精度，不同種類接收器的使用也會產生不同的測量精度。例如，3個發射器相對于2個發射器其測量精度可提高50%，4個發射器相對于3個發射器其測量精度可提高30%，5個發射器相對于4個發射器其測量精度可提高10%~15%[3]。此外，測量系統中全局控制網由多個區域測量網構成，究竟由哪些發射器和接收器組成區域測量網應根據實際情況進行分配。例如，在重點關注區域可布置較多的發射器，以進一步增強測量結果的穩定性。因此，只有合理布置系統資源，并進行測量網優化，才能實現被測對象的精準定位。
2 系統標定技術
iGPS測量系統中每個發射器都有自己的測量坐標系，所測得的角度值（方位角、俯仰角）也都是相對于各自的坐標系，為了利用不同坐標系下所測得的角度值，就需要在測量初始對發射器之間的相對位置關系和空間姿態進行標定，確定系統參數，使所有發射器測得的目標點的角度值在同一個坐標系下。iGPS系統標定實際上就是通過測量空間目標點，然后對其觀測值進行平差解算，求得各發射器測量坐標系之間的相對位置和姿態。在利用系統標定后的iGPS對空間未知目標點進行測量時，根據測得的觀測值及發射器測量坐標系之間的相對位置和姿態關系，便可解算出未知點的三維坐標。因此，系統標定技術是iGPS測量系統進行空間點坐標測量的前提和關鍵[4]。
3 數據處理與分析
使用iGPS系統進行測量時，接收器接收來自不同發射器發出的激光模擬信號，為了快速獲得目標點的坐標，要求接收器對各通路數據進行實時處理，提高數據處理速度，為實現多任務、多目標點的同時測量打下基礎。此外，采用iGPS進行位姿調整時，需要根據目標點的測量值與理論值差異來確定調整量。因此，為了實時反饋調整信息，必須實現測量數據的快速處理和分析。
4 誤差補償技術
iGPS測量系統誤差主要源于儀器誤差、附件誤差、環境誤差和方法誤差等[4]。儀器誤差包括發射器和接收器誤差，發射器產生誤差的因素主要有：軸系偏擺、光脈沖延時同步、電機轉速偏移以及光源信號、光平面的傾角及相對位置等。接收器產生誤差的因素主要影響體現在計時測量及其匹配判別、接收器光路設計等方面。針對每一個發射器，360°范圍內不同角度的測量誤差是不同的，可以根據實際測量結果結合插值等方法進行角度修正。系統的定向分為內參數標定和現場定向2部分，影響內參數標定質量的因素主要有激光器自帶誤差以及轉軸標定精度；影響現場定向質量的因素包括測角精度（系統硬件精度）、發射站布局、標定點的選取及現場空間的限制、標定算法以及控制點精度等。iGPS作為角度交匯測量系統，發射站的布局對測量精度會產生較大的影響，主要影響因素有基線長度、交匯角、約束方向以及發射站的個數等。對于全局測量誤差，可以在全局布置幾個目標點，并且用高精度測量設備對其定位，當發射器工作一段時間后，重復測量這幾個目標點的坐標，根據測得的誤差進行全局誤差補償。只有采用正確的誤差補償方法，才能提高iGPS測量系統的精度、可靠性和穩定性。
iGPS系統在飛機柔性裝配中的應用
1 柔性裝配工裝定位
飛機柔性裝配工裝由骨架、定位件、夾緊件及輔助設備等組成，工裝定位件安裝的準確度對飛機裝配精度起著重要的作用。柔性工裝尺寸大、結構復雜、定位件多，采用傳統測量設備對其定檢所需的時間較長，因此可以使用iGPS測量系統進行工裝的定位安裝，從而大大縮短工裝準備時間，提高裝配效率。
2 自動牽引運輸車導航
在飛機柔性裝配前，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行頻繁的穿梭作業。對于固定導軌系統來說，很難實現運輸路徑的改變。而iGPS測量系統可以實現對自動牽引運輸車的精確導航，并且根據需要進行交通控制和傳輸路徑規劃，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)和巴西航空工業公司(Embraer)在小型客機自動化裝配中（見圖4）采用了iGPS系統。其裝配場地面積為300m2，高10m，測量系統由iGPS、攝影測量和激光雷達組成，協助2臺重型工業機器人進行機身裝配。
圖4 小型客機自動化裝配
美國波音公司從1998年開始研究iGPS測量技術，并已應用于從747、F/A18到777等飛機的總裝對接中，解決了對大尺寸構件的測量問題。在最新的787客機總裝（見圖5）中，iGPS技術應用更加成熟。裝配過程中，測量系統會定位飛機部件，這些數據信息被輸入到系統的應用軟件中，從而解算出飛機各部件（前后機身、左右機翼等）需要移動的距離，以確保飛機相鄰部件的準確對接裝配。這一精確的定位過程保證了飛機的平滑裝配，使得787機翼機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 工業機器人自動引導
使用iGPS系統對工業鉆鉚機器人進行實時引導，以提高機翼指定位置處鉆孔及鉚接精度；可使機翼鉆孔和鉚接工位的定位準確程度提高10倍。在動態制造過程中當部件由機械人夾持進行焊接時，也可由iGPS對機器人進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）獲得全局坐標系的爬行機器人提供位置信息。
5 全機水平測量
iGPS測量系統還可以用于飛機的全機水平測量，實現產品的質量控制。操作人員用來檢查飛機成品整體的外形結構、機翼的水平度、重要部件尺寸大小和原始圖紙設計的相符程度，以及飛機試飛前后關鍵點的變形情況等，從而達到對飛機成品的質量檢測[5]。應用iGPS系統完成全機水平測量無需使用專用工裝和場地，不必調整飛機處于水平狀態，在任何工位和姿態下均可實現，系統標定后，1~2名操作者30mm內即可完成全機水平測量工作，傳統方法完成全機水平測量平均需要5~8h，測量精度由mm級提高到μm級。
6 其他應用
F35全機外表面隱身噴涂，應用8個固定的iGPS發射站安裝裝置，每個固定裝置內有2臺紅外發射器，在工位四周分布有22個可移動iGPS安裝裝置，通過紅外發射站照射整個工位對激光投影設備及機身上的光學傳感器進行角度交匯定位，每個光傳感器具有360°的視場，實現對涂層的監測控制。
此外，iGPS系統還可以用于機器人刀具中心點位置的實時監測。
結束語
iGPS系統具有測量范圍廣、多任務測量、無需轉站等優點，被廣泛應用于工業領域。本文介紹了iGPS測量系統的組成，分析了系統實現的4 項關鍵技術：系統布局及測量網優化、系統標定技術、數據處理與分析及誤差補償技術，最后列舉了iGPS系統在飛機柔性裝配過程中的應用，主要用于柔性裝配工裝定位、自動牽引運輸車導航和部件對接等。 |
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