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iGPS測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 |
iGPS測量系統(tǒng)實(shí)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(shí)時、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(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。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(jì)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(diǎn):
(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(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。
(2)測量范圍廣。在iGPS測量網(wǎng)中,通過增加發(fā)射站可實(shí)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(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)全部測量點(diǎn)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(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時看到被測點(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,該測量場即可無限次使用。
基于以上優(yōu)點(diǎn),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(shí)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(jì)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(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(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(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(shí)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(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。控制網(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(shí)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(yàn)證,車間測量場系統(tǒng)精度能達(dá)到0.2mm。
iGPS測量系統(tǒng)實(shí)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(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(shí)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(diǎn)的角度值在同一個坐標(biāo)系下。iGPS系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)際上就是通過測量空間目標(biāo)點(diǎn),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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo),要求接收器對各通路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理,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(diǎn)的測量值與理論值差異來確定調(diào)整量。因此,為了實(shí)時反饋調(diào)整信息,必須實(shí)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(jì)時測量及其匹配判別、接收器光路設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)的選取及現(xiàn)場空間的限制、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(diǎn),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(diǎn)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(yùn)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(yùn)輸,都需要大量牽引運(yùn)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(shí)現(xiàn)運(yùn)輸路徑的改變。而iGPS測量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對自動牽引運(yùn)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(bào)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(shí)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(shí)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(shí)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?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(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(shí)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(diǎn)位置的實(shí)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(diǎn),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(shí)現(xiàn)的4 項(xiàng)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(yùn)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(shí)時、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(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。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(jì)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(diǎn):
(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(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。
(2)測量范圍廣。在iGPS測量網(wǎng)中,通過增加發(fā)射站可實(shí)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(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)全部測量點(diǎn)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(jì)算機(jī)屏幕實(shí)時看到被測點(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,該測量場即可無限次使用。
基于以上優(yōu)點(diǎn),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(shí)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(jì)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(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(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(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(shí)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(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。控制網(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(shí)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(yàn)證,車間測量場系統(tǒng)精度能達(dá)到0.2mm。
iGPS測量系統(tǒng)實(shí)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(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(shí)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(diǎn)的角度值在同一個坐標(biāo)系下。iGPS系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)際上就是通過測量空間目標(biāo)點(diǎn),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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo),要求接收器對各通路數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理,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(diǎn)的測量值與理論值差異來確定調(diào)整量。因此,為了實(shí)時反饋調(diào)整信息,必須實(shí)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(jì)時測量及其匹配判別、接收器光路設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)的選取及現(xiàn)場空間的限制、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(diǎn),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(diǎn)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(yùn)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(yùn)輸,都需要大量牽引運(yùn)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(shí)現(xiàn)運(yùn)輸路徑的改變。而iGPS測量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對自動牽引運(yùn)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(bào)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(shí)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(shí)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(shí)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?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(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(shí)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(diǎn)位置的實(shí)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(diǎn),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(shí)現(xiàn)的4 項(xiàng)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(yùn)輸車導(dǎo)航和部件對接等。 |
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