20世紀70年代席覆，美國陸销睁、海鹿连、空三軍聯(lián)合研制出GPS（GlobalPositioning System）全球定位系統(tǒng)（見圖1）缠染，主要為陸、海磷拧、空三軍提供實時骡梨、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集者赴、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的日胖。經(jīng)過幾十年的發(fā)展瞎介，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中习荚，被視為全世界通用的定位系統(tǒng)融辈。GPS系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅在于它的先進技術(shù)，更在于它的系統(tǒng)理念仁娱。

圖1 美國GPS全球定位系統(tǒng)

　　20世紀90年代胧蹲，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囊祝、高可靠性和高效率的室內(nèi)GPS（indoorGPS殉酬，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伞辛。iGPS對大尺寸的精密測量提供了一種全新的方法烂翰，解決了飛機外形、大型船身等大尺寸對象的精密測量問題蚤氏。iGPS與GPS一樣甘耿，利用三角測量原理建立三維坐標體系從而實現(xiàn)定位，不同的是iGPS采用紅外激光代替了衛(wèi)星（微波）信號瞧捌。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棵里，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）姐呐，在已知基站的位置和方位信息后殿怜，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(tǒng)

iGPS測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：
（1）多用戶測量曙砂。iGPS測量場是1個共享的資源場头谜，位于測量場中的接收器獨立工作，互不影響鸠澈，像GPS系統(tǒng)一樣柱告，只需增加傳感器和接收器的數(shù)量就可以增加用戶。
（2）測量范圍廣颖助。在iGPS測量網(wǎng)中旋囤，通過增加發(fā)射站可實現(xiàn)量程擴展，且不損失測量精度戏筹，其工作范圍為2~300m凯怕。
（3）抗干擾性好。測量過程允許斷光缓万，且不影響測量精度甩楷。
（4）無需轉(zhuǎn)站測量。可以通過增加發(fā)射器或?qū)ζ溥M行部局重構(gòu)催锯，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)全部測量點的測量滴练，從而降低或消除轉(zhuǎn)站誤差。
（5）可視化程度高孵熏。無論是在測量現(xiàn)場還是中央控制中心摊桅，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）一次標定多次使用捺氢。只要標定后的發(fā)射站位置不發(fā)生改變盔憨，該測量場即可無限次使用。
　　基于以上優(yōu)點讯沈，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]等人通過研究指出婿奔，iGPS可用于巷道中掘進機及其他掘進設(shè)備的導(dǎo)航以及應(yīng)力狀態(tài)下飛機機身結(jié)構(gòu)的變形測量缺狠；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)除用于機器人的控制和校準以外萍摊，還可以廣泛應(yīng)用于航空挤茄、航天、造船冰木、汽車等大尺寸穷劈、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)組成踊沸，討論了系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)歇终，列舉了iGPS測量系統(tǒng)在飛機柔性裝配中的應(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)射逼龟、信號接收和信號處理（見圖3）评凝。信號發(fā)射部分為激光發(fā)射器，系統(tǒng)工作時秦代，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潦号，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蚯景，傳感器接收來自發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號慨锅，并傳給放大器，接收器對放大信號進行處理并轉(zhuǎn)化成數(shù)字化的角度信息楣索；信號處理部分由中央計算機庐钱、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)傳輸至中央計算機鹅唠，由第三方數(shù)據(jù)處理軟件（如MAYA咽皮、SpatialAnalyzer、Metrolog Ⅱ等）處理為準確的方位信息，并在整個工作區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)中共享痒渊，以便于多個用戶從客戶端讀取被測點的位置信息疮炼，從而實現(xiàn)定位。沈飛公司與天津大學(xué)蝇裤、634所聯(lián)合研制的iGPS測量系統(tǒng)主要由發(fā)射基站廷支、接收器（測量傳感器）、前端處理機栓辜、控制網(wǎng)恋拍、任務(wù)計算機和主控計算機組成。主控計算機位于星形網(wǎng)絡(luò)布局的中心藕甩，負責控制測量任務(wù)及參數(shù)配置施敢、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)狭莱。發(fā)射基站分布于整個測量空間僵娃，其數(shù)量和位置根據(jù)測量空間和測量任務(wù)進行規(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腋妙，測量即可穩(wěn)定進行默怨。前端處理機負責實現(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40m）發(fā)送到任務(wù)計算機骤素，由任務(wù)計算機完成空間坐標的解算并進行三維顯示匙睹。控制網(wǎng)協(xié)助接收器完成精確解算的任務(wù)撑枯，并動態(tài)監(jiān)控顺盆、更新發(fā)射基站參數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動校正和補償呕长。經(jīng)過系統(tǒng)應(yīng)用測試驗證疆逸，車間測量場系統(tǒng)精度能達到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)測量精度悯堂，不同種類接收器的使用也會產(chǎn)生不同的測量精度巢段。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%矗壹，4個發(fā)射器相對于3個發(fā)射器其測量精度可提高30%疯忽，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]。此外几郎，測量系統(tǒng)中全局控制網(wǎng)由多個區(qū)域測量網(wǎng)構(gòu)成交掌，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)實際情況進行分配。例如兑狱，在重點關(guān)注區(qū)域可布置較多的發(fā)射器荧孽，以進一步增強測量結(jié)果的穩(wěn)定性。因此，只有合理布置系統(tǒng)資源躏升，并進行測量網(wǎng)優(yōu)化辩棒，才能實現(xiàn)被測對象的精準定位。
2 系統(tǒng)標定技術(shù)
　　iGPS測量系統(tǒng)中每個發(fā)射器都有自己的測量坐標系膨疏，所測得的角度值（方位角一睁、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佃却，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)進行標定者吁，確定系統(tǒng)參數(shù)，使所有發(fā)射器測得的目標點的角度值在同一個坐標系下饲帅。iGPS系統(tǒng)標定實際上就是通過測量空間目標點复凳，然后對其觀測值進行平差解算，求得各發(fā)射器測量坐標系之間的相對位置和姿態(tài)灶泵。在利用系統(tǒng)標定后的iGPS對空間未知目標點進行測量時染坯，根據(jù)測得的觀測值及發(fā)射器測量坐標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丘逸。因此，系統(tǒng)標定技術(shù)是iGPS測量系統(tǒng)進行空間點坐標測量的前提和關(guān)鍵^[4]肝珍。
3 數(shù)據(jù)處理與分析
　　使用iGPS系統(tǒng)進行測量時跪倘，接收器接收來自不同發(fā)射器發(fā)出的激光模擬信號，為了快速獲得目標點的坐標芍司，要求接收器對各通路數(shù)據(jù)進行實時處理馏旅，提高數(shù)據(jù)處理速度，為實現(xiàn)多任務(wù)抽堵、多目標點的同時測量打下基礎(chǔ)构眶。此外，采用iGPS進行位姿調(diào)整時起忠，需要根據(jù)目標點的測量值與理論值差異來確定調(diào)整量希金。因此，為了實時反饋調(diào)整信息聋芹，必須實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的快速處理和分析爵林。
4 誤差補償技術(shù)
　　iGPS測量系統(tǒng)誤差主要源于儀器誤差、附件誤差沥涕、環(huán)境誤差和方法誤差等^[4]臣环。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：軸系偏擺求泰、光脈沖延時同步央渣、電機轉(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芽丹、接收器光路設(shè)計等方面北启。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志衍，可以根據(jù)實際測量結(jié)果結(jié)合插值等方法進行角度修正暖庄。系統(tǒng)的定向分為內(nèi)參數(shù)標定和現(xiàn)場定向2部分，影響內(nèi)參數(shù)標定質(zhì)量的因素主要有激光器自帶誤差以及轉(zhuǎn)軸標定精度楼肪；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）培廓、發(fā)射站布局、標定點的選取及現(xiàn)場空間的限制春叫、標定算法以及控制點精度等肩钠。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)生較大的影響暂殖，主要影響因素有基線長度岂张、交匯角、約束方向以及發(fā)射站的個數(shù)等粤沥。對于全局測量誤差础估，可以在全局布置幾個目標點，并且用高精度測量設(shè)備對其定位索射，當發(fā)射器工作一段時間后牙德，重復(fù)測量這幾個目標點的坐標，根據(jù)測得的誤差進行全局誤差補償虎铅。只有采用正確的誤差補償方法庭钢，才能提高iGPS測量系統(tǒng)的精度、可靠性和穩(wěn)定性钟骏。
iGPS系統(tǒng)在飛機柔性裝配中的應(yīng)用
1 柔性裝配工裝定位
　　飛機柔性裝配工裝由骨架讽钻、定位件、夾緊件及輔助設(shè)備等組成企鄙，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扎矾。柔性工裝尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜倘谢、定位件多豫尽，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)進行工裝的定位安裝顷帖，從而大大縮短工裝準備時間美旧，提高裝配效率。
2 自動牽引運輸車導(dǎo)航
　　在飛機柔性裝配前贬墩，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榴嗅，都需要大量牽引運輸車進行頻繁的穿梭作業(yè)妄呕。對于固定導(dǎo)軌系統(tǒng)來說，很難實現(xiàn)運輸路徑的改變嗽测。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)航绪励，并且根據(jù)需要進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]唠粥。
3 部件對接
　　尼康公司報道稱疏魏，巴西AeronauticsInstitute of Technology(ITA)和巴西航空工業(yè)公司(Embraer)在小型客機自動化裝配中（見圖4）采用了iGPS系統(tǒng)。其裝配場地面積為300m2晤愧，高10m大莫，測量系統(tǒng)由iGPS、攝影測量和激光雷達組成篇瀑，協(xié)助2臺重型工業(yè)機器人進行機身裝配厨朗。

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(shù)，并已應(yīng)用于從747看剃、F/A18到777等飛機的總裝對接中淀然，解決了對大尺寸構(gòu)件的測量問題。在最新的787客機總裝（見圖5）中秋豌，iGPS技術(shù)應(yīng)用更加成熟悔琉。裝配過程中，測量系統(tǒng)會定位飛機部件劲旗，這些數(shù)據(jù)信息被輸入到系統(tǒng)的應(yīng)用軟件中椎颓，從而解算出飛機各部件（前后機身、左右機翼等）需要移動的距離潭三，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掀塞，使得787機翼機身對接裝配僅用了幾個小時玖项，而不是通常所需的幾天^[6]。

圖5 波音787部件對接

4 工業(yè)機器人自動引導(dǎo)
　　使用iGPS系統(tǒng)對工業(yè)鉆鉚機器人進行實時引導(dǎo)喂很，以提高機翼指定位置處鉆孔及鉚接精度惜颇；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(tài)制造過程中當部件由機械人夾持進行焊接時少辣，也可由iGPS對機器人進行實時跟蹤定位提高焊接精度凌摄；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(tǒng)還可以用于飛機的全機水平測量漓帅，實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制锨亏。操作人員用來檢查飛機成品整體的外形結(jié)構(gòu)、機翼的水平度忙干、重要部件尺寸大小和原始圖紙設(shè)計的相符程度器予，以及飛機試飛前后關(guān)鍵點的變形情況等浪藻，從而達到對飛機成品的質(zhì)量檢測[5]。應(yīng)用iGPS系統(tǒng)完成全機水平測量無需使用專用工裝和場地乾翔，不必調(diào)整飛機處于水平狀態(tài)爱葵，在任何工位和姿態(tài)下均可實現(xiàn)，系統(tǒng)標定后反浓，1~2名操作者30mm內(nèi)即可完成全機水平測量工作萌丈，傳統(tǒng)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級峡哥。
6 其他應(yīng)用
　　F35全機外表面隱身噴涂（見圖6）庭走，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)射器学咸，在工位四周分布有22個可移動iGPS安裝裝置菌秘，通過紅外發(fā)射站照射整個工位對激光投影設(shè)備及機身上的光學(xué)傳感器進行角度交匯定位，每個光傳感器具有360°的視場骤顿，實現(xiàn)對涂層的監(jiān)測控制及奋。

圖6 F35全機噴漆

　　此外，iGPS系統(tǒng)還可以用于機器人刀具中心點位置的實時監(jiān)測海黍。
結(jié)束語
　　iGPS系統(tǒng)具有測量范圍廣婶祥、多任務(wù)測量、無需轉(zhuǎn)站等優(yōu)點闲挚，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域阴迹。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)化年粟、系統(tǒng)標定技術(shù)俭疤、數(shù)據(jù)處理與分析及誤差補償技術(shù)，最后列舉了iGPS系統(tǒng)在飛機柔性裝配過程中的應(yīng)用缔俄，主要用于柔性裝配工裝定位弛秋、自動牽引運輸車導(dǎo)航和部件對接等。

參 考 文 獻
[1] Schwendemann J,Muller T,Krautschneider R.Indoor navigation of machines
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[2] Schmitt R,Nisch S.Performanceevaluation of iGPS for industrial applicatios. 2010International Conference on Indoor Positioningand Indoor Navigation(IPIN),2010.
[3] 吳曉峰,張國雄.室內(nèi)GPS測量系統(tǒng)及其在飛機裝配中的應(yīng)用.航空精密制造技術(shù),2006,42(5):1-5.
[4] 陳登海.基于室內(nèi)GPS的飛機數(shù)字化水平測量技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2010.
[5] 鄒方.未來工廠的數(shù)字化測量世界.航空制造技術(shù),2008(19):26-29.
[6] 于勇,陶劍,范玉青.波音787飛機裝配技術(shù)及其裝配過程.航空制造術(shù),2009(14):44-47.

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