面向先進(jìn)裝備制造業(yè)的室內(nèi)空間測(cè)量定位系統(tǒng)

邾繼貴，郭思陽，史慎東，林嘉睿，楊凌輝，任永杰

(天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0　引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱和基礎(chǔ)[1]，以飛機(jī)、火箭、船舶、衛(wèi)星等為代表的大型先進(jìn)裝備制造業(yè)更是國家工業(yè)水平和科技實(shí)力的集中體現(xiàn)。精密測(cè)量技術(shù)一直以來都是作為制造工藝環(huán)節(jié)的一項(xiàng)關(guān)鍵質(zhì)量控制手段而存在，高性能的大空間精密測(cè)量已經(jīng)成為航空、航天、航海等大型裝備數(shù)字化制造不可或缺的支撐環(huán)節(jié)。

在以大型飛機(jī)、運(yùn)載火箭為典型代表的先進(jìn)航空航天裝備制造業(yè)中，由于產(chǎn)品整體尺寸較大，國內(nèi)外紛紛采取前期分段制造、后期總裝對(duì)接的工藝手段[2]。美國波音公司布置多臺(tái)激光跟蹤儀，進(jìn)行飛機(jī)構(gòu)件的測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)大尺寸工件的裝配與檢測(cè)，保證對(duì)接裝配與位姿調(diào)整的精度[3-4]；在以船舶為代表的造船業(yè)中，日韓等造船強(qiáng)國已經(jīng)搭載全站儀，準(zhǔn)確地分析出所測(cè)量的零件、分段、總段的三維立體數(shù)據(jù)，再對(duì)船體結(jié)構(gòu)實(shí)施模擬搭載，有效壓縮建造周期[6-7]。

現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展向大空間精密測(cè)量提出了新的要求與挑戰(zhàn)[8]：①更大的測(cè)量空間：隨著先進(jìn)裝備制造技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，超大型裝備制造的發(fā)展趨勢(shì)使得精密測(cè)量的研究對(duì)象尺度大幅度擴(kuò)展[9]。近年來國家先后啟動(dòng)了大型飛機(jī)重大科技專項(xiàng)和超大型船舶制造等一系列重大工程，正推動(dòng)著裝備制造業(yè)快速發(fā)展，這些范圍一般在百米以上的大尺寸測(cè)量也在向高精度、精細(xì)化的方向發(fā)展。目前的先進(jìn)制造業(yè)中，精密測(cè)量需要同時(shí)兼顧工程測(cè)量的大尺度與傳統(tǒng)精密測(cè)量的高精度，面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。②更高的測(cè)量效率：隨著航天型號(hào)數(shù)量和產(chǎn)能需求不斷增加，航天裝備制造呈現(xiàn)出研制周期短、任務(wù)多、質(zhì)量與可靠性要求高等特點(diǎn)，現(xiàn)階段持續(xù)高密度發(fā)射的型號(hào)需求與“多研制，少生產(chǎn)”任務(wù)形勢(shì)下建立起來的傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式不相適應(yīng)，其中，低效率的測(cè)量制約著整體生產(chǎn)建設(shè)的速度[10]。同樣，船舶行業(yè)曾是典型的勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)，要提高生產(chǎn)效率，必須推進(jìn)高效率數(shù)字化測(cè)量的新方法[11]。

面對(duì)這些越來越苛刻的測(cè)量需求，傳統(tǒng)單站式測(cè)量系統(tǒng)(例如激光跟蹤儀、全站儀)的局限性逐漸暴露出來。單站式測(cè)量系統(tǒng)量程有限，在大型測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)中無法全部覆蓋被測(cè)產(chǎn)品，比如船舶制造現(xiàn)場(chǎng)等，目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍布置多個(gè)單站式測(cè)量系統(tǒng)，通過外部公共控制點(diǎn)依次將各個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)一至整體坐標(biāo)系，這種串行組網(wǎng)方式測(cè)站之間約束性不強(qiáng)，容易形成誤差累積；另一方面，單站式測(cè)量系統(tǒng)只能實(shí)施單目標(biāo)測(cè)量，大大限制了測(cè)量效率。

相比之下，分布式測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)逐步得到體現(xiàn)。分布式多站測(cè)量系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)以單個(gè)測(cè)站為核心的測(cè)量模式，通過多個(gè)測(cè)量單元構(gòu)建出測(cè)量尺度可拓展的大型測(cè)量網(wǎng)，同時(shí)分布式測(cè)量系統(tǒng)具有可并行測(cè)量等優(yōu)勢(shì)[9，12]。目前，以空間角度交會(huì)測(cè)量原理為基礎(chǔ)的測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于先進(jìn)裝備制造領(lǐng)域，其中以天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的室內(nèi)空間測(cè)量定位系統(tǒng)(wMPS)為典型代表[13]。wMPS受全球定位系統(tǒng)(GPS)理念的啟發(fā)，將旋轉(zhuǎn)激光掃描角度傳感原理與大尺寸空間整體網(wǎng)絡(luò)式測(cè)量理念相結(jié)合，具有亞毫米級(jí)的測(cè)量精度，是一種高精度、高測(cè)量效率的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)[14]，為大型裝備制造業(yè)中的精密測(cè)量提供了全新的思路。

1　傳感機(jī)理

室內(nèi)空間測(cè)量定位系統(tǒng)是基于多站測(cè)量方法而構(gòu)建的一種具有空間分布的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)中多個(gè)發(fā)射基站經(jīng)過高精度標(biāo)定建立大型測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的被測(cè)對(duì)象可以獲取不同測(cè)站的激光信號(hào)，通過融合解析得到具體三維坐標(biāo)。如圖1所示，室內(nèi)空間測(cè)量定位系統(tǒng)主要包括：發(fā)射站、接收器、信號(hào)處理器以及測(cè)量任務(wù)計(jì)算機(jī)[9]。

發(fā)射站結(jié)構(gòu)如圖2所示，由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與固定基座組成，基座內(nèi)部安裝有電機(jī)、碼盤與同步脈沖激光器，兩只線型激光器呈一定角度安裝于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)，兩只激光器隨著轉(zhuǎn)臺(tái)向全周方向發(fā)射激光信號(hào)；同時(shí)，每當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至碼盤初始位置，均會(huì)發(fā)出脈沖信號(hào)并觸發(fā)基座上的同步脈沖激光器，此同步脈沖信號(hào)作為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)單周旋轉(zhuǎn)的時(shí)間起點(diǎn)。接收器內(nèi)部含有光敏元件與信號(hào)處理單元，當(dāng)接收到激光信號(hào)，接收器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)處理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大并傳遞至前端處理器。前端處理器通過內(nèi)部高速FPGA解算接收到的信號(hào)，時(shí)間信息。中心計(jì)算機(jī)處理傳遞過來的時(shí)間信息，計(jì)算各個(gè)接收器的精確坐標(biāo)，完成測(cè)量任務(wù)。

圖1　wMPS設(shè)備構(gòu)成

圖2　發(fā)射站結(jié)構(gòu)圖

并記錄對(duì)應(yīng)的測(cè)量過程中，多個(gè)發(fā)射站被布置在測(cè)量空間中，通過高精度標(biāo)定過程將各個(gè)發(fā)射站坐標(biāo)系統(tǒng)一，構(gòu)建整體測(cè)量網(wǎng)絡(luò)；接收器只需接收任意最少兩個(gè)發(fā)射站的信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)接收器所在位置的坐標(biāo)解算。wMPS的基本傳感機(jī)理包括兩部分：基于光電掃描實(shí)現(xiàn)單發(fā)射站與接收器之間的相對(duì)角度測(cè)量與基于多發(fā)射站之間的角度交會(huì)實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)測(cè)量。

1.1　基于光電掃描的空間角度測(cè)量[9-15]

發(fā)射站需要產(chǎn)生同步光脈沖作為接收器計(jì)時(shí)起點(diǎn)信號(hào)，其使用光電編碼器每周期發(fā)出脈沖信號(hào)作為同步光脈沖的觸發(fā)信號(hào)，發(fā)射站轉(zhuǎn)子與碼盤一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)碼盤經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。

接收器內(nèi)部安裝有光敏元件，測(cè)量時(shí)，接收器被安裝在待測(cè)位置，通過處理器內(nèi)部晶振進(jìn)行計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)原理如圖3所示，當(dāng)掃描光平面處于初始位置時(shí)，發(fā)射站向全周發(fā)射同步光脈沖，接收器接收到同步光脈沖作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中，發(fā)射站掃描光平面依次經(jīng)過接收器光敏單元，第二個(gè)光平面掃過接收器時(shí)刻作為計(jì)時(shí)終點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)缺少光信號(hào)，則跳過此旋轉(zhuǎn)周期。處理器通過同步脈沖信號(hào)與掃描光信號(hào)的時(shí)間間隔準(zhǔn)確地得到對(duì)應(yīng)的掃描角θ。由于掃描光平面均勻掃描經(jīng)過接收器光敏區(qū)，電路中形成一定寬度的脈沖波形，故定義波形中心時(shí)刻作為信號(hào)到達(dá)時(shí)刻。

圖3　接收器計(jì)時(shí)原理

(1)

(2)

(3)

兩個(gè)激光器光軸垂直安裝時(shí)，對(duì)稱位置安裝配重塊以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布，兩個(gè)光平面在空間各個(gè)位置處產(chǎn)生的信號(hào)如圖4所示，根據(jù)發(fā)射站旋轉(zhuǎn)方向與光信號(hào)到達(dá)接收器的先后順序區(qū)分對(duì)應(yīng)的光平面，從而得到正確的光信號(hào)順序。

圖4　發(fā)射站信號(hào)順序判斷示意圖

1.2　基于角度交會(huì)的多站空間坐標(biāo)測(cè)量[15-20]

發(fā)射站坐標(biāo)系定義如圖5(a)所示，旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，方向指向發(fā)射站頂端。X軸為發(fā)射站初始時(shí)刻激光器1光軸所在位置，Y軸符合右手法則。激光器2與激光器1呈90°安裝。

圖5　wMPS 數(shù)學(xué)模型

初始時(shí)刻，發(fā)射站兩個(gè)光平面提前標(biāo)定，光平面方程為

(4)

當(dāng)發(fā)射站的光平面分別掃過接收器，對(duì)應(yīng)的掃描時(shí)間與空間掃描角度θ1與θ2可解算獲得。現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)發(fā)射站之間的相對(duì)位姿關(guān)系提前標(biāo)定，當(dāng)各個(gè)發(fā)射站的光平面均經(jīng)過接收器，如圖5(b)所示，根據(jù)交會(huì)條件，可以構(gòu)建超定方程組，通過最小二乘求解即可求出待測(cè)坐標(biāo)。

(5)

式中：[amn，bmn，cmn，dmn]為發(fā)射站的光平面方程；m(m≥2)為發(fā)射站的編號(hào)；n為發(fā)射站光平面的編號(hào)；R(θmn)T為發(fā)射站的各個(gè)光平面旋轉(zhuǎn)過程中的旋轉(zhuǎn)矩陣；θmn為發(fā)射站的各個(gè)光平面的旋轉(zhuǎn)角度；Rm與Tm為各個(gè)發(fā)射站之間的相對(duì)位姿關(guān)系；C=[x,y,z]為在發(fā)射站全局坐標(biāo)系下的待測(cè)坐標(biāo)。

2　關(guān)鍵技術(shù)

室內(nèi)空間測(cè)量定位系統(tǒng)在不斷的發(fā)展與完善，衍生出一些關(guān)鍵技術(shù)，旨在提高測(cè)量精度與使用效率，優(yōu)化整體性能，其中包括硬件性能的提升、算法的優(yōu)化與改進(jìn)等。

2.1　發(fā)射站性能優(yōu)化[16]

發(fā)射站的轉(zhuǎn)子上安裝有激光器，因此需要對(duì)發(fā)射站的轉(zhuǎn)子進(jìn)行供電，然而常規(guī)的供電方式容易造成摩擦、機(jī)構(gòu)磨損等情況，因此發(fā)射站采取非接觸耦合感應(yīng)供電技術(shù)，免(低)維護(hù)，增加系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)通過仿真方法獲得水平角誤差、垂直角誤差、扇面參數(shù)與旋轉(zhuǎn)速度，優(yōu)化選擇發(fā)射站結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括光平面傾角、夾角等。

發(fā)射站轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度制約著最終坐標(biāo)測(cè)量精度，因此發(fā)射站采用無刷直流電機(jī)作為測(cè)站的驅(qū)動(dòng)裝置，克服了電刷和換向器的磨損問題，即使在很高的轉(zhuǎn)速下仍可保證高可靠性、高效率及低電磁干擾，具有更好的長期穩(wěn)定性；同時(shí)采用光電編碼器作為電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋單元，通過伺服控制系統(tǒng)的架構(gòu)及相應(yīng)PID控制算法來保證測(cè)量精度。電機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)射站轉(zhuǎn)子進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，取消了原發(fā)射站聯(lián)軸器裝置，減少了誤差傳遞環(huán)節(jié)，從而提高了轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，使發(fā)射站測(cè)角準(zhǔn)確度得到了較大的提升。

2.2　發(fā)射站結(jié)構(gòu)參數(shù)(內(nèi)參)標(biāo)定[17]

當(dāng)發(fā)射站安裝調(diào)試之后，激光器光平面與轉(zhuǎn)軸之間的關(guān)系保持不變，需要通過輔助手段標(biāo)定發(fā)射站的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即兩個(gè)光平面與自身坐標(biāo)系的關(guān)系；目前，外部需要構(gòu)建高精度的坐標(biāo)控制場(chǎng)，結(jié)合非線性最小二乘優(yōu)化方法，進(jìn)行發(fā)射站結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定，如圖6所示。

圖6　基于高精度控制場(chǎng)的發(fā)射站結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定

首先，利用激光跟蹤系統(tǒng)建立一個(gè)基于冗余長度約束的精度控制場(chǎng)，即將單臺(tái)激光跟蹤儀放置多個(gè)站位，基于各個(gè)站位下的高精度長度約束優(yōu)化跟蹤儀測(cè)角誤差，以此建立高精度三維坐標(biāo)控制場(chǎng)[18]。基于此坐標(biāo)控制場(chǎng)，使用發(fā)射站分別掃描控制場(chǎng)內(nèi)各個(gè)點(diǎn)，建立光平面約束方程，同時(shí)結(jié)合旋轉(zhuǎn)矩陣正交約束條件，通過非線性最小二乘優(yōu)化求解發(fā)射站的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.3　多發(fā)射站組網(wǎng)標(biāo)定[12]

wMPS測(cè)量前需要對(duì)所有發(fā)射站進(jìn)行組網(wǎng)定向，組網(wǎng)定向普遍通過基準(zhǔn)量(例如基準(zhǔn)坐標(biāo)或基準(zhǔn)長度)，獲得多個(gè)發(fā)射站坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。典型方法有基于基準(zhǔn)尺的組網(wǎng)定向，如圖7所示，通過基準(zhǔn)尺進(jìn)行組網(wǎng)消除定向過程中控制點(diǎn)坐標(biāo)已知的條件，更加方便靈活。

圖7　基于基準(zhǔn)尺的系統(tǒng)組網(wǎng)標(biāo)定

基準(zhǔn)尺由熱膨脹系數(shù)較低的材料制作而成，例如碳纖維等，基準(zhǔn)尺兩端均安裝有接收器。因?yàn)榻邮掌鞒叽缗c激光跟蹤儀標(biāo)準(zhǔn)球尺寸一致，可以使用激光跟蹤儀標(biāo)定出基準(zhǔn)尺兩端接收器的光學(xué)中心之間距離，為后續(xù)的全局定向提供準(zhǔn)確的長度約束基準(zhǔn)。定向時(shí)，基準(zhǔn)尺擺放若干位置，在每個(gè)位置處基準(zhǔn)尺兩端接收器接收全部發(fā)射站發(fā)出的光信號(hào)，各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)未知，根據(jù)基準(zhǔn)尺距離約束建立約束方程，通過非線性最小二乘算法即可求解全局定向參數(shù)。

2.4　測(cè)量系統(tǒng)布局優(yōu)化[19-20]

作為分布式測(cè)量系統(tǒng)，多個(gè)發(fā)射站之間的空間構(gòu)型(包括布站區(qū)域、測(cè)量區(qū)域等)影響著整體測(cè)量精度，在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)需要盡量以最優(yōu)的構(gòu)型方式進(jìn)行發(fā)射站布置，以最大程度減小因空間構(gòu)型引起的測(cè)量誤差。

幾何精度衰減因子(GDOP)是評(píng)價(jià)wMPS空間構(gòu)型質(zhì)量的一種有效指標(biāo),是衡量定位精度的一個(gè)無量綱系數(shù)，它指發(fā)射站的測(cè)角誤差引起的發(fā)射站與接收器之間的距離矢量放大因子，其與接收器相對(duì)發(fā)射站的幾何構(gòu)型有關(guān)。發(fā)射站與接收器之間的幾何分布程度越好，定位精度越高，GDOP越小。GDOP受發(fā)射站的數(shù)目與其網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)有關(guān)，相同布局下，發(fā)射站數(shù)目增多，GDOP值越小，定位精度越高；當(dāng)發(fā)射站的數(shù)目相同，不同的網(wǎng)絡(luò)布局結(jié)構(gòu)同樣制約著GDOP與定位精度，如圖8所示。

在布局優(yōu)化方案中，針對(duì)發(fā)射站覆蓋能力、GDOP與發(fā)射站成本等指標(biāo)建立評(píng)價(jià)函數(shù)，通過最優(yōu)化算法計(jì)算測(cè)量系統(tǒng)的最優(yōu)布局，以此指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射站的布置情況[21]。

圖8　不同網(wǎng)絡(luò)布局與GDOP的關(guān)系

2.5　單站式三維坐標(biāo)測(cè)量[2]

在環(huán)境復(fù)雜的測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)中，通常工件體積巨大、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量空間不足，同時(shí)各部件互相遮擋，很難具備理想的通視條件。針對(duì)上述問題，一種無需布局的單站式測(cè)量解決方案應(yīng)運(yùn)而生。

具體方案如圖9所示，此方法通過多接收器靶標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，多接收器靶標(biāo)上設(shè)定有一定數(shù)量的接收器(不少于六個(gè))及一個(gè)接觸式測(cè)頭，各個(gè)接收器位置以及接觸式測(cè)頭通過激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)或者影像測(cè)量儀提前標(biāo)定。測(cè)量時(shí)，發(fā)射站固定于空間某處，測(cè)量靶標(biāo)上的接收器接收激光信號(hào)，建立光平面約束方程。當(dāng)測(cè)量靶上擁有足夠數(shù)量的靶標(biāo)，結(jié)合已標(biāo)定的相互坐標(biāo)關(guān)系，可建立超定方程組，通過空間后方交會(huì)方法求解靶標(biāo)坐標(biāo)系與發(fā)射站坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系，并最終得到靶標(biāo)測(cè)頭坐標(biāo)。

圖9　基于后方交會(huì)原理的單站坐標(biāo)測(cè)量方法

2.6　測(cè)量系統(tǒng)補(bǔ)償與修復(fù)[22]

測(cè)量過程中，穩(wěn)定的系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)是精確測(cè)量的重要基礎(chǔ)，保證了多個(gè)基站準(zhǔn)確處于一個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系下。然而在復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，分布式的特性使得wMPS 更容易受到外界振動(dòng)的干擾。針對(duì)此問題，通過恒定不變的基準(zhǔn)量對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與補(bǔ)償是比較有效的方式，例如以空間中基準(zhǔn)參考點(diǎn)或者慣性元件作為基準(zhǔn)等等。

圖10為基于傾角傳感器的單站自我補(bǔ)償方案。根據(jù)發(fā)射站的測(cè)量模型，雙軸傾角傳感器與轉(zhuǎn)軸剛性連接，并固定在正下方，通過外界水平參考坐標(biāo)系與高精度的機(jī)械調(diào)整標(biāo)定傾角傳感坐標(biāo)系與發(fā)射站坐標(biāo)系的相對(duì)位姿。傾角傳感器實(shí)時(shí)感知重力方向，當(dāng)發(fā)射站姿態(tài)發(fā)生變化，傾角傳感器姿態(tài)同時(shí)發(fā)生改變，傾角傳感器示數(shù)改變。發(fā)射站姿態(tài)改變程度可以通過傾角傳感器示數(shù)變化范圍來判斷。當(dāng)姿態(tài)改變程度較大，

圖10　基于傾角傳感的發(fā)射站姿態(tài)補(bǔ)償方法

即說明發(fā)射站需要重新標(biāo)定，當(dāng)姿態(tài)改變程度較小，可通過傾角傳感器的示數(shù)變化進(jìn)行位姿補(bǔ)償。

2.7　動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償

wMPS測(cè)量原理為基于旋轉(zhuǎn)激光掃描的空間角度交會(huì)測(cè)量，一般要求接收器處于靜止?fàn)顟B(tài)。若在AGV(Automated Guided Vehicle)導(dǎo)航或航天GNC(Guidance，Navigation and Control)仿真實(shí)驗(yàn)等場(chǎng)合，待測(cè)物體一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，會(huì)不可避免地引入動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差，影響wMPS的測(cè)量精度。

wMPS動(dòng)態(tài)誤差形成機(jī)理如圖11所示：以雙發(fā)射站為例，接收器的空間坐標(biāo)解算需要依次接收發(fā)射站1和發(fā)射站2的同步光信號(hào)、掃描光信號(hào)。若接收器靜止，雖然六個(gè)光信號(hào)到達(dá)接收器的時(shí)刻不同，但接收器始終位于同一空間位置。若接收器處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在t1，t2，t3，t4，t5和t6時(shí)刻接收到六個(gè)光信號(hào)，其空間位置發(fā)生了變化，在t6時(shí)刻直接采用角度交會(huì)的解算方法求取坐標(biāo)將產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差。因此，不同發(fā)射站之間的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)以及不同激光信號(hào)之間的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)是解決動(dòng)態(tài)測(cè)量的關(guān)鍵。

圖11　動(dòng)態(tài)誤差形成機(jī)理

針對(duì)此問題，基于發(fā)射站同步的動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償方法被提出[12]?；诎l(fā)射站同步的動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償通過插值方法實(shí)現(xiàn)同步并解算發(fā)射站坐標(biāo)。首先，根據(jù)測(cè)量需求設(shè)置一系列的測(cè)量時(shí)間節(jié)點(diǎn)；其次，不同發(fā)射站的光信號(hào)通過插值方法回溯或者預(yù)測(cè)到同一節(jié)點(diǎn)時(shí)刻；最后，根據(jù)角度交會(huì)原理解得接收器在某一節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。

3　工業(yè)應(yīng)用

wMPS作為多站分布式測(cè)量系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)量范圍等要求動(dòng)態(tài)組建整體測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)具有多種測(cè)量手段(包括球形接收器、單站測(cè)量靶標(biāo)等)，滿足各種測(cè)量任務(wù)需求，已經(jīng)成為大尺寸空間內(nèi)精密測(cè)量的有效手段。目前其已在航天、航空(包括飛機(jī)自動(dòng)裝配[23]、飛機(jī)水平測(cè)量[24]、AGV自主導(dǎo)航[25]等)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

3.1　大尺寸裝配測(cè)量

wMPS已在飛機(jī)裝配測(cè)量與船體分段檢測(cè)中應(yīng)用。圖12(a)為wMPS應(yīng)用于飛機(jī)裝配測(cè)量[23]，測(cè)量前首先根據(jù)裝備的尺寸、待測(cè)區(qū)域布局以及待測(cè)特征等信息，合理優(yōu)化發(fā)射站基站布置結(jié)構(gòu)，然后通過基準(zhǔn)尺等方式進(jìn)行整體系統(tǒng)平差定向，確定各個(gè)發(fā)射站與整體坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系，最后在待測(cè)位置布置相關(guān)測(cè)量工具，進(jìn)行六自由度實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，同時(shí)將測(cè)量值與理論值進(jìn)行比較，調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)，完成最終裝配。圖12(b)為wMPS應(yīng)用于船體分段檢測(cè)，首先在現(xiàn)場(chǎng)布置若干發(fā)射站，保證發(fā)射站的測(cè)量區(qū)域完全覆蓋待測(cè)物體，通過基準(zhǔn)尺標(biāo)定方式統(tǒng)一各個(gè)發(fā)射站的坐標(biāo)系，通過測(cè)量球或者測(cè)量靶標(biāo)的方式對(duì)船體分段進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)的尺寸測(cè)量，以保證分段的尺寸精度。

在大尺寸裝配測(cè)量中，wMPS 克服了激光跟蹤儀需要頻繁轉(zhuǎn)站、無法多任務(wù)測(cè)量的局限性，可大幅度提升大型裝備制造業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的質(zhì)量與效率。

圖12　wMPS應(yīng)用場(chǎng)景

3.2　航天器交會(huì)對(duì)接

如圖13所示，在航天GNC地面仿真實(shí)驗(yàn)中，需要同時(shí)測(cè)量追蹤航天器與目標(biāo)航天器的六自由度信息，根據(jù)兩個(gè)航天器的相對(duì)位置對(duì)追蹤器施加控制指令，直至實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。交會(huì)對(duì)接過程中，航天器運(yùn)動(dòng)范圍大，運(yùn)動(dòng)峰值速度高，需要全程實(shí)時(shí)不間斷測(cè)量二者的六自由度信息。為避免發(fā)射站光信號(hào)的遮擋問題，將倒裝式發(fā)射站安裝在屋頂?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)上，設(shè)備向下發(fā)出光信號(hào)，避免了其他設(shè)備和空間中障礙物的遮擋，降低了對(duì)航天器運(yùn)動(dòng)自由度的限制，航天器頂部的接收器水平放置并接收光信號(hào)，通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)航天器的跟蹤測(cè)量。

圖13　航天GNC仿真實(shí)驗(yàn)

4　總結(jié)

wMPS是一種多站立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多角度觀測(cè)融合、可并行多任務(wù)的大空間整體測(cè)量定位系統(tǒng)，其以光電掃描空間角度測(cè)量原理與空間角度交會(huì)坐標(biāo)測(cè)量原理為基礎(chǔ)，發(fā)展過程中不斷優(yōu)化系統(tǒng)硬件性能，改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定算法與組網(wǎng)定向算法，以布局優(yōu)化策略為指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的靜態(tài)測(cè)量方案；與此同時(shí)，單站式三維坐標(biāo)測(cè)量靶被研制以擴(kuò)展應(yīng)用范圍，基于重力基準(zhǔn)的補(bǔ)償算法與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法被開發(fā)以增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

綜上所述，室內(nèi)空間測(cè)量定位系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)精密測(cè)量中低效低精度的測(cè)量模式，避免了單站式測(cè)量系統(tǒng)中有限的測(cè)量量程，在保證測(cè)量精度的前提下大大提高了工作效率，有效協(xié)調(diào)了測(cè)量范圍和精度的矛盾，同時(shí)，多種方案與優(yōu)化算法的提出增強(qiáng)了系統(tǒng)使用的靈活性與可靠性，使得系統(tǒng)在大型裝備制造業(yè)中具有更加突出的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分可觀。