高金剛，劉智勇，張 爽，王 華，安峻嘯

(長春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012)

基于i-GPS系統(tǒng)的大尺寸工件組合式測(cè)量的研究

高金剛，劉智勇，張 爽，王 華，安峻嘯

(長春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012)

為了提高測(cè)量精度，提出基于i-GPS系統(tǒng)的大尺寸工件組合式測(cè)量。首先對(duì)其測(cè)量精度、系統(tǒng)組成、原理等進(jìn)行說明；其次從應(yīng)用、數(shù)據(jù)整合方法、誤差分析等方面進(jìn)行闡述總結(jié)；最后結(jié)合其原理應(yīng)用到軌道客車的在線檢測(cè)上，并給出其測(cè)量過程。i-GPS的提出與應(yīng)用，有效解決了飛機(jī)外形、大型船身、汽車車體等大尺寸工件的精密測(cè)量問題。

i-GPS；大尺寸測(cè)量；工業(yè)測(cè)量；定位原理

0 引言

20世紀(jì)90年代，美國多家公司在GPS的啟發(fā)下，利用并結(jié)合其空間三維測(cè)角原理進(jìn)行了探索實(shí)驗(yàn)。其中，美國Arcsecond公司率先開發(fā)出一種高精度、高可靠性、高效率的i-GPS測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)較先前的電子經(jīng)緯儀、測(cè)量輔助系統(tǒng)等系統(tǒng)而言，成本更低、精度更高、使用更便捷、效率更高。該系統(tǒng)由發(fā)射器、接收器、傳感器、放大器、調(diào)制解調(diào)器、位置處理軟件等6部分構(gòu)成。其中，用紅外激光脈沖發(fā)射器代替衛(wèi)星，通過角度、時(shí)間參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行位置信息確定以及相關(guān)計(jì)算。利用該系統(tǒng)，可以用于檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)汽車車體底架的心盤下平面與旁承下平面的平面度與距離是否超過所規(guī)定的要求。[1]同時(shí)，該系統(tǒng)在飛機(jī)柔性化裝配過程中，通過定位大量的飛機(jī)零部件來完成飛機(jī)裝配過程中的制造精度與互換協(xié)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的高效在線檢測(cè)。[2]該系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用對(duì)大尺寸工件的精密測(cè)量提供了一種創(chuàng)新的方案，有效解決了過去像飛機(jī)外形、大型船身、汽車車體等大尺寸工件的精密測(cè)量問題。[3]

1 i-GPS測(cè)量系統(tǒng)目前技術(shù)指標(biāo)與組成及工作原理

1.1 目前i-GPS所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量范圍2～80 m；激光波長(紅外線波長)785 nm；單次測(cè)量角精度<20s″;覆蓋空間：水平290°，垂直3°；空間測(cè)量精度：在10 m工作區(qū)域內(nèi)，測(cè)量精度可以達(dá)到0.12 mm，在39 m工作區(qū)域內(nèi)，測(cè)量精度可以達(dá)到0.25 mm。[4]

1.2 i-GPS系統(tǒng)組成及工作原理

1.2.1 紅外激光脈沖發(fā)射器

i-GPS利用紅外激光發(fā)射器代替衛(wèi)星發(fā)射出激光。紅外激光脈沖發(fā)射器工作的時(shí)候能夠同時(shí)發(fā)射出三束激光，產(chǎn)生3種信號(hào)，兩束扇形光束和一束選通光束。這些光信號(hào)能夠利用光電檢測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，進(jìn)而通過放大器處理轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得出相關(guān)位姿信息數(shù)據(jù)。其原理如圖1所示。

1.2.2 傳感器

傳感器是用來接收激光模擬信號(hào)的，其具體數(shù)量可根據(jù)實(shí)驗(yàn)精度需要而定，形狀可以根據(jù)用途及相關(guān)要求來確定，通常有以下幾類：

1)圓柱形傳感器。這是一種水平方向能夠達(dá)到360°、垂直方向可達(dá)到±60°的全方向傳感器，具有目前最大的自由度，同時(shí)配備多個(gè)接線口。

2)平面形傳感器。這是一種類似于“餅式”的傳感器，可以暫時(shí)或永久性安裝，水平垂直轉(zhuǎn)向可達(dá)到±60°。

3)手持式測(cè)量探頭。這種傳感器具有可自由活動(dòng)的探頭，可隱藏在發(fā)射器激光中，用相應(yīng)的測(cè)量桿可以有效繞開阻礙，避免小范圍內(nèi)光線被遮擋的情況。[5]

1.2.3 接收器

接收器被封存在集線盒電路中，可以與多個(gè)傳感器連接使用，同時(shí)，接收器電路中含有放大器和處理器，負(fù)責(zé)將接收到的激光模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而通過處理器進(jìn)行解碼，而后經(jīng)相關(guān)位置軟件計(jì)算得出位置信息。并具有對(duì)最終位姿數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)共享的優(yōu)點(diǎn)。[5]

圖1 i-GPS系統(tǒng)工作組成及原理分析圖

1.2.4 數(shù)據(jù)處理軟件

可以使用系統(tǒng)自帶的軟件或第三方軟件(如MAYA、MetrologⅡ、Spatial Analyzer、Matlab等)，將相關(guān)角度參數(shù)、時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)化為未知點(diǎn)的位姿信息。[5]

基于以上，我們可以看出i-GPS具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)測(cè)量精度高。i-GPS空間測(cè)量精度根據(jù)所測(cè)量的大尺寸工件范圍而定。在10 m工作區(qū)域內(nèi)，測(cè)量精度可以達(dá)到0.12 mm；在39 m工作區(qū)域內(nèi)，測(cè)量精度可以達(dá)到0.25 mm。在增加發(fā)射器、接收器的情況下可以達(dá)到更高的精度要求。

2)測(cè)量范圍廣。i-GPS在增加發(fā)射器數(shù)目的前提下可以擴(kuò)大測(cè)量范圍，且不降低測(cè)量精度，有效工作范圍為2～300 m。

3)多用戶測(cè)量。i-GPS在其工作區(qū)域內(nèi)是一個(gè)共享的資源場(chǎng)，各個(gè)接收器之間獨(dú)立工作，互不影響。理論上只要增加發(fā)射器與接收器數(shù)量就可以增加用戶數(shù)量，實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)進(jìn)行操作控制。

4)抗干擾性強(qiáng)。i-GPS可以自由增加發(fā)射器數(shù)目，各個(gè)發(fā)射器之間相互獨(dú)立、互不影響，一個(gè)接收器應(yīng)至少接收到3個(gè)光信號(hào)才能保證其精度要求。多個(gè)發(fā)射器的使用可以有效解決被干擾的影響。

5)一標(biāo)多用。i-GPS在完成第一次標(biāo)定后，在不改變各個(gè)發(fā)射器位置的前提下，可以達(dá)到無限次使用的要求。

6)可視化高。i-GPS能夠通過無線傳輸方式實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，工作人員可以通過電腦屏幕實(shí)時(shí)看到各觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。[3]

1.3 測(cè)角原理及位置確定

i-GPS通過三角測(cè)量原理自動(dòng)建立三維坐標(biāo)體系，利用工業(yè)測(cè)量中常用的前方交會(huì)法進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)位置的確定。

1.3.1 垂直角測(cè)量

發(fā)射器發(fā)出兩束不同光(包含3束光，含3種信號(hào)——兩束扇形光束和一束選通光束)用來測(cè)量垂直角與水平角，其中發(fā)射器與垂直面間有固定夾角，兩束扇形光束間也具有夾角。通過各激光信號(hào)到達(dá)接收器的時(shí)間差來確定垂直角的角度關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)發(fā)射器頭旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行計(jì)算。須注意到每個(gè)扇形光束間有夾角，在不同高度所得到的數(shù)據(jù)是不一樣的，實(shí)驗(yàn)前要標(biāo)定好，如圖2所示。[6]

圖2 i-GPS系統(tǒng)垂直角測(cè)量示意圖

1.3.2 水平角測(cè)量

水平角測(cè)量相對(duì)垂直角要簡單些，同樣通過扇形光束和選通光束間夾角以及選通光束與激光脈沖間的時(shí)間差來確認(rèn)水平角的大小，如圖3所示。

圖3 i-GPS系統(tǒng)水平角測(cè)量示意圖

1.3.3 建立三維坐標(biāo)體系

i-GPS系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)以第一個(gè)發(fā)射器位置坐標(biāo)記為坐標(biāo)原點(diǎn)，其中z軸與發(fā)射器頭的旋轉(zhuǎn)軸重合，x軸方向?yàn)榈谝粋€(gè)發(fā)射器激光到接收器方向，y軸可通過與x軸用右手定則確認(rèn)。建立了統(tǒng)一的世界坐標(biāo)系后，可以通過數(shù)據(jù)整合原理將不在同一個(gè)世界坐標(biāo)系下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合到一個(gè)更大的統(tǒng)一的世界坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。[6]

2 基于i-GPS檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 航空航天工業(yè)

i-GPS可以對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的大尺寸工件進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、實(shí)時(shí)跟蹤、實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并計(jì)算出各工件的位姿信息。因?yàn)閕-GPS具有高精度、高可靠性、高效率等性能，在測(cè)量過程中無需多次設(shè)站、搬站，可以多用戶操作，在進(jìn)行飛機(jī)裝配上應(yīng)用尤為突出。

2.2 工業(yè)計(jì)量

i-GPS系統(tǒng)是一種高效的測(cè)量系統(tǒng)，它具有較大范圍的測(cè)量空間。它易于操作、多用戶、精度高，易與其他設(shè)備配合使用，控制設(shè)備和儀器裝配。

2.3 汽車制造業(yè)

本文將重點(diǎn)論述基于i-GPS的大尺寸工件組合式測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合多目立體機(jī)器視覺相關(guān)原理和軟件及應(yīng)用空間前方角度交匯原理，測(cè)量出大尺寸工件的空間實(shí)時(shí)位姿信息。對(duì)于我國而言，汽車制造業(yè)，尤其是在軌道客車的制造上，如何實(shí)現(xiàn)高效實(shí)時(shí)檢測(cè)是一個(gè)技術(shù)難題。本文從理論角度分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作，提出基于i-GPS的組合式測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過系列算法，將獨(dú)立的CCD局部坐標(biāo)與i-GPS坐標(biāo)拼合到統(tǒng)一的世界坐標(biāo)系，以便實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，掌握各工件間的位姿信息，給軌道客車裝配帶來高效、高精度的作用。[5]

3 i-GPS定位原理分析與數(shù)據(jù)整合分析

參照GPS定位原理，i-GPS的測(cè)量定位原理跟GPS類似，首先要通過對(duì)水平角與垂直角的測(cè)量，確定兩者之間的角度關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)兩個(gè)角之間的關(guān)系可以確定一條射線，其中，由紅外激光發(fā)射器發(fā)出的激光射線會(huì)通過該被測(cè)點(diǎn)。如圖4所示，其中θa為所測(cè)的水平角，θe為所測(cè)的垂直角，至少需要兩臺(tái)激光發(fā)射器發(fā)出射線相交于被測(cè)點(diǎn)，發(fā)射器數(shù)量可視測(cè)量精度要求而定，數(shù)量越多，精度越高?？赏ㄟ^建立如下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解角度關(guān)系，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)得出被測(cè)點(diǎn)的位姿信息。根據(jù)數(shù)學(xué)中平面上任意一向量與其平面法向量之間點(diǎn)積為0，可以獲得式(1)：[6]

圖4 i-GPS定位原理示意圖與數(shù)據(jù)整合分析圖

(1)

(2)

圖5 紅外發(fā)射器的扇面結(jié)構(gòu)

通過以上數(shù)學(xué)模型之間數(shù)據(jù)的整合，可以令所得數(shù)據(jù)歸結(jié)至同一個(gè)大世界坐標(biāo)系下。以下講述基于i-GPS測(cè)量系統(tǒng)在大型客車車身關(guān)鍵尺寸檢測(cè)中的具體應(yīng)用。

基于i-GPS測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)在測(cè)量大型客車車身關(guān)鍵尺寸檢測(cè)中使用網(wǎng)格式空間布局，如圖6所示，使每一個(gè)待測(cè)點(diǎn)都能夠接收到來自4個(gè)紅外激光發(fā)射器所發(fā)射出的激光信號(hào)。

圖6 i-GPS測(cè)量系統(tǒng)空間網(wǎng)絡(luò)式布局

對(duì)于軌道客車底座中車體長度、寬度、高度、對(duì)角線長度、深度、枕梁孔寬度、對(duì)角線長度的測(cè)量，如圖7～9測(cè)量原理示意圖所示，通過在待測(cè)點(diǎn)位置固定接收器，接收來自紅外激光發(fā)射器的脈沖激光信號(hào)，將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相關(guān)位置信息，并整合到同一世界坐標(biāo)系，實(shí)時(shí)測(cè)得空間待測(cè)點(diǎn)之間的距離。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析

對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析，我們可以從系統(tǒng)組成元件、環(huán)境誤差上著手分析。

圖7 車底寬度、長度、對(duì)角線長度測(cè)量原理示意圖

圖8 枕梁孔寬度、對(duì)角線、長度測(cè)量原理示意圖

圖9 車身主梁、門口對(duì)角線測(cè)量原理示意圖

4.1 發(fā)射器誤差來源分析

因?yàn)樯刃喂馐鴷?huì)隨著溫度的變化而發(fā)生偏差，所以，發(fā)射器頂部的扇形光束在發(fā)射過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，誤差值為0.25 μs，這將會(huì)對(duì)水平角的測(cè)量精度要求有所影響。同時(shí)因?yàn)榘l(fā)射器頭矯正后不固定，會(huì)造成輕微的搖動(dòng)、震蕩、傾斜，進(jìn)而影響到對(duì)垂直角的精度要求。還有就是光束傳播過程中造成的形狀偏移也會(huì)影響到水平角的測(cè)量精度。發(fā)射器軸承造成轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生偏差，不確定度為5 μs。[5]

4.2 接收器造成的誤差

接收器表面角度問題所造成的線性誤差，對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的1 cm圓柱形接收器，其所造成的線性誤差不確定度為30 μm。[4]

4.3 放大器誤差

放大器在將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的過程中，可能會(huì)造成脈沖信號(hào)變相，進(jìn)而造成測(cè)量誤差。誤差大小與接收器與放大器之間的距離有關(guān)，兩者之間距離越近，所造成的誤差就越大，數(shù)字信號(hào)間轉(zhuǎn)換所造成的不確定度為0.82 μs。[5]

4.4 裝置誤差

裝置擺放位置也會(huì)造成輕微誤差，但可以通過適當(dāng)改變測(cè)量順序來減少誤差。所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際情況相比較所造成的誤差，分為30 μm線性誤差和0.8 μs角度誤差。[4]

4.5 環(huán)境誤差

紅外線在傳播過程中會(huì)因?yàn)殛柟飧蓴_而影響其特定的傳播形狀，當(dāng)室外距離拉大，所造成的誤差也會(huì)隨之增大，要盡量避免因溫度所造成的二次誤差。[5]

4.6 用戶使用誤差

通常一個(gè)接收器需要接收到來自3～4個(gè)發(fā)射器所發(fā)出的紅外激光信號(hào)，用戶在使用過程中使用3～4個(gè)發(fā)射器精度會(huì)提高5%左右，使用4～5個(gè)發(fā)射器精度會(huì)提高10%～15%。不宜使用太多發(fā)射器，一般以4個(gè)發(fā)射器為最佳方案。[5]

5 結(jié)語

基于i-GPS系統(tǒng)的大尺寸工件組合式測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于提高軌道客車和汽車及零部件制造企業(yè)的在線檢測(cè)技術(shù)具有深遠(yuǎn)意義，該系統(tǒng)一改以往軌道客車及汽車制造業(yè)在線檢測(cè)技術(shù)落后、誤差大、效率低等缺點(diǎn)，使用i-GPS這一先進(jìn)技術(shù)，使得在線檢測(cè)精度更高、效率更高。目前可以使所測(cè)得的結(jié)果精度達(dá)到0.25 mm，更高精度要求可以根據(jù)用戶設(shè)備數(shù)量確定，可以達(dá)到0.12 mm水平。該技術(shù)若是投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，可以有效解決我國當(dāng)前在線檢測(cè)存在的一些誤差大、效率低、可靠性差、成本高等問題，可以大幅度提高產(chǎn)品在線檢測(cè)速度、精度、質(zhì)量。

[1] 卿兆波，王曉林，于華北.敞車車體大尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31(8):163.

[2] 王巍，高雪松，俞鴻均，等.基于關(guān)鍵測(cè)量特性的飛機(jī)裝配工裝在線檢測(cè)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2016，38(5):107.

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The Study on Combined Measurement of Large Size Workpiece Based on i-GPS System

GAO Jin-gang，et al.

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

In order to improve the measurement precision，the combined measurement of large size workpiece based on i-GPS system is put forward in this article.First of all，its measurement accuracy，system composition，the principle and so on are explained.Secondly，the application，data integration methods，error analysis and other aspects are summarized.Finally，the principle is applied to the online detection of rail passenger cars，and the measurement process is also given creatively.The put forward and application of i-GPS are the effective solutions to the problems on large-scale accurate measurement such as a precision measurement of aircraft shape，large hull，automobile body and so on.At the same time，it has provide the feasible reference for future research on large size work pieces on line detection.

i-GPS；large-scale measurement；industrial measurement；positioning principle

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.005

2016-06-08

吉林省發(fā)改委產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)(2015y74)

高金剛(1976-)，男(漢)，四川巴中，副教授，碩士 主要研究機(jī)器視覺和機(jī)電控制。

TH460

A

1009-8984(2016)04-0016-05