iGPS测量系统实现关键技术及应用

2012-12-11 16:21:20来源: 21IC
20世纪70年代,美国陆、海、空三军联合研制出GPS(GlobalPositioning System)全球定位系统(见图1),主要为陆、海、空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。经过几十年的发展,GPS系统不仅仅只用于军事用途,现在已经逐渐深入到人们的日常生活当中,被视为全世界通用的定位系统。GPS系统的优势不仅在于它的先进技术,更在于它的系统理念。

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图1 美国GPS全球定位系统

20世纪90年代,在GPS测量原理的启发下,美国Arcsecond公司率先开发出了一种具有高精度、高可靠性和高效率的室内GPS(indoorGPS,iGPS)系统(见图2),主要用于解决大尺寸室内空间测量与定位问题。iGPS对大尺寸的精密测量提供了一种全新的方法,解决了飞机外形、大型船身等大尺寸对象的精密测量问题。iGPS与GPS一样,利用三角测量原理建立三维坐标体系从而实现定位,不同的是iGPS采用红外激光代替了卫星(微波)信号。iGPS是利用室内的激光发射装置(基站)不停地向外发射单向的带有位置信息的红外激光,接收器接受到信号后,从中得到发射器与接受器间的2个角度值(类似于经纬仪的水平角和垂直角),在已知基站的位置和方位信息后,只要有2个以上的基站就可以通过角度交会的方法计算出接收器的三维坐标。

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图2 大尺寸IGPS测量系统

iGPS测量系统具有以下优点:

(1)多用户测量。iGPS测量场是1个共享的资源场,位于测量场中的接收器独立工作,互不影响,像GPS系统一样,只需增加传感器和接收器的数量就可以增加用户。

(2)测量范围广。在iGPS测量网中,通过增加发射站可实现量程扩展,且不损失测量精度,其工作范围为2~300m。

(3)抗干扰性好。测量过程允许断光,且不影响测量精度。

(4)无需转站测量。可以通过增加发射器或对其进行部局重构,实现对系统内全部测量点的测量,从而降低或消除转站误差。

(5)可视化程度高。无论是在测量现场还是中央控制中心,操作人员都可以通过PDA或计算机屏幕实时看到被测点的三维坐标。

(6)一次标定多次使用。只要标定后的发射站位置不发生改变,该测量场即可无限次使用。

基于以上优点,近几年来国内外业界深入研究了iGPS测量系统,J.Schwendemann[1]等人通过研究指出,iGPS可用于巷道中掘进机及其他掘进设备的导航以及应力状态下飞机机身结构的变形测量;德国亚琛工业大学和尼康公司的RobertSchmitt[2]等人通过对不确定度的研究指出,iGPS系统除用于机器人的控制和校准以外,还可以广泛应用于航空、航天、造船、汽车等大尺寸、高精度定位与测量的装备制造领域。

本文介绍了iGPS测量系统组成,讨论了系统实现关键技术,列举了iGPS测量系统在飞机柔性装配中的应用。

iGPS测量系统组成

典型的iGPS测量系统主要由3大部分组成:信号发射、信号接收和信号处理(见图3)。信号发射部分为激光发射器,系统工作时,发射器发出2 道具有固定角度的扇面激光和全向光脉冲,该激光对人体和眼睛没有任何伤害;信号接收部分由传感器和接收器组成,传感器接收来自发射器发出的激光模拟信号,并传给放大器,接收器对放大信号进行处理并转化成数字化的角度信息;信号处理部分由中央计算机、客户端和数据处理软件组成,角度信息通过无线网络传输至中央计算机,由第三方数据处理软件(如MAYA、SpatialAnalyzer、Metrolog Ⅱ等)处理为准确的方位信息,并在整个工作区域和网络中共享,以便于多个用户从客户端读取被测点的位置信息,从而实现定位。沈飞公司与天津大学、634所联合研制的iGPS测量系统主要由发射基站、接收器(测量传感器)、前端处理机、控制网、任务计算机和主控计算机组成。主控计算机位于星形网络布局的中心,负责控制测量任务及参数配置、分配资源、构建及优化控制网并监控整个测量系统的状态。发射基站分布于整个测量空间,其数量和位置根据测量空间和测量任务进行规划,只要保证接收器(测量传感器)同时接收2个或2个以上发射基站的扫描激光信号,测量即可稳定进行。前端处理机负责实现接收器(测量传感器)接收到的光信号转换为时间信号,并通过Zigbee无线网络(无线传输距离可达40m)发送到任务计算机,由任务计算机完成空间坐标的解算并进行三维显示。控制网协助接收器完成精确解算的任务,并动态监控、更新发射基站参数,以实现系统的自动校正和补偿。经过系统应用测试验证,车间测量场系统精度能达到0.2mm。

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关键字:iGPS  测量系统  系统布局  测量精度

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/1211/article_6502.html
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