1、 天津大学博士学位论文面向大型复杂现场的测量定位方法研究Research on Measurement and Positioning Method in Large Complex Field 一级学科：仪器科学与技术学科专业：仪器科学与技术研究生：刘哲旭指导教师：叶声华教授邾继贵教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一四年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡
2、献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期：签字日期： 年 月 日 年 月 日摘要大型复杂现场是现代大型装备制造工业的根本特征之一，其具有空间尺度大、测量对象复杂多样、干扰因素众多、环境条件恶劣等特点，高效率、高精度的测
3、量需求与复杂的现场条件之间矛盾凸显。随着先进制造技术的快速发展，通过灵活多样、精确高效的大尺寸测量方法解决大型复杂现场中的诸多测量问题，已成为现代大型装备制造领域的当务之急。与现有的大尺寸测量方法相比，光电扫描网络式测量系统以其精密可靠的测量性能、灵活高效的应用特点以及功能多样化发展的潜在能力，在大型复杂现场测量领域极具发展潜力和应用前景。本文针对大型复杂现场中的测量问题及工程需求，提出了基于光电扫描网络式测量系统的研究思路。以 wMPS (workspace Measuring and Positioning System)系统为研究对象，对光电扫描测角原理及现场扰动误差补偿方法进行研究，并
4、提出了在布局受限和空间遮挡等限制条件下的新型定位方法，主要研究内容如下：1、总结了大型复杂现场对于先进大尺寸测量技术的迫切需求，分析多种测量方法的可行性和应用局限，阐述了光电扫描网络式测量系统的突出优势和应用于大型复杂现场的潜在能力，指出其在大型复杂现场应用中所面临的关键问题，并以此为主要内容展开研究。2、在研究光电扫描角度测量传感原理的基础上，重点分析 wMPS系统发射站轴系结构对测角精度的影响，通过有限元方法研究其动力学特性，为轴系结构的设计和优化提供理论依据，从基础源头提升了 wMPS系统的整体测量性能。3、为消除复杂现场扰动对于光电扫描测角精度的影响，提出单参考点直接差分补偿方法和基于
5、虚拟参考点的网络差分补偿方法，提高了 wMPS系统对恶劣环境因素的适应性，为其在大型复杂现场中的精密测量能力提供基础保障。4、针对复杂现场中的发射站布局受限问题，提出了一种单站式多角度后方交会定位方法，建立了测量数学模型，研究坐标求解算法及定位误差的影响因素，讨论了辅助测量靶的结构参数和标定方法，并通过实验验证了方法的可行性和测量精度。5、针对复杂现场中的空间遮挡问题，提出了一种无需交会的多角度周向约束定位方法，分析了影响测量精度的各方面因素，设计了周向接收器并给出了标定方法，构建实验平台验证了方法的可行性和测量精度。关键词：大型复杂现场大尺寸测量光电扫描参考点网络多角度后方交会多角度周向约束
6、ABSTRACT Large complex field is one of the basic features of large-scale equipmentmanufacturing industry. It has some characteristics such as large spatial dimension,complex and diverse measuring objects, numerous disturbing factors, harshenvironmental conditions, which make the conflict between hig
7、h efficiency, highaccuracy measurement and complex field condition prominent. With the rapiddevelopment of advanced manufacturing technology, solving various measurementproblems in large complex field through flexible, accurate and efficient large-scalemeasurement methods has been imperative in mode
8、rn large-scale equipmentmanufacturing industry. Comparing with existing large-scale metrology techniques, anovel network measurement system based on optoelectronic scanning shows itsdevelopment potential and application prospect in the measurement of large complexfield with some powerful features, e
9、specially precise and dependable performance,flexible and efficient application characteristics and the potential ability to provideversatility.Considering the measurement problem and engineering requirement in largecomplex field, this thesis presents the research idea based on the optoelectronicsca
10、nning network measurement system. It focuses on the research of wMPS(workspace Measuring and Positioning System), studies the principle ofoptoelectronic scanning angle measurement and the compensation of disturbing errorsin depth, and proposes novel positioning methods under the condition of locatio
11、nlimitation and occlusion. The main research work of this thesis is as follow:1、The urgent requirement of advanced large-scale metrology technique in largecomplex field is summarized. Considering the feasibility and application limitationsof multiple measurement methods, the outstanding advantages a
12、nd potential ability tobe applied in large complex field of the optoelectronic scanning network measurementsystem are expounded. The critical issues of its application in large complex field arealso indicated, and following research has been carried out.2、Based on the research of the principle of op
13、toelectronic scanning anglemeasurement, the influence of angle measurement caused by the shafting structure ofwMPS transmitter is studied. Then the dynamic performance of it is analyzed usingfinite element method. The theory is provided for the design and optimization of theshafting structure, and t
14、he overall measurement performance of the wMPS ispromoted at the source.3、 In order to eliminate the influence of optoelectronic scanning anglemeasurement caused by the disturbances, differential compensation method usingsingle reference point and network differential compensation method based on vi
15、rtualreference point are presented. The adaptability of the wMPS in harsh environment isimproved, and the basic guarantee for its precision measurement ability in largecomplex field is also provided.4、Considering the location limitation of the transmitters in complex field, themulti-angle resection
16、positioning method based on single transmitter is presented. Themathematical model is constructed. The coordinate calculation algorithm and theimpact factors of positioning error are studied. The structure parameters andcalibration of measuring target are also discussed, and the feasibility andmeasu
17、rement accuracy of the proposed method is verified through the experiment.5、Considering the occlusion problem in complex field, the positioning methodwithout intersection is presented, which is based on multi-angle circumferenceconstraint. The impact factors of measurement accuracy are studied. Thec
18、ircumference receiver is designed and the calibration method is presented.Experimental platform is constructed to verify the feasibility and accuracy of theproposed method.KEY WORDS：Large complex field; Large-scale metrology; Optoelectronicscanning; Reference point network; Multi-angle resection; Mu
19、lti-angle circumferenceconstraint目 录第一章绪论11.1引言11.2大型复杂现场的测量需求21.3复杂现场大尺寸测量技术发展现状31.3.1激光跟踪坐标测量系统41.3.2视觉引导经纬仪测量系统51.3.3大尺寸三维视觉测量系统61.4光电扫描网络式测量系统71.5关键问题与研究意义91.6课题来源及研究内容11第二章光电扫描角度测量传感方法132.1光电扫描角度测量原理132.1.1光电扫描角度测量系统132.1.2扫描角度自动测量原理142.2扫描角测量精度分析152.2.1测角精度的影响因素152.2.2转台轴系振动的影响172.3转台轴系动力学特性分析
20、212.3.1转台轴系动力学建模212.3.2动力学特性数值求解方法312.3.3轴系动力学仿真分析332.4转台动力学特性验证实验362.4.1转台轴系各影响因素验证实验362.4.2转台轴系整体性能优化实验402.5本章小结41第三章光电扫描角度测量的扰动误差分析及补偿433.1测角扰动误差分析433.2单参考点直接差分补偿方法 .463.3基于虚拟参考点的网络差分补偿方法 .483.3.1虚拟参考点差分补偿原理 .483.3.2扫描角度的空间化 .493.3.3参考点网络的构建 .523.3.4虚拟参考点补偿信息的获取 .533.4扰动误差补偿实验 .553.5本章小结 .58第四章光电
21、扫描多角度后方交会定位方法 .594.1多角度后方交会定位方法概述 .594.1.1空间后方交会 .594.1.2光电扫描多角度后方交会定位原理 .604.2待测点坐标解算 .624.2.1多角度后方交会模型 .624.2.2目标函数的建立 .634.2.3优化求解方法及迭代初值估计 .654.2.4测量靶结构参数限制条件 .694.3多角度后方交会定位精度分析 .704.3.1定位精度模型 .704.3.2数值仿真分析 .734.4测量靶结构设计及参数标定 .774.4.1接收控制点位置参数标定 .784.4.2接触式测头自标定方法 .794.5多角度后方交会定位实验 .814.5.1验证平
22、台 .814.5.2精度验证实验 .824.6本章小结 .83第五章光电扫描多角度周向约束定位方法 .855.1多站分布式网络测量模型 .855.2光电扫描多角度周向约束定位原理 .875.2.1三控制点定位方法 .885.2.2六控制点定位方法 .895.3多角度周向约束定位精度分析 .925.3.1三点法定位精度分析925.3.2六点法定位精度分析975.4周向接收器结构设计及参数标定1025.5多角度周向约束定位实验1035.5.1验证平台1035.5.2精度验证实验1045.6本章小结106第六章全文总结与展望1076.1全文总结1076.2论文创新点1086.3工作展望108参考文献
23、111发表论文和参加科研情况说明121致 谢123第一章绪论第一章绪论1.1引言随着先进制造技术及工艺的快速发展，以飞机、船舶、能源电力设备、火箭卫星及通讯天线等为代表的大型装备制造，已逐渐成为现代工业特别是制造工业中不可或缺的重要组成部分1-3 。在这类大型复杂工业现场中，由于空间尺度大、被测对象复杂多样、测量条件环境恶劣、干扰因素众多、相对精度要求极高且多个测量任务并存，高效率、高精度的测量需求与复杂的现场条件之间矛盾凸显4。在以大型飞机、火箭等为代表的航空航天先进制造业中，由于产品尺寸较大，生产过程中均采用前期分段制造、后期总装对接的工艺手段，涉及零件制造、产品部装及大部件对接等众多生产
24、环节，其制造过程中存在多种测量需求，例如飞机大部件总装对接中的动态跟踪定位、全机水平测量中的隐藏点及局部狭小空间检测、火箭生产制造过程中燃料箱筒壁的实时变形监测等。由于零件数量庞大且特征多样，而测量工作一般在制造生产现场展开，容易受到现场恶劣环境及被测对象自身复杂结构等多方面因素的制约，测量任务繁杂且难度极大5, 6 。对于另一类典型的大型复杂现场船舶制造，其生产制造过程中同样面临着多种复杂测量任务，包括轮船发动机舱扫描及壳体检测，轮船曲面弯板形貌的测量以及船台合拢中的分段快速测量等。鉴于上述测量工作大多需要在露天环境下进行，如地面平台和船坞码头，测量过程极易受到强光、粉尘、振动等恶劣环境条件
25、的影响，精度难以保证。同时，由于现场作业工种较多、部件生产工艺复杂，作业现场具有多方位立体交叉的复杂工作特性，测量任务极为繁重4, 7 。除此之外，高速列车工业、大型电力设备制造、大型雷达天线精密装调等大型复杂现场中同样存在上述问题，现场测量任务的要求十分严苛8, 9。综上所述，大型复杂现场是现代大型装备制造工业的根本特征之一，涉及关系国民经济和国家安全的诸多关键领域，其空间尺度庞大、产品精度较高且环境条件复杂，面临着严峻的现场测量问题。因此，研究面向大型复杂现场条件下的精密测量方法，并将其贯穿于大型先进装备的设计和装配等各个环节，对提高产品质量，保证产品性能，缩短研制周期具有重要的实际意义和
26、广阔的应用前景，是现代大型装备制造领域的当务之急，也是保证国家装备制造业核心竞争力的关键所在。1第一章绪论1.2大型复杂现场的测量需求大型复杂现场测量问题凸显，测量需求多样且难度极大，对先进测量方法需求迫切10。图 1-1 形象的描述了大型复杂现场中的测量问题与需求。大型装备制造测量对象复杂多样空间尺度大 大型复杂现场精度要求高 测量环境恶劣测量方法适应性强 抗干扰高精度 高效率大尺度图 1-1大型复杂现场的测量需求图 1-1中，大型复杂现场的诸多不利因素对测量设备功能的多样性和测量方法的鲁棒性提出了新的要求11, 12 。其中，多样性即测量设备能够灵活快速的响应复杂现场中多样化的测量需求；鲁
27、棒性即测量方法在非理想的，甚至较为恶劣的现场条件下稳健可行和保持高效率高精度测量的能力。综上，将大型复杂现场对测量方法的需求总结如下：（1）具备大尺寸空间精密测量能力一般来说，大型复杂现场的尺度空间可覆盖几米至几十米的区域，介于传统精密测量与工程测量之间，且测量精度要求达到亚毫米级别。如大型飞机的三维形貌测量和机身装配对接（3080m），船舶工业中曲面 钢板的轮廓测量和船体质量控制（50250 m）以及大型工 业厂房内自动化生 产工具（工业机器人、AGV小车等）的定位和引导（1050m）等。针对大型复 杂现场内的精密测量定位问题，其大尺寸特点令传统精密测量捉襟见肘，而较高的精度要求也使得工程测
28、量方法难以应用其中。因此，测量方法应具有大尺寸精密测量能力，这是解决大型复杂现场测量问题的先决条件。（2）确保较高的测量效率近年来，大型装备制造的数字化、自动化水平不断提高，对大型复杂现场测量方法的工作效率提出了极高要求。由于测量对象的尺度较大，且测量信息繁杂2第一章绪论多样，低效的测量方法势必会导致测量周期延长，且需要保证长期相对稳定的测量环境，而这一要求在大型复杂现场中难以满足。因此，高效测量能力是大型复杂现场测量方法应具备的一个关键特性。（3）抗干扰能力强测量环境复杂、条件恶劣是大型复杂现场的另一个主要特征，如飞机工业等大型厂房内的制造生产现场，甚至是船舶工业中难以控制的露天装配现场等。
29、其中，噪声、粉尘、温度湿度变化、空气扰动、强电强磁干扰、机械设备的振动等各类复杂因素的存在将导致测量设备的性能恶化，极大的影响测量的精度和稳定性。因此，大型复杂现场测量方法应具备较强的抗干扰能力。（4）功能多样，灵活性好，适应性强大型复杂现场中测量对象的结构特征复杂多样，例如飞机的机身表面形貌、水平尾翼和垂直尾翼、发动机进气道和尾喷口及大型船体的曲面弯板等，各类测量对象所需获取的信息不尽相同，对测量设备功能的多样性提出了较高的要求。此外，由于大型被测物体往往很难移动，且测量过程中需要多个任务同步进行，现场工作人员众多、布局混乱，这些因素必然会造成局部测量空间狭小且各部件间极易相互遮挡，从而导致
30、测量盲区的产生，因此需要测量设备灵活便携、易于操作且具备适应不同测量场合的能力，以实现大型复杂现场的快速测量和有效定位。综上，针对大型复杂现场对测量方法的多种严苛要求，研究面向其中各类复杂测量任务的灵活多样、精确高效的先进大尺寸测量方法，已成为现代大型装备制造领域公认的主要发展方向。1.3复杂现场大尺寸测量技术发展现状大尺寸精密测量能力是大型复杂现场测量方法必须具备的首要条件。近几十年来，大尺寸空间测量方法发展迅速，出现了基于机械、声学及光学等多种不同测量原理的大尺寸测量系统。大型三坐标测量机（ CMM: Coordinate MeasuringMachine）13, 14是一种典型的机械式大
31、尺寸测量系统，其采用接触式测量手段，通过沿精密导轨运动的机械探针进行测量。由于其只能工作于固定的空间内，灵活性较差，且对测量环境要求较高，因此并不适合大型复杂现场的测量任务。声学大尺寸测量系统通常采用超声波作为测量手段，典型系统为意大利都灵理工大学研制的 MScMS (Mobile Spatial coordinate Measuring System) 15, 16，其通过超声测距原理得到不同发射器与接收目标间的距离，并采用距离交会法实现三维坐标测量。但其主要局限性在于超声信号受温度、湿度、气流等多种因素的影响较大，3第一章绪论在环境复杂、条件恶劣的制造现场条件下测量精度难以保证，因此在大型
32、复杂现场的应用受到了极大限制。相比之下，基于光学手段的大尺寸测量系统10, 17, 18 具有测量精度高、稳定性好、抗干扰能力强、便于携带且安装灵活方便等优势，具有解决大型复杂现场测量问题的应用潜力。近年来，针对大型复杂现场中的各种测量需求，研究人员在现有光学大尺寸测量技术的基础上进行了一系列的深入研究并提出了多种解决方案。1.3.1激光跟踪坐标测量系统激光跟踪仪19-21 是一种基于球坐标测量原理的光学大尺寸测量系统，其测量理念在于将距离测量与空间角度测量相结合，通过球坐标系和空间直角坐标系间的简单变换即可实现三维坐标测量。激光跟踪仪以激光干涉原理为主要测距手段，并辅以绝对距离测量（ADM，
33、Absolute Distance Measurement）方法，具有测量精度高、实时性好、应用灵活便捷等特点，是目前应用最为广泛的光学大尺寸测量系统，在量程和精度上均能满足大型复杂现场的测量需求。为了使其能够适应大型复杂现场中的恶劣环境和多样化的测量任务，国内外学者和仪器制造厂商提出了多种有效解决方案。例如美国的 FARO公司在其产品中内置综合气象站，对环境温度、湿度和气压进行实时监测和自动误差补偿，在复杂的环境条件下可以保证较高的测量精度和稳定性22 。为满足大型复杂现场中多样化的测量需求，瑞士的 Leica公司开发了 T-Probe、T-Scan和 T-Mac等激光跟踪仪专用测量附件，可
34、以完成隐藏点测量、目标空间姿态监测和复杂曲面扫描等多种测量任务23 。针对测量过程中由遮挡断光造成的精度损失问题，中科院光电研究所的周维虎研究员及其团队对便携式多功能精密激光跟踪仪系统进行了研究，并采用三次样条函数对测量过程中由于遮挡或操作不当造成的断光自动续接后的 AMD测距误差进行修正，极大的提高了测量的灵活性和适应性24 。T-ScanT-MacT-Probe(a) Faro ION激光跟踪仪（内置综合气象站）(b) Leica激光跟踪仪及多功能测量附件图 1-2面向大型复杂现场的激光跟踪 测量系统4第一章绪论但是，由于激光跟踪仪不具备同步多任务测量能力，测量效率较低，而且在使用过程中需
35、要人工牵引测量靶球，测量过程易受人为因素影响。此外，由于采用了全站式的测量方式，在大型复杂现场的测量过程中需要频繁转站来避免光路遮挡等问题，测量精度难以保证。1.3.2视觉引导经纬仪测量系统经纬仪测量系统 25-27 基于光学测角传感和前方角度交会原理实现大尺寸空间的三维坐标测量，其测量精度高、范围广，具备大型复杂现场需求的大尺寸精密测量能力。同时，其可以对复杂现场内各种不同类型的目标实现真正意义上的非接触测量，具有极佳的通用性。但其主要局限性在于需要进行人眼瞄准及手动调整跟踪，自动化程度低，测量精度受人为因素影响较大，应用受到了很大制约。为了提升自动化测量能力，以满足大型复杂现场测量任务中精
36、密高效的测量需求，研究人员将基于视觉的目标跟踪技术引入其中，提出了视觉引导经纬仪测量系统。该系统借助图像跟踪处理技术和现代控制理论，其测量理念在于采用视觉处理手段对多个被测目标进行自动识别和瞄准跟踪，并结合经纬仪空间角度交会精密测量原理，实现大尺度空间内的自动测量定位。近年来，视觉引导经纬仪测量系统发展迅速，相关研究也在不断深入。维也纳科技大学的 Kahmen等人将电视经纬仪与数字经纬仪相结合，提出了一种半自动搜索与对准技术，初步具备了自动测量能力28 ；中科院光学精密机械研究所的马彩文研究员深入研究了电视经纬仪跟踪测量中运动目标的快速识别和定位算法，有效的抑制了背景噪声干扰，保证了跟踪测量中
37、的精度要求29 ；天津大学的周虎、张滋黎等将摄影测量与激光经纬仪系统相结合，通过高精度相机自动识别目标点并驱动经纬仪进行自动瞄准和跟踪，从根本上消除了人为误差的影响，极大的提高了测量效率30-33 。被测物摄像机 二维精密转台计算机 右经纬仪左经纬仪图 1-3面向大型复杂现场的视觉 引导经纬仪测量系统5第一章绪论但是，这种新型的视觉引导经纬仪测量系统仍然存在着跟踪角速度较低、测量的实时性差且不具备自动调焦功能等问题，在对速度较快或深度方向位置变化较大的动态目标的测量过程中，跟踪效果和测量精度均难以保证。此外，由于其测量方式较为单一，且受限于经纬仪的交会式测量模式，无法解决测量过程中局部测量空间
38、狭小和遮挡等问题，难以适应大型复杂现场多样化的测量需求和复杂的测量场景。1.3.3大尺寸三维视觉测量系统大尺寸视觉测量系统3, 34-36 是工业测量领域中一种较为成熟的测量技术，主要基于双目或多目立体视觉测量原理。测量时，不同相机的成像光束交会于被测点处，即可实现空间三维坐标测量。视觉测量技术的测量精度高，不易受环境因素影响，且应用灵活便捷，在复杂的现场条件下具有可靠的测量性能和较强的适应能力。为满足大型复杂现场中多样化的测量需求，近年来，国内外研究人员在传统数字摄影测量技术的基础上，提出了一些新型的视觉测量方法，如基于单目视觉的光笔测量系统和移动视觉测量系统。其中，光笔测量系统采用安装有多
39、个控制点的精密靶标（光笔），仅需一台相机即可实现三维坐标测量，十分适合大型复杂现场中的局部狭小空间测量及现场快速测量任务，成熟产品为挪威 Metronor公司的 SOLO光笔测量仪37教授等也对光笔测量技术进行了相关研究 38, 39。移动视觉测量系统以美国 GSI公司的 V-STARS 系统40，天津大学的刘书桂教授、华中科技大学的黄树槐为代表，测量时只需在空间不同方位对被测物体进行拍摄即可得到特征点的精密三维坐标，测量速度快且适应性好。此外，针对移动视觉测量系统在测量前需要粘贴或投射编码标志，面对一些复杂现场的特殊测量任务时并不可行的问题，天津大学的郭磊提出了一种不基于粘贴标志的移动视觉测
40、量方法，极大的提升了复杂现场条件下的测量灵活性和可行性41 。(a) 光笔测量仪 (b) V-STARS系 统图 1-4面向大型复杂现场的新型 视觉测量系统6第一章绪论上述新型测量设备和方法为大尺寸视觉测量系统带来了多样化的功能选择，使其在大型复杂现场不同测量场景中的应用更为灵活。但是，由于测量方法自身的局限性，如视场范围有限、无法实现在线测量及测量过程中需要人工干预等，视觉测量系统在大型复杂现场中的应用仍然存在一些问题。1.4光电扫描网络式测量系统尽管上述光学大尺寸测量技术均具有解决大尺寸空间内精密测量问题的能力，且都针对复杂现场的测量需求提出了一些新型的测量方法，但由于存在由测量原理所决定
41、的各种局限，如自动化程度较低、测量方式单一、不具备多任务同步测量能力等，因此在大型复杂现场的测量应用中存在诸多不便。近年来，计算机网络技术的发展和 GPS全球定位系统的出现为研究人员提供了新的思路，一种全新的大尺寸空间测量方法光电扫描网络式测量技术，在以飞机制造为代表的多个大尺寸工业领域中崭露头角。该技术借鉴了地球 GPS的导航定位理念，将光电扫描角度传感原理与大尺寸空间整体网络式测量理念相结合，已成为当前工业界和学术界的关注热点。典型测量系统为 iGPS系统（indoorGPS）42, 43 和 wMPS系统（workspace Measuring and Positioning Syste
42、m）44, 45（1）iGPS系统。iGPS系统是美国 Arcsecond公司（现已并入日本 Nikon公司）推出的目前国际上比较成熟的商业化工业大尺寸三维坐标测量系统。iGPS系统的标准配置如图 1-5 所示，包括：激光发射器、接收器、信号处理器、RF基站和矢量棒测头。测量过程中，由多个激光发射器组成全局测量网络，覆盖整个测量空间。每个发射器都会发出扫描激光信号，为接收器提供空间位置信息。接收器通过对发射器光信号的处理，可以确定自身在各个发射器坐标系下的方位角和俯仰角。因此，只需利用标定手段建立统一的全局坐标系，就可以在不少于 2台激光发射器的基础上通过空间角度交会的方法得到接收器的空间三维
43、坐标。iGPS系统一经问世就立刻受到了各国研究人 员的广泛关注，一些研究机构在分析和验证 iGPS系统的性能方面做了大量的工作。其中，英国巴斯大学的J.E.Muelaner等将空 间内多个已知点间的距离测量值与激光跟踪仪进行对比，评定了 iGPS系统的空间定位 误差46, 47。他们还与英国国家物理实验室（NPL）合作，利用蒙特卡洛仿真的方法分析了 iGPS 系统的部分 误差源及其影响因素，并提出了基于多齿分度台等测量设备的系统测角精度评价方法48。Z.Wang等通过工业机器人的轨迹跟踪实验，对 iGPS 系统的动态 性能进行了评估，实验结果表明对于运动速度为 10cm/s的被测目标，iGPS
44、系统可以保证 0.5mm的动态跟踪精7第一章绪论度49。意大利都灵理工大学的 Maisano等通过实验方法验证了 iGPS 系统的重复精度和绝对精度，在 10m空间内定位精度可达 0.25 mm，并且可以通过增加激光发射器的数量得到进一步改善50 。此外，巴西航空技术学院飞机结构装配自动化实验室（ASAA Lab ）的 G. Mosqueira 等还对 iGPS系统应用于飞机机身装配的可行性和具体方法进行了研究51 。激光发射器接收器信号处理器 RF基站矢量棒测头图 1-5 iGPS 系统组 成及测量原理（2）wMPS系统wMPS系统是天津大学邾 继贵教授团队研制的一种新型光 电扫描大尺寸测z
45、kq 20150910量系统，是目前国内具有全面系统配置和完整理论体系的自主研发型先进大尺寸测量设备之一，现已成功应用于航空航天等诸多领域。wMPS系统的组成包括：激光转台发射站、接收器、前端信号处理器、标定用基准尺和终端计算机，如图1-6所示。与 iGPS系统相似，wMPS 系统同样需要通过分布于测量空间周围的多个发射站建立全局测量网络，但不同的是，wMPS系统在空间角度交会原理的基础上，提出了基于平面约束的坐标测量方法，通过接收器获得的发射站扫描角度信息确定多个空间平面方程，再根据平面交会约束进行最小二乘求解即可确定接收器的空间三维坐标。相比之下，wMPS 系统所采用的 这种坐标测量方法具
46、有较强的适用性，在保证测量精度的同时可以大幅降低发射站的设计和装配要求。zn全局坐标系 ynzy xn 发射站n平面1平面2z2激光转台发射站 ox z1终端计算机 y2x1 x2y1接收器发射站1 接收器 发射站2标定用基准尺前端信号处理器图 1-6 wMPS系统组成及测量原理8第一章绪论近年来，对于 wMPS系统 的研究不断深入。天津大学的 杨凌辉在研究光电扫描坐标测量原理的基础上，提出了 wMPS 系统的具体 实现方案及标定方法，分析了系统的主要误差来源及影响，并通过实验对 wMPS系统进行了初步验证，实验结果表明 wMPS系统 在 10m的测量空间的测量精度优于 0.2mm44在研究
47、wMPS系统测角原理的基 础上对系统光电转 台的机械结构进行了优化，并结合实际应用提出了一体化和分步式两种系统校准算法52。劳达宝。端木琼从硬件层面对 wMPS系统的电气结构 进行了优化设计，并深入研究了多 传感器间的同步测量方法，减小了动态测量误差，为 wMPS 系统实现动态 坐标测量提供了理论基础53。耿磊利用蒙特卡洛仿真研究了 wMPS系统的空间测角误差，设计了系统的角度校准装置，并根据全局控制场理论提出了测量误差的补偿方法54究了 wMPS系统的网络布局 对定位误差的影响，分析了多种典型布局方案，并结合 wMPS系统的特性提出了一种利用典型布局 实现 全局网络优化的方法55。熊芝研。与
48、上述光学大尺寸测量方法相比，光电扫描网络式测量系统具有以下核心优势：（1）采用基于光电扫描的自动测角传感方法，测量过程无需人工干预，消除了人为误差因素，可以保证较高的测量精度，且支持多目标同步实时测量，具有极高的测量效率；zkq 20150910（2）可以通过发射站的快速布局适应各种大尺寸非常规形状物体的复杂测量空间；（3）可以通过增加发射站的数量实现测量范围的灵活扩展；（4）新型的传感手段和网络式测量理念为系统测量功能的多样化创造了可能。凭借上述突出优势及潜在能力，光电扫描网络式测量系统已成为当前工业界和学术界的关注热点，在大型复杂现场测量领域极具发展潜力和应用前景。1.5关键问题与研究意义
49、大型复杂现场的测量难度较大且应用需求迫切。与 1.3节中的各种光学大尺寸测量系统相比，光电扫描网络式测量系统以其精密可靠的测量性能、灵活高效的应用特点以及功能多样化发展的潜在能力，已成为当前大型复杂现场测量领域的一个全新的研究方向，其在大型复杂现场应用中所面临的关键问题正是本文的主要研究内容。本文以 wMPS系统为研究 对象，旨在解决光电扫描网 络式测量系统在大型复杂现场应用中的测量精度、适应性及功能多样化需求等问题。在深入研究光电9第一章绪论扫描角度测量传感原理的基础上，针对复杂现场中测量环境恶劣、被测对象结构复杂和测量场景多样的特点，对如下关键问题进行研究：（1）光电扫描测角传感方法基于光电扫描的自动角度测量是 wMPS 系统在大尺寸空 间内实现高效率、高精度坐标定位的基础和关键。因此，深入研究光电扫描角度测量原理及其精度影响因素，对于 wMPS
