基于无线传感网络引导的高精度超大空间坐标测量网络构建关键技术

With the development of technology, mechanical equipments are larger and the geometrical dimensional measuring required range to tens or even hundreds of meters. The research proposes a novel method to construct a 3D coordinate measuring network for extra-large measuring range, which are based on laser multi-lateration ranging technology with low cost and high precision. The system uses wireless sensor network for pre-localization guidance, which can achieve calibration in the whole measuring process and automatic multi-task measurement. The research content of the project contain: ①design of pre-localization guidance system with high precision based on wireless sensor network, which can make laser and reflecting target automatically collimate, and achieve automated measurement and calibration; ②modeling methods and model of uncertainty distribution for extra-large space 3D coordinate measurement, which can provide theoretic basis for optimized and flexible design of measuring network; ③optimized design of mechanical structure of measurement bases and targets, which can acquire desired movement characteristic; ④analysis, whitening and correction of main measuring error sources for extra-large uncontrollable measurement space, which can be used for exploring control methods of environmental error. Through the studies in the project, a new theory of constructing for extra-large size measurement system are realized, which can be used as the foundation for scientifically establishing extra-large size measurement system, and Promoting the accelerating development of extra-large size measuring techniques and extreme manufacturing techniques in China.

科技发展促使机械装备尺寸越来越大，需求的几何参量测量范围快速扩大到数十米甚至上百米。本项目拟研究基于激光多边测距原理的低成本高精度超大量程空间坐标测量网络的构建方法，该系统利用无线传感网络定位引导，实现测量系统"全过程标定"与多任务测量自动化。重点研究：①实现高精度引导的无线传感网络室内定位技术，满足测距激光与反射标靶自动对准的需求，实现测量与系统标定自动化；②研究超大量程坐标测量网络空间测量不确定度分布的建模方法及模型，为测量网络结构优化设计及柔性设计提供理论依据；③测量基站与标靶基站的机械结构优化设计，实现要求的运动特性；④超大不可控测量空间主要测量误差源及其"白化"与修正技术，探索超大不可控测量空间环境误差影响的"可控之路"。通过本项目研究，建立全新的超大尺寸测量系统构建理念体系雏形，使科学构建超大尺寸测量系统能有据可依，促进我国超大尺寸测量技术及极端制造技术快速发展。

大型装备制造战略意义重大，代表着国家制造业核心竞争力。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，将“极端制造技术”列入了“先进制造技术”领域的“前沿技术”，明确提出要重点研究与“巨系统制造”相关的设计、制造工艺和检测技术。.目前我国航空航天、大型交通、能源设备、大型武器装备等领域的大型装备制造技术发展迅猛，对高精度、高效率的现场超大尺寸测量技术的需求不断增大。为尽快改变超大几何参量测量对我国极端制造技术发展的制约，该国家自然科学基金资助项目研究了充分利用激光（超声波）测距范围大且测距网络易于扩展等优点的超大空间坐标测量网络构建关键技术。主要研究工作及成果为：建立了测量空间不确定度分布模型，研究了测量空间各点不确定度与测距传感器精度、参与测量传感器数量及网络结构几何参数的关系，提出了柔性测量网络空间精度自适应构建方法；研究了无线波传感定位引测方法和视频引测方法，使激光测距瞄准智能化；研究了测量网络基站位置循环自标定方法，减少了操作者等因素对标定精度的干扰；研究了主要环境因子对激光（超声波）测距精度的影响及消除或减小环境因子影响的方法；研制了测量基站、标靶基站、引测网络节点等结构，构建了实验系统；研究了不同系统主要误差的实验标定方法，及各研究成果正确性和有效性的实验验证方法。.所研制的超大空间坐标测量网络具有如下特点：.1.测量网络易于构建及扩展，且测量网络可同时适应不同测量精度的要求而不存在精度浪费；.2.测量及测量网络基站位置标定能自动完成，不仅大大提高了测量效率，而且可在测量过程中实现测量网络基站位置自标定，可及时发现测量系统因外界干扰产生的异常，保证系统可靠性；.3.通过误差修正克服超大空间不可控环境对测量精度的影响，努力降低系统构建的成本，实现高性价比。.该项目研究培养了3位博士研究生（其中1位2017年上半年毕业）、5位硕士研究生；申请了7项发明专利（3项实审，4项授权）；发表了12篇学术论文，其中EI收录3篇，国际会议3篇。