本文是一篇机械论文，本文分析了精密激光定位系统（ALPS）现有发射基站的在复杂工业环境下应用的局限性，研究一种环境适应性强，并且保证测量精度的新型基站。
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
跨入21世纪后，“中国制造”发展态势迅猛[1]，在各个关系到国民命脉的产业发挥着重要的作用。智能装备制造更是国家发展的战略性产业[2]，为各行各业的技术进步提供了最基本的保障[3,4]。在以航空航天及船舶装配为代表的大型国防产品的装备制造过程中，有些产品存在着结构外形庞大且各装配部件协调关系较为复杂、装配精度要求高等问题[5]。在面对诸如此类结构外形复杂的机械部件装配过程，传统的装配方法因为人工依赖程度高及效率低等缺陷已经不再适用。图1-1展示了飞机装配制造现场过程，包含工装的校准定位、部件装配与型面测量以及大部件对接等环节，各部分位姿需要精确对接，精度达到亚毫米级。测量场控制系统收到飞机各个部件位置信息后，反馈至场内人员操作执行机构实时做出调整，不仅要保证加工精度而且要提高装配效率[6,7]。
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大尺寸空间定位系统主要是对工件的位姿、尺寸和空间轨迹进行测量[8]。目前主要应用的大尺寸测量技术如全站仪、经纬仪和激光跟踪仪，虽然有着测量精度高、操作简单等优点[9,10]，但是在面对航空航天、船舶和运载火箭等大型设备的装配制造中，由于目标物的几何尺寸较大且机械外形较为复杂，常用的大尺寸测量系统存在无法并行测量、频繁转站和人工干预程度高等情况[11,12]，已无法满足大尺寸武器装配制造的需求，制约着我国大型装备自动化的发展。所以迫切地需要寻找新的方法来完成在复杂工业环境下的大尺寸零件的测量任务。
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1.2国内外研究现状
1.2.1国内外大空间定位技术研究现状
大空间定位技术是对几何尺寸大且机械结构复杂的工件进行位置、尺寸及空间位姿测量与动态跟踪的测量技术，主要应用在航空航天、大型船舶等武器装备制造领域[15,16]。此外，随着现代传感器与激光通信技术的快速发展为大空间测量定位提供了理论基础[17]。目前大空间定位技术主要分为全站式测量与分布式测量，全站式是基于单个设备完成整个测量任务的系统，是目前发展较为成熟且广泛应用的测量设备，通常用于检测精密器件的尺寸公差、几何公差和空间位置等[18]；分布式测量基于多节点相互配合，将各个测点的数据进行融合解算而完成测量任务[19]，目前国内外常用的测量设备有：
a.全站式测量定位技术
（1）三坐标测量机
三坐标测量机是一种利用三个相互垂直的轴向光栅尺来测量工件空间坐标的精密测量设备，它主要由主机、测头、电控系统和上位机软件组成[20]，如图1-2所示。
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如美国Brown& Sharp公司旗下DEA的Lambda SP龙门式坐标测量机，最大测量空间可以达到3m×10m×2m，精度达到1μm，根据误差传递规律，其应用在三维空间测角时的测量精度为0.01°[21]。在国内三坐标测量机也得到持续发展，主要生产厂家有中国航空精密机械研究所、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新天光仪器厂等[22]。其测量原理是利用测头能在X、Y、Z三个方向上移动，先测得各点在空间的位置坐标，而后利用各个三维坐标反向追溯构建物体几何形状，采用此方法测量效率较低、不易移动并且成本较高。
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2 分布式微型基站设计方案
2.1 ALPS系统组成
针对于ALPS系统在复杂工业环境下存在激光信号遮挡及拓展性不足等问题，对发射基站的控制系统与结构布局进行重新设计与研究。分析ALPS测量原理和复杂测量场下微型基站的布局分析和部署流程，并对发射基站对系统测角精度的影响因素进行着重讨论，在此基础上提出了微型基站的设计指标和总体方案，为后续设计提供理论基础。
精密激光定位系统（ALPS）是一种基于旋转激光扫描的分布式大尺寸空间定位系统，其主要由发射基站，光电传感器，前端信号处理器和上位机软件组成[54]，如图2-1所示。
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4台或以上的发射基站在测量场内呈L或C型摆放，通过辅助设备标定杆获取各发射基站之间的相对空间关系，并将各个发射基站的自身坐标系统一到世界坐标系下[55]。将光电传感器置于待测点上，接收到各个基站发射的红外激光信号，将光信号转换成电信号，通过前端处理器的硬件调理电路对采集信号进行放大滤波后通过网线传输到上位机，通过算法得到待测点三维坐标，在上位机软件上进行显示，实现大空间测量定位
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2.2 ALPS测量原理
2.2.1 ALPS单站测角原理
如图2-2所示为ALPS单站测角的示意图，激光发射头发出的两个扇面激光即为LP1、LP2、以两扇面在空间内交点O为圆心，以垂直于激光发射头竖直向上为Z轴，根据右手定则就可以确定XOY平面。
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如图2-3所示，P点为光电传感器的圆心也是待测点位置，电机带动激光发射头以固定角速度旋转，每当电机旋转一周时就会产生一个零位脉冲信号，记为0t时刻，该时刻记为后续测量的起始点。此时两激光扇面处于坐标系的初始位置，法向量分别为()1 1 1,,1TN =A B、()2 2 2,,1TN =A B，在旋转过程前端处理器PL端的精密计时模块以50MHz的固定频率记录初始位置时刻到扇面1扫过光电传感器球心的脉冲个数，就可以解算出经过的时间，该时间记为1t，同理可计算出扇面2扫过传感器求得的时间，记为2t，两扇面从起始位置到待测点转过的角度记为、，这两个角度称为ALPS的特征角度。
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3 微型基站高精度稳速控制系统设计 ................................ 29
3.1 基站稳速控制模式选择与总体方案设计 .......................... 29
3.1.1 基站运行特性分析 .................................. 29
3.1.2 基站稳速控制模式选择 .............................. 30
4 微型基站软硬件系统设计 .................................... 51
4.1 微型基站硬件总体方案设计 .................................. 51
4.2 微型基站伺服系统硬件设计 .................................... 51
5 微型基站系统实验验证及分析 ............................. 73
5.1 稳速精度实验 ......................................... 73
5.1.1 实时转速实验 ................................ 73
5.1.2 稳速时长实验 ............................... 75
5 微型基站系统实验验证及分析
5.1 稳速精度实验
5.1.1实时转速实验
微型基站样机设计完成后，将基站内部组装并连接所有的硬件设备，组成一个完整的测站系统，将微型基站摆放于桌面，放置于距离上位机5m距离后连接电源线，如图5-1所示。首先在微控制器中创建一个数组，用来存放基站转速的反馈值，将采集到的转速值通过WIFI模块发送至上位机。
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实验之前先将测站预热1.5h，保证测站达到稳定的工作状态后开始进行稳速精度验证。在实验中，激光发射头由伺服控制系统驱动，采用速度控制模式，上位机通过无线通信的方式向微型基站伺服控制系统发送目标转速，设置的采样时间为1min，连续采集1000组数据。本次分别在目标转速为1000r/min、2000r/min和3000r/min下的进行实验。
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6 结论与展望
6.1 课题结论
分布式激光定位系统能更好的适应复杂机械装配制造领域，目前正朝着数字化、智能化和网络集成化方向发展。本文分析了精密激光定位系统（ALPS）现有发射基站的在复杂工业环境下应用的局限性，研究一种环境适应性强，并且保证测量精度的新型基站。本课题围绕这一背景，进行了集硬件锁相环、机械结构、无线组网、电机驱动电路及伺服系统软硬件于一体的微型基站的总体设计，以下是本文研究内容及结论：
1.分析了复杂测量环境下分布式微型基站系统的优化方案和部署流程，结合ALPS的定位原理，借助MATLAB仿真和实验将扇面误差、主轴回转误差、基站转速误差和振动误差对测角精度的影响进行着重分析，在此基础上提出了微型基站总体设计方案与技术指标，为后续伺服系统、机械结构和无线组网的设计提供理论基础。
2.完成了高精度稳速控制系统设计，分析对比了几种稳速控制方法，结合本课题设计指标以及发射基站的运行特性提出了一种硬件锁相环联合增量式PID的高稳速控制方案，对该控制系统进行了数学建模及分析，并且加入一阶超前网络保证了该系统的稳定性和动态性能。此外基于该控制系统对主要电路进行仿真测试后搭建了该控制系统的软硬件平台，结合现有伺服控制器进行实验验证，实验结果表明该控制系统符合设计要求。
3.完成了微型基站软硬件系统设计，以ST32F407IGT6为核心控制处理单元对电机驱动系统、同步光脉冲光系统、无线组网系统和电源系统进行硬件电路及PCB设计，确定了主控板卡及功率板卡尺寸大小。提出了一种适用于ALPS系统新型基站构型，并且进行了静力学和热力学有限元仿真。此外设计了微型基站伺服控制系统的软件流程和无线组网软件结构。完成了微型基站的样机设计并实现了无线组网控制功能，重量优化了50%，可以通过便携式支架安装在测量场墙壁侧面。
参考文献（略）