一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置及方法，该装置包括可控升降陀螺悬挂系统支架、激光发射器、接收板、高分辨率可编程工业相机及其定位支架、高精度水平仪、保护悬挂系统的透明玻璃罩和计算机；能够精确捕捉特征点的运动轨迹，通过测定特征点运动轨迹来推算陀螺悬挂系统静平衡残余量，即重心偏差，将不能直接观测的参数转变为可观测参数，为陀螺悬挂系统静平衡残余量测定提供科学依据；陀螺悬挂系统静平衡残余量测定可为精度优于±5″高精度陀螺仪的研制、生产调试提供科学依据，提高安装调试效率，同时降低对高精度陀螺仪对安装调试人员操作经验的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置及方法
本专利技术属于测绘仪器
，涉及一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置及方法。
技术介绍
高精度(定向精度优于±5″)陀螺仪是目前长隧道(如海底隧道、地铁等)建设施工和远程导弹运载车初定向的必要装备。在“纽约到北京”长隧道建设和洲际导弹发射中±1″的初始定向误差往往会导致难以接受的平面位置偏差。因此高精度陀螺仪是我国国民经济建设和国防军事应用的必备装置。尽管目前陀螺仪的种类较多，包括磁悬浮陀螺、光纤陀螺、激光陀螺仪、微机械陀螺仪、挠性陀螺仪等，但现阶段上述新型陀螺仪的定向精度难以满足长隧道建设与导弹发射等快速高精度定向的应用需求。传统的悬挂式(机械式)陀螺仪，因其具有精度高、性能稳定等优点，在快速高精度的静态定向领域具有难以替代的优势。虽然自1949年德国研制出第一台真正实用的陀螺经纬仪MW1以来已有大半个世纪，陀螺仪的研制已取得巨大的进展，但在精度优于±5″高精度陀螺仪的研制、生产与应用中仍然存在无法精确测定陀螺悬挂系统静平衡残余量，不清楚精度优于±5″高精度陀螺仪对陀螺悬挂系统静平衡残余的具体要求，因而阻碍了陀螺仪定向精度的进一步提升，也导致高精度陀螺仪对安装调试人员的要求很高，安装调试生产的效率很低等问题。陀螺悬挂系统由陀螺灵敏部和悬挂装置组成，陀螺灵敏部包括陀螺马达转子和陀螺房。如图1所示，图a为陀螺悬挂系统静平衡理想状态为静止时，陀螺转子质量中心与陀螺房组合件质量中心及悬挂丝(吊丝)的中心线同处于垂直轴线，组合件质量中心位于陀螺转子质心O2下方一定距离内。由于材料质量分布、加工工艺等原因陀螺转子质心、组合件质心及悬挂丝(吊丝)的中心线常不在一条直线上，存在静平衡残余，如图b所示。静平衡残余量的大小直接影响到陀螺定向的精度和可靠性。目前这方面的研究工作主要集中在陀螺转子本身静平衡测试方面，主要成果包括：张琳等【张琳,杨涛,王佳民,2007,半液浮陀螺浮子的静平衡方法研究.弹箭与制导学报,03:74-76】提出的半液浮陀螺浮子静平衡方法；黄业绪【黄业绪,史忠科,曹社平,2007,弹用速率积分陀螺浮子静平衡方法研究[J].传感技术学报,12:2571-2574】等提出的弹用速率积分陀螺浮子静平衡方法；特殊结构陀螺转子称重法测静平衡装置【李丙乐,王厚生,王晖,王秋良,2006,特殊结构陀螺转子的称重静平衡方法[J].制造技术与机床,09:83-87；任凯龙,王晖,曹志强,王厚生,王秋良,2008,特殊结构陀螺转子称重法测静平衡装置的研究[J].机械制造02:57-60】。在陀螺悬挂系统静平衡方面的公开成果仅包括肖京刚等【肖京刚,吴俊杰,刘嘉倬,陀螺经纬仪惯性灵敏部静平衡研究,中国惯性技术学会.微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集,中国惯性技术学会,2011:5】初步分析的惯性敏感部重心与陀螺电机质心不在同一铅垂线时，对陀螺漂移的影响程度分析。总之目前仍缺少测定陀螺悬挂系统静平衡参数的装置与方法，制约高精度陀螺仪定向精度与生产中安装调试效率的进一步提高。因此迫切需要发展能够快速高精确测定陀螺悬挂系统静平衡参数的方法与装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有目前仍缺少测定陀螺悬挂系统静平衡参数装置与方法，制约高精度陀螺仪定向精度与生产中安装调试效率的进一步提高等问题，为解决高精度陀螺悬挂系统静平衡参数测定问题提供一种新装置和方法。一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置，包括可控陀螺悬挂系统升降支架、激光发射器、接收板、可编程工业相机、相机定位支架、图像处理及控制模块及陀螺悬挂系统；所述陀螺悬挂系统安装在可控陀螺悬挂系统升降支架上；所述激光发射器和接收板均设置于所述陀螺悬挂系统前方，所述激光发射器发出的激光照射到所述陀螺悬挂系统灵敏部的基准镜上，所述接收板接收所述基准镜反射的激光发射点；所述可编程工业相机固定在相机定位支架上，用于拍摄接收板上激光光斑的运动轨迹图像，并将所拍摄的图像传输到图像处理及控制模块；所述可控陀螺悬挂系统升降支架和激光发射器均受控于图像处理及控制模块；所述可控陀螺悬挂系统升降支架包括电动升降台、驱动马达、调节螺柱、角螺旋底座及水平仪；所述驱动马达驱动电动升降台；所述调节螺柱用于调节陀螺悬挂点处于水平状态；【所述悬挂点处于水平状态的目的是为了使得悬挂丝绷紧时处于竖直状态。】所述角螺旋底座用于调节可控陀螺悬挂系统升降支架的升降台面处于水平状态。所述可控陀螺悬挂系统升降支架外设置有透明玻璃罩。当陀螺灵敏部基准镜到接收板距离为1米时，静平衡测试精度优于1微米时，可编程工业相机分辨率不低于500万像素、拍摄速率不低于4帧。一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试方法，采用所述的一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置，以陀螺悬挂系统灵敏部的基准镜作为特征点反射镜，通过激光发射器连续发射激光束到特征点反射镜上，反射镜将发射激光反射到接收板上，由工业相机连续拍摄反射的激光信号，并通过图像处理模块同步处理，采用质心跟踪算法获得在连续时刻陀螺悬挂系统特征点的中心位置信息(xt,yt)，以陀螺摆动起始时刻开始记录，至少记录陀螺摆动2个以上周期的特征点中心位置；基于特征点运动轨迹计算陀螺静平衡残余量，所述陀螺静平衡残余量包括垂直陀螺转子自转轴水平残余量Y和平行于陀螺转子自转轴水平残余量X：其中，R＝b·X0+a-Y0，(X0,Y0)为陀螺下放前或托起后的所记录的激光点坐标，L为悬挂点到陀螺灵敏度质量中心的距离，D为基准镜到接收板之间的距离，b和a分别为利用连续时刻陀螺悬挂系统特征点位置获得的回归直线的斜率和Y轴截距；测量残余量Y时，在陀螺灵敏部X轴正交处贴一片反光镜，将工业相机水平旋转90°，按照水平残余量X的测定方法进行测量。所述陀螺悬挂系统特征点的位置坐标是按照以下公式计算获得：且满足gray(x,y)＞T其中，T为设定的目标灰度阈值，Ω表示包含陀螺悬挂系统特征点在内的波门，(x,y)表示工业相机所拍摄到的目标图片中包含特征点在内波门中的像素点，gray(x,y)表示像素点(x,y)的灰度值。【质心跟踪是利用目标与背景在灰度上的差异，对波门内的任一像素p，其灰度值为gray(p)，若gray(p)>T，则像素p为目标像素，否则为背景像素。】所述可编程工业相机将陀螺悬挂系统的特征点运动轨迹放大30倍以上。陀螺抖动参数最大抖动振幅Am和平均抖动量采用以下公式计算获得：其中，n为采样点个数。所述波门为固定波门，其大小为200×200像素。在测试开始前，应注意以下设置：1)通过水平仪观测，调节可控陀螺悬挂系统升降支架，直到可控陀螺悬挂系统升降支架的升降台面和陀螺悬挂点均处于水平状态；2)将陀螺悬挂系统放置已调至水平状态的可控陀螺悬挂系统升降支架的悬挂点上；3)将激光发射器水平对准陀螺悬挂系统灵敏部的基准镜，并将接收板设置于能够接收到激光发射信号的位置，同时，将工业相机固定在相机定位支架上，拍摄接受板上激光点的运动轨迹；测试过程中，首先启动电动升降台的驱动马达下放陀螺，启动激光发射器，待陀螺稳定运行后再次调整相机位置，使运动的激光点始终在相机视野范围内，相机记录接收板上反射激光点位置(xt,yt)；陀螺摆动2周期后，启动陀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置，其特征在于，包括可控陀螺悬挂系统升降支架、激光发射器、接收板、可编程工业相机、相机定位支架、图像处理及控制模块及陀螺悬挂系统；所述陀螺悬挂系统安装在可控陀螺悬挂系统升降支架上；所述激光发射器和接收板均设置于所述陀螺悬挂系统前方，所述激光发射器发出的激光照射到所述陀螺悬挂系统灵敏部的基准镜上，所述接收板接收所述基准镜反射的激光发射点；所述可编程工业相机固定在相机定位支架上，用于拍摄接收板上激光光斑的运动轨迹图像，并将所拍摄的图像传输到图像处理及控制模块；所述可控陀螺悬挂系统升降支架和激光发射器均受控于图像处理及控制模块；所述可控陀螺悬挂系统升降支架包括电动升降台、驱动马达、调节螺柱、角螺旋底座及水平仪；所述驱动马达驱动电动升降台；所述调节螺柱用于调节陀螺悬挂点处于水平状态；所述角螺旋底座用于调节可控陀螺悬挂系统升降支架的升降台面处于水平状态。

【技术特征摘要】
1.一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置，其特征在于，包括可控陀螺悬挂系统升降支架、激光发射器、接收板、可编程工业相机、相机定位支架、图像处理及控制模块及陀螺悬挂系统；所述陀螺悬挂系统安装在可控陀螺悬挂系统升降支架上；所述激光发射器和接收板均设置于所述陀螺悬挂系统前方，所述激光发射器发出的激光照射到所述陀螺悬挂系统灵敏部的基准镜上，所述接收板接收所述基准镜反射的激光发射点；所述可编程工业相机固定在相机定位支架上，用于拍摄接收板上激光光斑的运动轨迹图像，并将所拍摄的图像传输到图像处理及控制模块；所述可控陀螺悬挂系统升降支架和激光发射器均受控于图像处理及控制模块；所述可控陀螺悬挂系统升降支架包括电动升降台、驱动马达、调节螺柱、角螺旋底座及水平仪；所述驱动马达驱动电动升降台；所述调节螺柱用于调节陀螺悬挂点处于水平状态；所述角螺旋底座用于调节可控陀螺悬挂系统升降支架的升降台面处于水平状态。2.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置，其特征在于，所述可控陀螺悬挂系统升降支架外设置有透明玻璃罩。3.根据权利要求1所述的一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置，其特征在于，当陀螺灵敏部基准镜到接收板距离为1米，静平衡测试精度优于1微米时，可编程工业相机分辨率不低于500万像素、拍摄速率不低于4帧。4.一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置，以陀螺悬挂系统灵敏部的基准镜作为特征点反射镜，通过激光发射器连续发射激光束到特征点反射镜上，反射镜将发射激光反射到接收板上，由工业相机连续拍摄反射的激光信号，并通过图像处理模块同步处理，采用质心跟踪算法获得在连续时刻陀螺悬挂系统特征点的中心位置信息(xt,yt)，以陀螺摆动起始时刻开...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓光，苏广利，张学庄，王爱公，戴吾蛟，易重海，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43