双轴倾角传感器输入轴不对准误差校正方法技术

本发明专利技术涉及一种双轴倾角传感器输入轴不对准误差校正方法，属于误差校正技术领域。采用的三维转台在Z

Misalignment correction method for input axis misalignment of biaxial tilt sensor

The invention relates to an error correction method for misalignment of an input shaft of a biaxial inclination angle sensor, belonging to the technical field of error correction. The 3D turntable is adopted in Z

【技术实现步骤摘要】
双轴倾角传感器输入轴不对准误差校正方法
本专利技术涉及误差校正
，特别涉及一种双轴倾角传感器输入轴不对准误差校正方法，是一种针对双轴倾角传感器输入轴不对准导致水平倾角测量误差的校正方法。
技术介绍
双轴倾角传感器是一种用于测量物体相对水平面倾斜角度的测量设备。从传统的水泡式水平仪，到当前的基于加速度或液体电容的双轴倾角传感器，已经发展非常成熟，应用领域也逐渐广泛和专业，获取更高的测量精度一直是该领域研究中不变的目标。输入轴不对准误差是指双轴倾角传感器的敏感轴与被测倾斜轴不重合，导致双轴倾角传感器的倾角测量值与实际被测角不同，该误差呈正弦变化，是目前双轴倾角传感器测量精度下降的主要原因之一。输入轴不对准误差在两个方面影响双轴倾角传感器的测量精度：一方面，双轴倾角传感器出厂前，应该要求双轴倾角传感器的两个敏感轴正交，且分别与传感器封装外壳的对应边沿平行，但实际制造过程中，两个敏感轴未必完全正交，同时敏感轴与对应外壳边沿通常会存在一定的偏差，此偏差如果不能被校正，则将直接影响双轴倾角传感器的测量角度输出精度；另一方面，用户在对双轴倾角传感器的安装过程中，理论上要求被测的倾斜轴要与双轴倾角传感器的封装外壳指定边沿(即敏感轴方向)重合或平行，但实际安装过程中很难达到精密的安装，导致输入轴不对准误差出现。仿真实验表明当被测倾角为10°，输入轴不对准角为1′时，水平倾角测量误差为0.003°，而高精度双轴倾角传感器的理论精度即可达到0.003°，可见此误差对于高精度双轴倾角传感器而言是不容忽视的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双轴倾角传感器输入轴不对准误差校正方法，解决了现有技术存在的上述问题。双轴倾角传感器在出厂前、装配完成后，利用精密的三维转台以及本专利技术提出的输入轴不对准误差校正方法实现误差的校正，可以减小甚至消除输入轴不对准误差，直接提高双轴倾角传感器的精度指标。首先需要将一精密三维转台平稳放置于水平地面，并调节转台基座及台面至水平，将已经装配完成的双轴倾角传感器按外壳指定边沿方向固定于精密三维转台之上。然后转动三维转台至双轴倾角传感器量程之内的任意角度，读取三维转台方位轴和俯仰轴的转动角度，根据此角度即可获得双轴倾角传感器外壳边沿矢量相对于水平坐标系的过渡矩阵。同时读取双轴倾角传感器两敏感轴测量的倾角角度，便可根据算法计算双轴倾角传感器两敏感轴与其相对应封装外壳边沿的夹角，即输入轴不对准角。最后，利用输入轴不对准角建立双轴倾角传感器敏感轴与真实测量轴之间的角度变换函数，将此函数作为双轴倾角传感器的数据校正函数，将每次敏感轴的倾角测量结果带入此函数，输出即为传感器外壳边沿方向的精确倾角结果。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：双轴倾角传感器输入轴不对准误差校正方法，使用的三维转台在ZB轴和XB轴上安装有驱动电机，驱动载体平面分别绕ZB轴和XB轴旋转，对应的旋转角分别为方位角Azi、俯仰角Ele，这两个角度通过转轴上安装的光电码盘精确测量；通过驱动三维转台的旋转，使载体平面相对于水平面任意倾角放置；具体步骤如下：步骤(1)：调节三维转台的基座至水平，驱动三维转台的载体平面转动至水平位置，将双轴倾角传感器精确安装在三维转台的载体平面上；双轴倾角传感器封装外壳边沿的XP轴与载体平面的转动轴XB轴夹角α，引入此夹角的目的是尽量使双轴倾角传感器X方向和Y方向的测量角度接近，避免两个轴校正结果不均匀的问题，因此α角度应设置为45°；安装的夹角α应保证精确可测，此角度的精确度将直接影响最终输入轴不对准误差的校正精度，因此需要事先在三维转台的载体平面上设置定位孔或定位卡槽以保证夹角α安装位置的准确性；另外需要注意在安装过程中要确保载体平面光滑平整，将双轴倾角传感器紧密贴合在载体平面上，避免其他误差引入此校正过程；步骤(2)：驱动三维转台的载体平面分别绕XB轴和ZB轴旋转，在双轴倾角传感器的量程之内任意角度，通过三维转台的光电码盘精确测量载体平面的方位角Azi及俯仰角Ele，同时对双轴倾角传感器两个敏感轴XT和YT的倾角测量数据进行记录，XT轴测得倾角为ρ’，YT轴测得倾角为τ’；步骤(3)：利用步骤(2)中的测量数据，计算双轴倾角传感器的两个敏感轴XT和YT与对应封装外壳的边沿矢量XP和YP之间的输入轴不对准角ωx和ωy；步骤(4)：利用步骤(3)获取的双轴倾角传感器的输入轴不对准角ωx和ωy，推导双轴倾角传感器输入轴不对准误差的校正函数；在双轴倾角传感器实际使用时，可以得到其敏感轴XT和YT的倾角测量值ρ’、τ’，而输入轴不对准误差的校正函数就是根据ρ’、τ’、ωx、ωy求取封装外壳的边沿矢量与水平面之间的倾角ρ、τ；步骤(3)所述的计算双轴倾角传感器的两个敏感轴XT和YT与对应封装外壳的边沿矢量XP和YP之间的输入轴不对准角ωx和ωy，计算方法如下：3.1、定义一个本地水平坐标系H与初始水平状态的载体平面坐标系B重合，利用载体平面的方位角Azi及俯仰角Ele求取载体坐标系B与水平坐标系H之间的过渡矩阵如式(1)：3.2、根据双轴倾角传感器封装外壳边沿XP轴与载体平面的转动轴XB轴的夹角α，可以获得双轴倾角传感器封装外壳坐标系P与载体坐标系B之间的过渡矩阵从而计算双轴倾角传感器封装外壳坐标系P与水平坐标系H之间的过渡矩阵如式(2)：而双轴倾角传感器的敏感轴XT在封装外壳坐标系P中的单位矢量可用下式表示：因此，双轴倾角传感器的敏感轴XT在水平坐标系H中的单位矢量的计算方法如下：为了便于表述，在此设过渡矩阵为：其中，a11～a33均为已知常数，则矢量可表示为：单位矢量和水平面之间夹角与双轴倾角传感器敏感轴XT轴测得倾角ρ’理论上为同一个角度，因此可得下式：由于式(7)中除ωx以外的所有参数均为已知量，最后通过解非线性方程式(7)，即能够求得敏感轴XT与对应封装外壳的边沿矢量XP的输入轴不对准角ωx；同理通过解非线性方程式(8)，可以求得敏感轴YT与对应封装外壳的边沿矢量YP的输入轴不对准角ωy。步骤(4)所述的推导双轴倾角传感器输入轴不对准误差的校正函数，具体推导过程如下：XP、YP分别为封装外壳坐标系P的坐标轴，则XP、YP与水平面的夹角分别为ρ、τ；X’P和Y’P分别为XP、YP在水平面的投影；XT、YT分别为双轴倾角传感器的两个敏感轴，其倾角测量值分别为ρ’、τ’；令X’P＝(1,0,0)T为水平坐标系的X轴单位矢量，设X’P与Y’P的夹角为θ，则可得双轴倾角传感器的封装外壳边沿在水平坐标系中的单位矢量如式(9)(10)所示：根据双轴倾角传感器XT轴单位矢量与之间的几何关系可得：由于单位矢量和水平面的夹角与双轴倾角传感器敏感轴XT轴测得倾角ρ’相同，可得：sinρ'＝cosωxsinρ+sinωxsinτ(12)同理，根据双轴倾角传感器YT轴单位矢量与之间的几何关系可得：sinτ'＝cosωysinτ-sinωysinρ(13)式(12)(13)可构成二元一次方程组，解方程组可得双轴倾角传感器封装外壳边沿矢量所对应的真实水平倾角ρ、τ：式(14)为双轴倾角传感器输入轴不对准角的校正函数，双轴倾角传感器出厂前将此函数作为输出数据的优化函数，即敏感轴测得水平倾角数据后，通过此校正函数进行结果的输出，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双轴倾角传感器输入轴不对准误差校正方法，其特征在于：采用的三维转台在Z

【技术特征摘要】
1.一种双轴倾角传感器输入轴不对准误差校正方法，其特征在于：采用的三维转台在ZB轴和XB轴上安装有驱动电机，驱动载体平面分别绕ZB轴和XB轴旋转，对应的旋转角分别为方位角Azi、俯仰角Ele，这两个角度通过转轴上安装的光电码盘精确测量；通过驱动三维转台的旋转，使载体平面相对于水平面任意倾角放置；具体步骤如下：步骤(1)：调节三维转台的基座至水平，驱动三维转台的载体平面转动至水平位置，将双轴倾角传感器精确安装在三维转台的载体平面上；双轴倾角传感器封装外壳边沿的XP轴与载体平面的转动轴XB轴夹角α为45°；在三维转台的载体平面上设置定位孔或定位卡槽以保证夹角α安装位置的准确性；在安装过程中要确保载体平面光滑平整，将双轴倾角传感器紧密贴合在载体平面上，避免其他误差引入此校正过程；步骤(2)：驱动三维转台的载体平面分别绕XB轴和ZB轴旋转，在双轴倾角传感器的量程之内任意角度，通过三维转台的光电码盘精确测量载体平面的方位角Azi及俯仰角Ele，同时对双轴倾角传感器两个敏感轴XT和YT的倾角测量数据进行记录，XT轴测得倾角为ρ’，YT轴测得倾角为τ’；步骤(3)：利用步骤(2)中的测量数据，计算双轴倾角传感器的两个敏感轴XT和YT与对应封装外壳的边沿矢量XP和YP之间的输入轴不对准角ωx和ωy；步骤(4)：利用步骤(3)获取的双轴倾角传感器的输入轴不对准角ωx和ωy，推导双轴倾角传感器输入轴不对准误差的校正函数；在双轴倾角传感器实际使用时，可以得到其敏感轴XT和YT的倾角测量值ρ’、τ’，而输入轴不对准误差的校正函数就是根据ρ’、τ’、ωx、ωy求取封装外壳的边沿矢量与水平面之间的倾角ρ、τ。2.根据权利要求1所述的双轴倾角传感器输入轴不对准误差校正方法，其特征在于：步骤(3)所述的计算双轴倾角传感器的两个敏感轴XT和YT与对应封装外壳的边沿矢量XP和YP之间的输入轴不对准角ωx和ωy，计算方法如下：3.1、定义一个本地水平坐标系H与初始水平状态的载体平面坐标系B重合，利用载体平面的方位角Azi及俯仰角Ele求取载体坐标系B与水平坐标系H之间的过渡矩阵如式(1)：3.2、根据双轴倾角传感器封装外壳边沿XP轴与载体平面的转动轴XB轴的夹角α，可以获得双轴倾角传感器封装外壳坐标系P与载体坐标系B之间的过渡矩阵从而计算双轴倾角传感器封装外壳坐标系P与水平坐标系H之间的过渡矩阵如式(2)：而双轴倾角传感器的敏感轴XT在封装外壳坐标系P中的单位矢量可用下式表示：因此，双轴倾角传感器的敏感轴XT在水平坐标系H中的单位矢量的计算方法如下：为了便于表述，在此设过渡矩阵为：其中，a11～a33均为已知常数，则单位矢量可表示为：单位矢量和水平面之间夹角与双...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴量，程超，胡黄水，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22