基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法，包括：首先将固定于卡具内的激光陀螺测角仪装卡于多自由度转台工作台面上，激光陀螺测角仪上电预热、利用方位轴进行激光陀螺测角仪的刻度系数标定和偏置标定。其次分别建立方位轴投影坐标系和俯仰轴投影坐标系。然后，方位轴分别在不同的等间隔分布的角度位置下，俯仰轴分别以恒定角速度逆时针和顺时针旋转360

【技术实现步骤摘要】
基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法


[0001]本专利技术涉及多轴转台轴线垂直度的检测
，具体涉及一种基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法。

技术介绍

[0002]多轴转台作为空间角度发生装置，可以模拟姿态角运动，对飞行器的惯性导航器件、姿态敏感器进行测试与校准；也可以仿真复现飞行器的动力学特性，对飞行器的控制系统、制导系统进行测试；还可以搭载光学成像系统，对各类飞行器进行跟踪与姿态测量。多轴转台的轴系在空间互相垂直并相交，以框架式结构相联，可建立精确的坐标系，利用角位置定位模式可方便地实现各种指向。
[0003]垂直度误差是精密轴系相互位置度的重要技术指标。通常检测方法有五种。一是基于光电自准直仪的双平面反射镜翻转法，被测轴需要空心轴通孔设计保证光路不被遮挡，在被测轴上双平面反射镜，通过调整镜面与被测轴的轴线垂直，利用固定轴旋转180
°
后的光电自准直仪的示值读数变化计算垂直度误差。该方法原理清晰，检测精度高(垂直度误差检测精度优于0.1
″
)，但现场检测需要拆开转台部件，安装双平面反射镜，架设光电自准直仪，操作繁琐，仅能测量台体内框/中框，中框/外框的轴线垂直度，对内框/外框的轴线垂直度无法直接进行检测，不适合出厂后的转台检测。二是基于电子水平仪法，通过姿态转换矩阵推导出坐标系之间的位姿关系进而得到垂直度误差。该方法适合出厂后检测，检测精度适中(垂直度误差检测精度优于5
″
)，但是在姿态转换矩阵和位姿坐标系建模以及数据处理等过程较复杂，且由于转台轴系安装误差的存在，在实际测试过程中难免产生振动，导致参考轴系不重合，极易引入误差。三是基于CCD相机多基站网络检测方法，通过采集图像进行数据处理进而得出垂直度误差。该方法适用于智能化检测，操作繁琐，检测精度适中(垂直度误差检测精度优于0.01
°
)，但是测试过程需要对CCD相机进行标定引入标定误差，由于相机分辨率的限制，检测精度较低。四是基于三坐标测量机的检测方法，采用三坐标测量机对被测轴进行面片扫描方式，通过输入起始点、方向点和起始矢量定义截平面矢量，找到圆柱面内每次从起始点扫描到终止点的最高点坐标，其平均值作为垂直度误差。该方法检测精度高(垂直度误差检测精度优于0.5
″
)，但只适合实验室小型多轴转台的检测。五是基于激光陀螺捷联惯导的检测方法，通过采集多轴转台自身角姿态输出和激光陀螺捷联惯导的姿态测量信息，利用固联刚体旋转矢量增量不受测量点影响的原理完成多轴转台轴线垂直度的检测，该方法理论上检测精度高、操作方便，但是激光陀螺仪捷联惯导中陀螺仪的三个轴系本身存在垂直度误差，且需要另外一台高精度多轴转台对其进行标定，导致高精度检测(垂直度误差检测精度优于3
″
)实现难度大，且激光陀螺捷联惯导体积大、成本高，尚未成为实际检测方法。
[0004]综上所述，上述检测方法中基于光电自准直仪的平面反射镜翻转法和基于三坐标测量机的检测方法检测精度高，但是只适用于转台出厂前的检测，出厂后的转台任意两轴线垂直度进行高精度、易操作、在线检测一直是本领域技术人员极为关注的技术问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种可检测转台任意两轴线垂直度、检测精度高、操作简单、适用于出厂前、后的(尤其适用于轴系无通孔的多轴转台)在线检测方法，即一种基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法。本专利技术结合多轴转台自身角姿态输出和单轴激光陀螺测角仪的角度测量信息，利用单轴激光陀螺测角仪的敏感轴不变原理和坐标系变换投影方法完成多轴转台轴线垂直度的检测。
[0006]本专利技术以多轴转台的方位轴和俯仰轴之间的垂直度误差检测进行说明，多轴转台的任意轴线间的垂直度误差检测均与此检测方法相同。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]S1:将安装在卡具内的单轴激光陀螺测角仪安装在多轴转台的工作台面上(多轴转台的工作台面通常与单轴激光陀螺测角仪的方位轴垂直)，建立单轴激光陀螺测角仪在多轴转台上方位轴的投影坐标系O
‑
X1Y1Z1和俯仰轴的投影坐标系O
‑
X2Y2Z2，两个坐标系的原点O1和O2为单轴激光陀螺测角仪的回转中心线上任意一点，且两原点重合为O点。
[0009]其中，方位轴的投影坐标系O
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X1Y1Z1和俯仰轴的投影坐标系O
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X2Y2Z2的建立步骤如下：方位轴的回转轴线为OZ1轴，按右手螺旋定则，方位轴逆时针旋转的角速度方向为正方向。俯仰轴的回转轴线为OX2轴，按右手螺旋定则，俯仰轴逆时针旋转的角速度方向为正方向。OX1轴在X2OZ1平面内，且与OX2轴指向相同，并与OX2轴有一个θ夹角，θ角度即为垂直度误差角度。O1Y1轴垂直于OX1轴和OZ1轴组成的X1OZ1平面，正方向按右手螺旋定则确定。OY2轴与OY1轴重合，指向相同。OZ2轴垂直于OX2轴和OY2轴组成的X2OY2平面，正方向按右手螺旋定则确定，OZ2轴X2OZ1平面内，且与OZ1指向相同，并与OZ1轴有一个θ夹角。
[0010]其它待求解角度如下：单轴激光陀螺测角仪的敏感轴与O1Z1的失准角为敏感轴在X1O1Y1平面内的投影与O1X1的夹角为γ，简称敏感轴的投影角。
[0011]S2：对单轴激光陀螺测角仪进行上电、预热30分钟，标定刻度系数K和偏置B。
[0012]其中，刻度系数K的标定步骤如下：单轴激光陀螺测角仪进行脉冲计数，转动前计数时间为t1(20＜t1＜30)秒，方位轴以角速度30
°
/s逆时针旋转360
°
(2π)后停止，记录单轴激光陀螺测角仪在运动过程中输出的脉冲数的和为转动后停止时间为t2(20＜t2＜30)秒，方位轴以角速度30
°
/s顺时针旋转360
°
(2π)后停止，转动后停止时间为t3(20＜t3＜30)秒。记录单轴激光陀螺测角仪在运动过程中输出的脉冲数的和为进行刻度系数标定，刻度系数K的标定公式如下：
[0013][0014]式中，表示失准角。
[0015]其中，偏置B的标定步骤如下：单轴激光陀螺测角仪在安装的多轴转台的工作台面上静置t分钟，当单轴激光陀螺测角仪输出的脉冲数的最大变化量小于2个脉冲数时，记录单轴激光陀螺测角仪输出的脉冲数N
i
，计算脉冲数平均值，完成偏置B标定，偏置B的标定公式如下：
[0016][0017]式中，i和n为大于等于1的整数，i的取值范围是1到n。
[0018]S3：方位轴与俯仰轴分别旋转，记录单轴激光陀螺测角仪输出的脉冲数，完成第一位置、第二位置、第三位置、第四位置的标定，确定单轴激光陀螺测角仪的敏感轴所在象限。
[0019]其中，方位轴与俯仰轴分别旋转，记录单轴激光陀螺测角仪输出的脉冲数，完成第一位置、第二位置、第三位置、第四位置的标定步骤如下：方位轴处于零位或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1:将安装在卡具内的单轴激光陀螺测角仪安装在多轴转台的工作台面上，建立所述单轴激光陀螺测角仪在多轴转台上的方位轴的投影坐标系O
‑
X1Y1Z1和俯仰轴的投影坐标系O
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X2Y2Z2，两个坐标系的原点O1和O2为所述单轴激光陀螺测角仪的回转中心线上任意一点，且两原点重合为O点；S2:对所述单轴激光陀螺测角仪进行上电、预热30分钟，标定刻度系数K和偏置B；S3:所述方位轴与所述俯仰轴分别旋转，记录所述单轴激光陀螺测角仪输出的脉冲数，完成第一位置、第二位置、第三位置、第四位置的标定，确定所述单轴激光陀螺测角仪的敏感轴所在象限；S4:所述方位轴处于第一位置和第三位置的时候，分别计算所述敏感轴在O2X2方向的投影角α1、α2，所述方位轴处于第二位置和第四位置的时候，分别计算所述敏感轴在O2Y2方向的投影角β1、β2；S5:建立所述敏感轴的垂直度θ、失准角和投影角γ的约束关系，求解所述垂直度θ、所述失准角和所述投影角γ，确定所述垂直度θ的方向。2.根据权利要求1所述的一种基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述方位轴的投影坐标系O
‑
X1Y1Z1和所述俯仰轴的投影坐标系O
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X2Y2Z2的建立步骤如下：所述方位轴的回转轴线为OZ1轴，按右手螺旋定则，所述方位轴逆时针旋转的角速度方向为正方向；所述俯仰轴的回转轴线为OX2轴，按右手螺旋定则，所述俯仰轴逆时针旋转的角速度方向为正方向；OX1轴在X2OZ1平面内，且与OX2轴指向相同，并与OX2轴有一个θ夹角，θ角度即为垂直度误差角度；O1Y1轴垂直于OX1轴和OZ1轴组成的X1OZ1平面，正方向按右手螺旋定则确定；OY2轴与OY1轴重合，指向相同；OZ2轴垂直于OX2轴和OY2轴组成的X2OY2平面，正方向按右手螺旋定则确定，OZ2轴X2OZ1平面内，且与OZ1指向相同，并与OZ1轴有一个θ夹角。3.根据权利要求1所述的一种基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述刻度系数K的标定步骤如下：所述单轴激光陀螺测角仪进行脉冲计数，转动前计数时间为t1秒，所述方位轴以角速度30
°
/s逆时针旋转360
°
后停止，记录所述单轴激光陀螺测角仪在运动过程中输出的脉冲数的和为转动后停止时间为t2秒，所述方位轴以角速度30
°
/s顺时针旋转360
°
后停止，转动后停止时间为t3秒；记录所述单轴激光陀螺测角仪在运动过程中输出的脉冲数的和为进行刻度系数标定，所述刻度系数K的标定公式如下：式中，2π表示360
°
，表示失准角。4.根据权利要求1所述的一种基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法，其特征在于，在步骤S2中，所述偏置B的标定步骤如下：所述单轴激光陀螺测角仪在安装的所述多轴转台的工作台面上静置t分钟，当所述单
轴激光陀螺测角仪输出的脉冲数的最大变化量小于2个脉冲数时，记录所述单轴激光陀螺测角仪输出的脉冲数N
i
，计算脉冲数平均值，完成所述偏置B的标定，所述偏置B的标定公式如下：式中，i和n为大于等于1的整数，i的取值范围是1到n。5.根据权利要求1所述的一种基于单轴激光陀螺测角仪的多轴转台垂直度误差检测方法，其特征在于，在步骤S3中，所述方位轴与所述俯仰轴分别旋转，记录所述单轴激光陀螺测角仪输出的脉冲数，完成第一位置、第二位置、第三位置、第四位置的标定，标定步骤如下：所述方位轴处于零位或者起始位置时，保持静止20秒，所述俯仰轴以角速度30
°
/s逆时针旋转360
°
后，保持静止20秒，记录所述单轴激光陀螺测角仪在运动过程中输出的脉冲数的和为所述俯仰轴以角速度30
°
/s顺时针旋转360
°
后，保持静止20秒，记录所述单轴激光陀螺测角仪在运动过程中输出的脉冲数的和为完成所述第一位置的标定；所述方位轴以90
°
为步长，顺时针旋转到90
°
位置后，所述方位轴静止20秒，所述俯仰轴以角速度30
°
/s逆时针旋转360
°
后，保持静止20秒，记录所述单轴激光陀螺测角...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹伟，黄垚，薛梓，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：