CN104316081A - 基于激光陀螺的转台分度误差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，包括以下步骤：（1）激光陀螺与被检转台二者轴线基本平行，脉冲记录装置定时记录激光陀螺输出脉冲增量；（2）转台由零位正转整数周、静止、反转相同整数周回到零位静止，截取所记录数据中分别包含了正转、反转过程的2段长度相等的数据，各自累加得到、；（3）转台由零位正转到待测角度、静止、反转回到零位静止，截取分别包含了正转、反转过程的2段长度相等的数据，各自累加得到、；（4）根据步骤（2）、（3）结果得到待测角度

Description

基于激光陀螺的转台分度误差检测方法

技术领域

本发明涉及一种转台分度误差的检测方法，特别涉及一种采用激光陀螺对转台分度误差进行检测的方法。

背景技术

精密转台是航空、航天、航海、计量等领域不可缺少的重要设备，常用作惯性系统或惯性仪表等精密仪器的性能测试、误差标定、仿真研究和工作平台，其分度精度直接影响系统或仪表的精度。在工业生产中，转台或回转轴是多轴数控机床不可或缺的关键性部件，对机床加工精度影响巨大。因此，转台角位置精度测量是精密转台研制、生产和使用中一项必不可少的工作。同时，对于一些绝对角位置精度较低而重复性较高的转台(例如，内部集成了角度编码器、轴承的一体化电机与工作台面构成的低成本转台)，通过分度误差检测和误差补偿的方法可以有效地提高转台的精度，以较低的成本达到较高的精度要求。

对转台角位置检测精度要求较高时，通常采用光电自准直仪(或激光干涉仪)与多面棱体配合，光电自准直仪(或激光干涉仪)与反射镜、多齿分度台配合进行检测。这些方法往往存在系统复杂、安装调整困难、对测试环境要求较高等缺点，且只能标校由多面棱体或多齿分度台确定的固定角度。

因此，寻找可对转台任意角位置进行检测、检测精度高、操作简单、适用范围广的转台分度误差检测方法是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种可检测转台任意角位置、检测精度高、操作简单、适用范围广的基于激光陀螺的转台分度误差检测方法。

为实现本发明而采用的技术解决方案是：一种基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，包括下述步骤：

(1)将激光陀螺安装到被检转台上，使激光陀螺敏感轴与转台回转轴线基本平行，激光陀螺工作，每1/N_s秒记录一次激光陀螺输出脉冲增量；

(2)转台由零位正向转动M整周，截取所记录数据中的连续K点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N₀₊，截取的K点数据包含转台正转期间和正转前、后各K2、K1、K3点数据；

转台反向转动M整周回到零位，截取所记录数据中的连续K点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_0-，截取的K点数据包含转台反转期间和反转前、后各K5、K4、K6点数据；

其中K1～K6、K取值满足：截取的K点数据的起始点与结束点均对应转台静止状态；K1+K2+K3＝K4+K5+K6＝K；

(3)转台由零位正向转动到待测角度θ_i，截取所记录数据中的连续K’点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_i+，截取的K’点数据包含转台正转期间和正转前、后各K2’、K1’、K3’点数据；

转台反向转动角度θ_i回到零位，截取所记录数据中的连续K’点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_i-，截取的K’点数据包含转台反转期间和反转前、后各K5’、K4’、K6’点数据；

其中K1’～K6’、K’取值满足：截取的K’点数据的起始点与结束点均对应转台静止状态；K1’+K2’+K3’＝K4’+K5’+K6’＝K’；

(4)根据下式计算被检转台角位置θ_i处的分度误差为：

Δθ_i＝360·M·(N_i+-N_i-)(N₀₊-N_0-)-θ_i(°)。

本发明还可以包括步骤(5)：改变待测角度θ_i，重复步骤(3)～(4)，直至转台所有待测角度检测完毕。

作为进一步的改进，激光陀螺敏感轴与转台回转轴线二者夹角小于1^°。

本发明可以采用脉冲记录装置记录激光陀螺输出脉冲增量，被检转台工作于角位置模式。

在上述方法中，转台由零位正向转动到某个待测角度以及由该位置反向回到零位的时间相等或接近。

作为优选，转台角速率为10～100°/s。优选采用零偏稳定性优于0.01°/h的激光陀螺。优选N_s为1～10的整数，M为＞1的整数。

作为优选，取值上使K1和K6相接近，K3和K4相接近，K1’和K6’相接近，K3’和K4’相接近。

本发明的优点在于：

(1)原理简单，检测精度高；

(2)检测系统组成简单，激光陀螺安装到转台台面时基本无需进行调整；

(3)可对转台任意角位置进行检测；

(4)检测时转台台面可倾斜成实际工作状态，不需要处于水平或垂直位置；

(5)适用范围广，采用本发明进行转台分度误差检测时，只要求被检转台基座处于静止状态，因而不仅可用于实验室环境下转台的检测，也可用于外场和生产现场条件下转台的检测。

附图说明

图1为本发明的检测装置示意图；

图2为本发明的激光陀螺输入角速度示意图；

图3为本发明的激光陀螺输出脉冲增量记录数据示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，将激光陀螺1安装到被检转台2台面上，激光陀螺敏感轴b与转台回转轴线a基本平行，二者夹角γ小于1°。通常，由转台台面平整度和激光陀螺安装面加工精度即可保证γ远小于1°，因而安装时一般无需进行调整。激光陀螺无需安装在转台台面中心，但推荐安装在台面中心附近以减少因负载引起的转台形变。对于本发明所述激光陀螺1，优选零偏稳定性优于0.01°/h的激光陀螺以提高转台分度误差检测精度。脉冲记录装置3与激光陀螺1之间的电气连接4可通过转台滑环转接，也可直接相连。

激光陀螺工作，预热30分钟，脉冲记录装置3每1/N_s秒记录一次激光陀螺输出脉冲增量，即每秒记录N_s点数据。N_s为大于等于1的整数，可优选为1～10。

被检转台上电，工作于角位置模式，并置零位。对于本发明，在转台由零位正向转动到某个待测角度过程中所设置的角速率、角加速率等参数与转台由待测位置反向回到零位所设置的参数相同，以保证正反转的时间接近。但对于不同的待测角度，转台角速率设定值既可以保持不变，也可以根据待测角度大小相应变化。推荐转台角速率为10～100°/s，且在大转动角度时采用较高的角速率，以减少总的测试时间以及激光陀螺漂移的影响。

如图2所示，激光陀螺输入角速度包括转台转动角速度ω和地球自转角速度Ω。其中地球自转角速度Ω可分解为平行和垂直于转台回转轴线a的分量Ω₁、Ω₂，且

激光陀螺输出脉冲频率可表示为：

式(1)中，S为激光陀螺标度因数。激光陀螺在很宽的角速度范围内具有优良的标度因数是采用本发明所述方法进行转台高精度分度误差检测的基础。

式(1)中，B₀为激光陀螺零偏，为激光陀螺敏感轴在转台台面内的投影与Ω₂的夹角，随转台角位置变化。

脉冲记录装置3每1/N_s秒记录一次激光陀螺输出脉冲增量，该增量等于式(1)在该时间间隔内的积分。图3所示为初始处于零位静止的转台正向转动角度θ、静止、反向转动角度θ回到零位静止整个过程中脉冲记录装置3记录的激光陀螺输出脉冲增量示意图。图中转台正反转期间分别记录了K2、K5点数据，K2与K5接近但不一定相等。

截取[t_a,t_a+ΔT]及[t_b,t_b+ΔT]期间各连续K点数据用于处理(ΔT＝K/N_s)。时间段[t_a,t_a+ΔT]的起始点与结束点均对应转台静止状态，包含了正转期间和正转前、后各K2、K1、K3点数据，亦即完整地包含了正向转动过程；时间段[t_b,t_b+ΔT]的起始点与结束点均对应转台静止状态，包含了反转期间和反转前、后各K5、K4、K6点数据，亦即完整地包含了反向转动过程。

所述K1～K6、K取值只要满足以下条件均可：(a)截取的K点数据的起始点与结束点均对应转台静止状态，亦即完整地包含了正向转动或反向转动过程；(b)K1+K2+K3＝K4+K5+K6＝K；

由于转台转过不同的角度所需要的时间不一定相同，因此K2、K5并不是一个固定的值，相应地K的数值也并不固定。适当减少K值可以减少总的检测时间。

一种优选的数据截取方案为：在保证截取的K点数据满足所述条件(a)、(b)的前提下，使K1、K6接近，K3、K4接近。

数据截取过程可以使用计算机程序自动完成。

累加[t_a,t_a+ΔT]期间K点数据得到该时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N₊，N₊满足：

累加[t_b,t_b+ΔT]期间K点数据得到该时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_-，N_-满足：：

由式(2)、(3)得到：

N₊-N_-＝2Sθcos(γ)   (4)

式(4)忽略了转台正反转过程中，地球自转角速度分量Ω₂sin(γ)引起的陀螺输出残差。Ω₂sin(γ)本身很小，且其影响因转台正反转而基本抵消。由式(4)可见N₊-N_-与激光陀螺零偏B₀无关。

类似地，使初始处于零位静止的转台正向转动M(M≥1)整周、静止、反向转动M整周回到零位静止，累加完整包含转台正转的连续K点数据得到N₀₊，累加完整包含转台反转的连续K点数据得到N_0-，则有：

N₀₊-N_0-＝2S·360·Mcos(γ)    (7)

由式(6)、(7)有：

θ＝360·M·(N₊-N_-)/(N₀₊-N_0-)(°)    (8)

式(8)中，角度θ的测量值与激光陀螺标度因数S以及轴线夹角γ的绝对值无关，因而不需要对激光陀螺标度因数S进行测量，而且在安装激光陀螺时也无需进行复杂的调整。同时，角度θ的测量值与激光陀螺零偏B₀绝对值无关。这些特点提高了上述方法的检测精度和适用范围。

根据以上原理，本发明基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，它包括以下步骤：

(1)将激光陀螺1安装到被检转台2台面上，激光陀螺敏感轴与转台回转轴线基本平行，二者夹角小于1°。激光陀螺1工作，预热30分钟，脉冲记录装置3每1/N_s秒记录一次激光陀螺输出脉冲增量，每秒记录N_s点数据(N_s为大于等于1的整数)。被检转台上电，工作于角位置模式，并置零位。

(2)转台由零位正向转动M(M≥1)整周，截取脉冲记录装置所记录数据中的连续K点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N₀₊，截取的K点数据包含了转台正转期间和正转前、后各K2、K1、K3点数据。

转台反向转动M整周回到零位，截取脉冲记录装置所记录数据中的连续K点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_0-，截取的K点数据包含了转台反转期间和反转前、后各K5、K4、K6点数据。

本步骤所述K1～K6、K取值满足：(a)截取的K点数据的起始点与结束点均对应转台静止状态，亦即完整地包含了正向转动或反向转动过程；(b)K1+K2+K3＝K4+K5+K6＝K。

(3)转台由零位正向转动到待测角度θ_i，截取脉冲记录装置所记录数据中的连续K点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_i+，截取的K点数据包含了转台正转期间和正转前、后各K2、K1、K3点数据。

转台反向转动角度θ_i回到零位，截取脉冲记录装置所记录数据中的连续K点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_i-，截取的K点数据包含了转台反转期间和反转前、后各K5、K4、K6点数据。

本步骤所述K1～K6、K取值满足：(a)截取的K点数据的起始点与结束点均对应转台静止状态，亦即完整地包含了正向转动或反向转动过程；(b)K1+K2+K3＝K4+K5+K6＝K。

本步骤所述K1～K6、K与步骤(2)所述K1～K6、K可以不同。

本步骤所述角度θ_i可以为0～360°范围内的任意角度。

(4)根据公式计算被检转台角位置θ_i处的分度误差为：

Δθ_i＝360·M·(N_i+-N_i-)/(N₀₊-N_0-)-θ_i(°)

(5)改变待测角度θ_i，重复步骤(3)～(4)，直至转台所有待测角度检测完毕。

采用本发明所述方法进行转台分度误差检测时，检测精度主要受激光陀螺标度因数、零偏稳定性、转台位置重复性影响。为进一步提高转台分度误差检测精度，可以采取以下的一项或所有改进措施：

a)在所述步骤(2)中，选取M>1；

b)对同一个待测角度重复所述步骤(3)～(4)进行多次测量，最后对结果取平均值得到该待测角度的分度误差；

c)当测量多个角度导致所述步骤(3)与步骤(2)之间的时间间隔较长时，则可以再次执行所述步骤(2)更新N₀₊、N_0-以减少激光陀螺标度因数S变化引入的误差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。例如，对于激光陀螺单轴或双轴旋转惯性导航系统，可利用导航系统内部自带的激光陀螺并采用本发明所述步骤(2)～(5)对导航系统内部的转台进行分度误差检测和补偿。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，包括下述步骤：

(1)将激光陀螺安装到被检转台上，使激光陀螺敏感轴与转台回转轴线基本平行，激光陀螺工作，每1/N_s秒记录一次激光陀螺输出脉冲增量；

(2)转台由零位正向转动M整周，截取所记录数据中的连续K点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N₀₊，截取的K点数据包含转台正转期间和正转前、后各K2、K1、K3点数据；

转台反向转动M整周回到零位，截取所记录数据中的连续K点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_0-，截取的K点数据包含转台反转期间和反转前、后各K5、K4、K6点数据；

其中K1～K6、K取值满足：截取的K点数据的起始点与结束点均对应转台静止状态；K1+K2+K3＝K4+K5+K6＝K；

(3)转台由零位正向转动到待测角度θ_i，截取所记录数据中的连续K’点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_i+，截取的K’点数据包含转台正转期间和正转前、后各K2’、K1’、K3’点数据；

转台反向转动角度θ_i回到零位，截取所记录数据中的连续K’点数据并累加得到该段数据所属时间间隔内激光陀螺总输出脉冲数N_i-，截取的K’点数据包含转台反转期间和反转前、后各K5’、K4’、K6’点数据；

其中K1’～K6’、K’取值满足：截取的K’点数据的起始点与结束点均对应转台静止状态；K1’+K2’+K3’＝K4’+K5’+K6’＝K’；

(4)根据下式计算被检转台角位置θ_i处的分度误差为：

Δθ_i＝360·M·(N_i+-N_i-)/(N₀₊-N_0-)-θ_i(°)。

2.根据权利要求1所述的基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，其特征在于还包括步骤(5)：改变待测角度θ_i，重复步骤(3)～(4)，直至转台所有待测角度检测完毕。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，其特征在于激光陀螺敏感轴与转台回转轴线二者夹角小于1°。

4.根据权利要求1所述的基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，其特征在于采用脉冲记录装置记录激光陀螺输出脉冲增量，被检转台工作于角位置模式。

5.根据权利要求1或4所述的基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，其特征在于转台由零位正向转动到某个待测角度以及由该位置反向回到零位的时间相等或接近。

6.根据权利要求5所述的基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，其特征在于转台角速率为10～100°/s。

7.根据权利要求1所述的基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，其特征在于采用零偏稳定性优于0.01°/h的激光陀螺。

8.根据权利要求1、2或4所述的基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，其特征在于N_s为1～10的整数，M为＞1的整数。

9.根据权利要求1、2或4所述的基于激光陀螺的转台分度误差检测方法，其特征在于取值上使K1和K6相接近，K3和K4相接近，K1’和K6’相接近，K3’和K4’相接近。