CN104655154A - 一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置及方法

技术领域

本发明属于测绘仪器技术领域，涉及一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试装置及方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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(x_t,y_t)，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：

$X=\frac{1}{2}\·\frac{L}{D}\·R$

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：

$x_t=\frac{\underset{(x,y)\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}x\·\mathrm{gray}(x,y)}{\underset{(x,y)\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{gray}(x,y)},x_t=\frac{\underset{(x,y)\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}y\·\mathrm{gray}(x,y)}{\underset{(x,y)\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{gray}(x,y)},$ 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A_m和平均抖动量采用以下公式计算获得：

$A_m=\underset{0<t<n}{\mathrm{Max}}(y_t-b\&CenterDot;x_t-a)$

$\stackrel{\&OverBar;}{A}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}|y_{t_i}-b\&CenterDot;x_{t_i}-a|$

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(x_t,y_t)；

陀螺摆动2周期后，启动陀螺马达，托起陀螺，并记录此时接收板上激光点坐标(X₀,Y₀)，结束测量。

静平衡残余量X的精度由R的测量精度决定，R是通过相机获取的数据，R的精度取决于相机分辨率和放大倍数，平行于陀螺转子自转轴水平残余量X测量精度σ_X为：

${\mathrm{\&sigma;}}_X=\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{L}{D}\&CenterDot;{\mathrm{\&sigma;}}_R$

其中， 表示工业相机测定误差，表示因平台调平误差所引起的反射激光点Y₀的测量误差，α₀表示可控陀螺悬挂系统升降支架平台上水平仪的标称精度，即平台调平误差。

有益效果

本发明提供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；陀螺悬挂系统静平衡残余量是影响高精度陀螺仪定向精度高的重要因素，精确测定陀螺悬挂系统静平衡残余量是降低静平衡残余提高陀螺仪定向精度的前提，因此陀螺悬挂系统静平衡测定装置将为探索采用新材料来提高陀螺仪定向精度及整体性能等提供高效的科学工具。

附图说明

图1为陀螺灵敏部结构静平衡状态对比图，其中，(a)为陀螺灵敏部静平衡示意图，(b)为陀螺灵敏部存在静平衡残差示意图；

图2为本发明所述装置的结构示意图；

图3为可控陀螺悬挂系统升降支架结构示意图；

图4为基于高倍视频激光图像的陀螺悬挂系统特征点运动轨迹质心跟踪原理图；

图5为所述工业相机采集到的图像序列；

图6为静平衡残余量计算原理示意图；

图7为陀螺灵敏部摆动轨迹散点图。

标号说明：1-陀螺悬挂系统，2-电动升降台，3-调节螺柱，4-驱动马达，5-角螺旋底座。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图2所示，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；

如图3所示，所述可控陀螺悬挂系统升降支架包括陀螺悬挂系统1、电动升降台2、驱动马达3、调节螺柱4、角螺旋底座5；

陀螺悬挂系统，即待调节静平衡状态的陀螺灵敏部；

电动升降台，用于托起和下放陀螺灵敏部；

调节螺柱，用于调整陀螺悬挂系统处于水平状态；

驱动马达，其作用是为升降台提供动力；

角螺旋底座，用于调平升降台，使升降台台面处于水平位置。

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。

(1)电动升降台2，其作用主要包括：一是提供高精度的升降位置控制，精度可达到1μ，二是在升降过程，其台面始终处于水平状态。本实施实例中采用日本IKO超高精度电动升降台(IKO-AT-TZ)。

(2)调节螺柱3，其作用是调节悬挂点处于水平状态，陀螺灵敏部下放后要求其悬挂点处于水平状态(借助条式水平仪，转动调节螺柱，使水平仪在相互垂直的两个方向上气泡始终居中)，以避免陀螺在摆动过程中与其它部件接触摩擦。本实施实例中调节螺柱由课题组自主设计，委托上海华翀机械厂加工。

(3)驱动马达4，其作用是为升降台提供动力。本实施实例中采用东方PMM33B—HG100五相步进马达，驱动器为东方CRD507—KD，细分后步进角为0.0072^。。

(4)角螺旋底座5的作用为调节升降台台面处于水平状态，是获得陀螺灵敏部静平衡状态的关键。角螺旋的目的是借助条式水平仪将升降台台面调整至水平位置，此时将陀螺灵敏部放置于台面之上，陀螺灵敏部竖轴垂直于台面处于完全竖直状态，记录激光经反射镜后点的位置(X₀，Y₀)。在静平衡状态良好的情况下，陀螺灵敏部自由悬挂时竖轴也应垂直于台面，激光反射点位置不变；含有静平衡残余量的陀螺，自由悬挂后由于重心偏移，其竖轴必定会倾斜，激光反射点位置改变。即在水平台面上获取反射激光点的位置(X₀，Y₀)是判定陀螺是否处于静平衡状态的重要依据。本实施实例中角螺旋底座由课题组自主设计，由上海华翀机械厂加工。

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。

在本实例中，所选用的可编程高分辨率工业相机、镜头及其支架具体参数如下：

(1)可编程高分辨相机，其作用为拍摄陀螺悬挂系统特征点反射激光点的运动轨迹。本实施实例中采用京杭科技公司提供的JHSM500工业相机，其最高分辨率为2592*1944，有效像素500万，镜头接口为CS，数据接口为USB2.0；且附有SDK开发包，支持二次开发。

(2)镜头，即可调焦显微镜头，其作用为放大陀螺运动轨迹。本实施实例中采用微林ML15-100-2显微镜头，物镜放大倍数:0.26X-4X，总放大倍率：30-150X，物方视野:2.4mm-36mm，工作距离:55mm-285mm。接口尺寸:(可选过渡接口 )

(3)相机支架，其作用是调节相机位置，使反射光路始终在视野范围内，使之可完整拍摄到反射激光光斑运动轨迹。本实施实例中该支架自主设计，委托深圳市奥斯微光学仪器有限公司生产，升降范围：240mm，中心距离：500mm，立柱直径：22mm，镜头直径：40mm。

激光发射器，其作用是连续发射激光至陀螺悬挂系统特征点。本实施实例中采用深圳市富喆科技有限公司生产的FU63511C10-BD22激光发射器，其为点状激光发射器，输出波长为635nm，发散角0.1-2mrad，工作温度：－10～50℃，光学透镜：光学镀膜玻璃透镜。

本实例中静平衡测试精度0.83微米，使用相机分辨率为500万像素，拍摄帧率为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(x_t,y_t)，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，特征点中心位置从图5中所述的工业相机采集到的图像序列中提取；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：

$X=\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{L}{D}\&CenterDot;R$

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；

静平衡残余量计算原理示意图，如图6所示；

图6中，O为悬挂点，O₁为理想静平衡状态下的陀螺灵敏部组合件中心，图中直线OO₁垂直于水准面，处于铅垂位置。此时激光A发射水平光线，经反射镜M反射，反射激光点会落在接收板P(X₀,Y₀)处。但是由于陀螺存在静平衡残余量，陀螺处于自由悬挂状态时，陀螺灵敏部中心轴线会发生微小的倾斜，即灵敏部组合件中心O₁′和悬挂点O的连线OO₁′和铅垂线方向会产生微小的夹角(这里用α表示)，陀螺灵敏部会产生静平衡残余量，即图中的x。由于反射镜和灵敏部是固定在一起的，因此反射镜也会和铅垂方向产生α大小的倾斜，即出现图中反射镜M′的状态；此时激光A发射水平光线，经反射镜M′反射后，反射光点落在接收板P1处。由几何关系可知：∠PM′P1＝2α。

R：由于静平衡残余量所引起的激光点在接收板上的变化量；

D：接收板到反射镜间的距离；

L：悬挂点到陀螺灵敏部质量中心的距离(以JT15陀螺为例，L＝0.119m)；

X：为陀螺灵敏部组合件中心到铅垂线的距离，即在x方向的静平衡残余量。

由几何关系可得如下关系：

$\frac{R}{D}=2\&CenterDot;\frac{X}{L}$

即：

$X=\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{L}{D}\&CenterDot;R$

说明：

(1)这里由于α很小，故可作如下近似：

sinα＝tanα＝α

(2)L为仪器固定参数，以JT15陀螺为例L＝0.119m。

(3)实验中，接收板到反射镜间的距离为1m，即D＝1m；由于α非常小，可认为PM＝PM’＝D＝1m。

从图5中所述的工业相机采集到的图像序列中提取的特征点特征点反射激光点轨迹图如图7所示中的散点，图中直线为根据轨迹点数据按最小二乘原理计算出的回归直线，直线的斜率为b，与Y轴截距即为a，与计算灵敏部静平衡残余量公式中a和b相同。另外从图7中可以看出轨迹点在逆转点(散点图两侧)附近数据稠密，在摆动中心附近数据稀疏，这与陀螺摆动过程中经过摆动中心时速度快，在逆转点附近摆动速度慢的逻辑完全相符。

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：

$x_t=\frac{\underset{(x,y)\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}x\&CenterDot;\mathrm{gray}(x,y)}{\underset{(x,y)\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{gray}(x,y)},x_t=\frac{\underset{(x,y)\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}y\&CenterDot;\mathrm{gray}(x,y)}{\underset{(x,y)\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{gray}(x,y)},$ 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A_m和平均抖动量采用以下公式计算获得：

$A_m=\underset{0<t<n}{\mathrm{Max}}(y_t-b\&CenterDot;x_t-a)$

$\stackrel{\&OverBar;}{A}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}|y_{t_i}-b\&CenterDot;x_{t_i}-a|$

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。

为了提高处理速度，压缩无用信息的处理量，通常只需要对目标所在的一小块区域进行处理，因此引入波门的概念。借助尺寸略大于目标的波门(如附图4)，用波门套住图像，跟踪系统只处理波门内的图像信息。波门根据有无大小变化，可分为固定式和自适应式，前者波门大小始终不变，后者随目标大小变化而变化。这里由于激光点始终在相机范围内，大小基本不变，我们使用的是固定波门。

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(x_t,y_t)；

陀螺摆动2周期后，启动陀螺马达，托起陀螺，并记录此时接收板上激光点坐标(X₀,Y₀)，结束测量。

静平衡残余量X的精度由R的测量精度决定，R是通过相机获取的数据，R的精度取决于相机分辨率和放大倍数，平行于陀螺转子自转轴水平残余量X测量精度σ_X为：

${\mathrm{\&sigma;}}_X=\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{L}{D}\&CenterDot;{\mathrm{\&sigma;}}_R$

其中， 表示工业相机测定误差，表示因平台调平误差所引起的反射激光点Y₀的测量误差，α₀表示可控陀螺悬挂系统升降支架平台上水平仪的标称精度，即平台调平误差。

本实施实例中以JT15陀螺为例：L＝0.119m，D取1米；

以我们所用的京杭科技公司提供的500万像素相机为例分辨率为2592*1944，其视野范围为2.5cm，这样可计算出相机测量误差(相机空间分辨率)为10μ。

测定误差为一个像素(10μ)，表示因平台调平误差所引起的反射激光点Y₀的测量误差， ${\mathrm{\&sigma;}}_{Y_0}=D\&CenterDot;\tan 2{\mathrm{\&alpha;}}_0,$ 以1秒调试水平仪为例， ${\mathrm{\&sigma;}}_{Y_0}=9.7\mathrm{\&mu;};$ 可求得 ${\mathrm{\&sigma;}}_R=\sqrt{{{\mathrm{\&sigma;}}_{Y_1}}^2+{{\mathrm{\&sigma;}}_{Y_0}}^2}=14\mathrm{\&mu;},$ 则平行于陀螺转子自转轴水平残余量X测量精度σ_X为：

从实例数据可以看出，应用本发明所述方法得到的测量精度较高。

Claims (8)

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(x_t,y_t)，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：

$X=\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{L}{D}\&CenterDot;R$

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。

5.根据权利要求4所述的一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试方法，其特征在于，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：

$x_t=\frac{\underset{(x,y)\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}x\&CenterDot;\mathrm{gray}(x,y)}{\underset{(x,y)\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{gray}(x,y)},x_t=\frac{\underset{(x,y)\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}y\&CenterDot;\mathrm{gray}(x,y)}{\underset{(x,y)\&Element;\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{gray}(x,y)},$ 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。

6.根据权利要求5所述的一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试方法，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试方法，其特征在于，陀螺抖动参数最大抖动振幅A_m和平均抖动量采用以下公式计算获得：

$A_m=\underset{0<t<n}{\mathrm{Max}}(y_t-b\&CenterDot;x_t-a)$

$\stackrel{\&OverBar;}{A}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}|y_{t_i}-b\&CenterDot;x_{t_i}-a|$

其中，n为采样点个数。

8.根据权利要求5所述的一种高精度陀螺仪悬挂系统静平衡测试方法，其特征在于，所述波门为固定波门，其大小为200×200像素。