CN105091844B - 一种高精度动态测角装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高精度动态测角技术，涉及一种高精度动态测角装置及方法。所述高精度动态测角装置包括空间四频差动激光陀螺，柔性电缆，陀螺控制/解调电路，圆感应同步器，感应同步器解调电路，角增量信号处理电路，连接总线及测角计算机。所述高精度动态测角方法，利用测量空间四频激光陀螺敏感轴上的惯性空间角速率投影分量，并根据圆感应同步器的角位置输出利用插值法来精确地得到当前位置下陀螺敏感轴上的惯性空间角速率分量，并在陀螺输出中将当前的惯性空间角速率分量减去，从而大幅提高测角精度。所述空间四频差动激光陀螺的输出，其角速率积分时间可达微秒量级。本发明采用了刻度系数可高度细分的空间四频差动激光陀螺，测角精度高，动态范围大，对被测载体无反力矩作用，温度系数小，具有较佳的实际应用价值。

Description

一种高精度动态测角装置及方法

技术领域

本发明属于高精度动态测角技术，涉及一种高精度的动态测角装置及方法。

背景技术

角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，目前工业上主要存在以下几类测角方法：机械测角方法、电磁测角方法、光学测角方法和光电测角方法。机械测量方法以多齿分度台为代表，其结构简单、成本低，但通常存在设备体积大、不能实时动态测量的缺点；电磁测角方法以感应同步器为代表，其运行速度快、稳定可靠，但存在与被测系统耦合度高、装配精度要求高的缺点；光学测角方法以激光干涉测角仪为代表，其具有高精度、非接触的优点，但同时存在光路复杂、测角范围小的缺点；光电测角方法以光学码盘式传感器测角和图像传感器测角为代表，二者都有广泛的应用，但前者存在测角分辨率受限的缺点，后者则存在环境适应性差、现场调试复杂的缺点。

空间四频差动激光陀螺是一种高精度、全固态的惯性角速度传感器，它能够敏感投影到其敏感轴上的角速度分量，对该分量进行积分即可得到相应的转角信息。空间四频差动激光陀螺用于测角具有下列优势：

(1)真正意义上的全固态激光陀螺，无机械抖动部件，不会给被测载体带来反力矩作用；

(2)刻度系数线性度和重复性均优于1ppm，且温度系数极低，环境适应性好；

(3)可利用分辨率增强技术实现刻度系数高度细分，角分辨率最高可达到0.0003″；

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于空间四频差动激光陀螺，测量精度高、动态范围大、角分辨率高的动态测角装置。

另外，本发明还提供一种高精度动态测角方法。

本发明的技术方案是：一种高精度动态测角装置，其包括空间四频差动激光陀螺，柔性电缆，陀螺控制/解调电路，圆感应同步器，感应同步器解调电路，角增量信号处理电路，连接总线及测角计算机，其中，所述空间四频差动激光陀螺经由过渡板安装在待测转轴上，其输出直接正比于投影到其敏感轴上的惯性空间角速度分量，空间四频差动激光陀螺、柔性电缆及陀螺控制/解调电路连接到角增量信号处理电路上，所述圆感应同步器环绕设置在待测转轴上，圆感应同步器经感应同步器解调电路连接到角增量信号处理电路上，所述角增量信号处理电路利用感应同步器解调电路的粗精度角位置输出对陀螺控制/解调电路的惯性空间角速率分量进行修正，得到转轴的转动角速率，并对该角速率进行积分，从而得到转轴当前的精确角位置，并发送到测角计算机。

所述过渡板采用不锈钢加工而成，表面不平整度要求优于10^-4。

所述连接总线为422总线。

一种高精度动态测角方法，其利用测量空间四频激光陀螺敏感轴上的惯性空间角速率投影分量，并根据圆感应同步器的角位置输出利用插值法来精确地得到当前位置下陀螺敏感轴上的惯性空间角速率分量，并在陀螺输出中将当前的惯性空间角速率分量减去，从而大幅提高测角精度。

所述的高精度动态测角方法，其包括如下步骤：

步骤1：陀螺刻度系数标定

将陀螺固定到待测转轴的端面上，启动陀螺，预热时间不小于10分钟，扫描并设定好陀螺的工作参数后，并开始采数，发送启动扫描镜转轴转动命令，转轴以确定的角速度逆时针转动n圈并停止，陀螺停止采数，测角软件自动计算累计的脉冲数；在同样的陀螺工作参数下，转轴以相同的角速度顺时针转动n圈并停止，陀螺停止采数，测角软件计算累计的脉冲数；并根据确定的公式计算出测角传感器的刻度系数ki；

步骤2：陀螺惯性空间角速率投影分量标定

设定好与步骤1相同的陀螺工作参数，陀螺开始采数T秒，并计算该T秒内陀螺输出量的均值，即为惯性空间角速率在陀螺敏感轴上的投影；将转台整圆周以10度间隔等分为36个角位置，测量出其中每个角位置处的惯性空间角速率投影分量，从而得到陀螺敏感轴上的惯性空间角速率投影分量随转轴角位置的对应关系；

步骤3：完成动态角度测量

待测转轴开始转动，圆感应同步器通过TTL信号与动态测角装置同步，陀螺控制/解调电路对陀螺输出进行脉冲计数，乘以步骤1中所标定得到的刻度系数ki，即得到陀螺相对于惯性空间的转动角速度，再利用插值法减去步骤2中得到的惯性空间角速率在陀螺敏感轴上的投影量，并对时间进行累计求和，就能够得到待测转轴所转过的角度。该测角仪的角度增量数据更新率可做到10kHz。

本发明的优点是：所涉及的高精度动态测角装置采用刻度系数可高度细分的空间四频差动激光陀螺。该发明能够实现对待测转轴的高精度动态测量，可达到10kHz的数据更新率及亚角秒的测角精度，在高精度测角及动态测角领域具有较佳的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明所涉及的高精度动态测角装置结构示意图；

图2为本发明所采用的四频差动激光陀螺的谐振腔中运转的四束激光在频率轴上的分布示意图；

图3为本发明中四频差动激光陀螺的敏感轴与待测转轴之间夹角的示意图；

其中，1是空间四频差动激光陀螺，2是柔性电缆，用于传输陀螺控制及输出信号，3是陀螺控制/解调电路，4是角增量信号处理电路，5是422串口总线，6是过渡板，7是圆感应同步器，8是感应同步器解调电路，9是待测转轴，10-测角计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

请参阅图1，其是本发明所针对的高精度动态测角装置的结构及组成部件。本发明动态测角装置包括空间四频差动激光陀螺1，柔性电缆2，陀螺控制/解调电路3，圆感应同步器7，感应同步器解调电路8，角增量信号处理电路4，422总线5，及测角计算机10，其中，所述空间四频差动激光陀螺1经由过渡板6安装在待测转轴9上，二者之间采用螺钉或机械紧固装置进行刚性连接。所述过渡板6采用不锈钢加工而成，其具有硬度高、稳定性好、不导磁等优点，其表面不平整度要求优于10-4。空间四频差动激光陀螺1、柔性电缆2及陀螺控制/解调电路3共同实现了惯性空间角速率输出功能，所述空间四频差动激光陀螺1是一种高精度、全固态的激光陀螺，它的输出直接正比于投影到其敏感轴上的惯性空间角速度分量。圆感应同步器7与感应同步器解调电路8共同实现了对当前角位置的测量，其精度为角分量级。角增量信号处理电路4利用感应同步器解调电路8的粗精度角位置输出对陀螺控制/解调电路3的惯性空间角速率分量进行修正，从而以较高的精度得到转轴9的转动角速率，并对该角速率进行积分，从而得到转轴当前的精确角位置，并通过422总线5将角位置信息发送到测角计算机6，该测角仪的精度可达到0.1角秒量级。

本发明采用角分辨率最高可达0.0003角秒的空间四频差动激光陀螺作为测角传感器，通过测量陀螺在不同角位置处的输出，得到陀螺敏感轴上的惯性空间角速率投影分量随角位置的变化曲线，根据圆感应同步器的角位置输出经过插值法计算出惯性空间角速率分量在陀螺敏感轴上的分量，从而显著减小了因积分所引入的角度误差，提高了空间四频差动激光陀螺的测角精度。这种方法利用了圆感应同步器的角位置功能以及空间四频差动激光陀螺角分辨率高的特点，从而可实现0.1角秒量级的测角精度。

其中，所述空间四频差动激光陀螺是一种高精度、全固态的惯性角速度传感器，它能够敏感投影到其敏感轴上的角速度分量，对该分量进行积分即可得到相应的转角。

根据空间四频差动激光陀螺的测角原理，可知其测角精度主要受以下因素的影响：零漂、比例因子漂移及量化误差。

空间四频差动激光陀螺的输出与投影到其敏感轴上的角速度成正比，这里的角速度包括被测载体本身的角速度以及惯性空间角速率在该敏感轴上的投影分量。因此，在实际进行转角测量之前，需要在转轴静止的状态下对惯性空间角速率投影分量加以标定，并在角度测量过程中将其减掉。但考虑到实际测量过程中陀螺可能有一定的零漂，且其会随时间累加，因此该因素是本测角方法的最大影响因素，主要体现在对单次测角时长的限制上。

激光陀螺的比例因子K指的是陀螺输入角速度与其输出脉冲之间的比例系数，它直接影响着最终的测角精度，不过，空间四频差动激光陀螺的比例因子漂移(包括但不仅限于比例因子非线性、比例因子重复性、比例因子温度系数)实测值均优于1ppm，即测量整周360°时其所导致的最大误差约1角秒。在实际测角过程中，比例因子漂移能够通过试验前的标校手段消除。

请参阅图3，当空间四频差动激光陀螺安装在待测转轴上时，由于机械安装误差等原因，其敏感轴与待测转轴会存在一定的夹角，对安装基准面的平整度指标进行精确控制后，该夹角会控制在1角分以内，这会给陀螺的比例因子带来1ppm量级的误差，因此，在实际使用过程中，应当对比例因子的该项误差进行逐次标校，或者在软件算法中进行补偿。

激光陀螺是一种速率积分器件，角增量信号通过读出系统转化为数字脉冲输出，这使它的测量分辨率只有一个脉冲当量。因为一般的脉冲计数器只能记录整数脉冲，这样就会产生随机的计数误差。脉冲计数值所对应的角度值与真实值之间的差别就叫做量化误差或量化噪声。借助于锁相环、高速采样+滤波或脉冲细分的控制及处理方案，能够有效地提高空间四频差动激光陀螺的分辨率，因此不会给0.1角秒量级的测角精度带来影响。

对空间四频差动激光陀螺而言，比例因子K的温度系数及转速非线性都是极低的，这就意味着该测角方法能够适应较大的工作温度范围和输入转速范围。此外，空间四频差动激光陀螺的量化误差能够利用分辨率增强技术进一步减小，从而有望应用到角秒级或亚角秒级的转角测量领域。

另一方面，空间四频差动激光陀螺不存在机械抖动陀螺的动态过锁区等问题，其刻度系数细分技术能够在时间尺度上做到10kHz甚至更快的角增量或角速率更新率，从而能够应用到需要关注转轴动态特性的测角领域中，即能够实现高精度的动态测角。

空间四频差动激光陀螺是一种惯性空间传感器，其输出包含了惯性空间角速率分量(地球自转)，为了进一步提高陀螺的测角精度，本发明将圆感应同步器的角位置信息传送给四频差动激光陀螺，后者根据该角位置信息以及在整个圆周上所标定得到的惯性空间角速率分量投影值并使用插值的方法算出陀螺在当前角位置处其敏感轴上的惯性空间角速率分量投影值，并在其角速率分量减去，此种方法能够极大地减小因机械安装误差等因素所引入的系统误差，进一步提高四频差动激光陀螺的测角精度。

所述的动态测角方法包括如下步骤：

步骤1：陀螺刻度系数标定

将陀螺连同工装固定到扫描镜转轴端面上，启动陀螺，预热时间不小于10分钟。扫描陀螺的工作参数，设定好陀螺的工作参数，陀螺开始采数，发送启动扫描镜转轴转动命令，转轴以某确定的角速度(例如，30°/s)逆时针转动1圈并停止，陀螺停止采数，程序计算累计的脉冲数；在同样的陀螺工作参数下，转轴以相同的角速度(例如，30°/s)顺时针转动1圈并停止，陀螺停止采数，程序计算累计的脉冲数；按下式计算得到陀螺本次试验测得的刻度系数ki；

步骤2：陀螺敏感轴上的惯性空间角速率投影分量标定

设定好与步骤1相同的陀螺工作参数，陀螺开始采数T秒，并计算该T秒内陀螺输出量的均值，即为惯性空间角速率在陀螺敏感轴上的投影；

在地速投影分量标定过程中，如图3所示，要注意陀螺敏感轴与转台转轴之间的夹角，该夹角通常在角分量级，对陀螺的刻度系数的影响在1ppm左右。但是，这个夹角会导致陀螺敏感轴上的地速分量与转台的角位置有关。在实际标定过程中，可以将待测转轴的整个圆周等分为N个等分，即在待测转轴上等间隔地选取N个点，并在这些点分别标定地速投影分量的值，从而更好地反映出陀螺的零位，将标定好的值作为参量输入到整个测角的处理电路中，并以待测转轴的控制系统所给出的当前角位置作为自变量，以更精准地测量出待测转轴所转过的角度。

步骤3：完成动态角度测量

待测转轴开始转动，并通过TTL信号与动态测角装置同步，控制电路对陀螺输出进行脉冲计数，二者相减即可得到陀螺相对于惯性空间的转动角速度，再减去步骤2中标定得到的惯性空间角速率在陀螺敏感轴上的投影，即可得到待测转轴当前的角速率，对该角速率进行积分，即可得到转轴所转过的角度。

由于陀螺直接测量的物理量是角度增量，其单位时间内的角度增量输出就是角速度，而将角速度再进行差分就能够得到角加速度，本发明所采用的空间四频差动激光陀螺具有角度分量从时间上具有细分的可能性，从而能够对转轴的动态特性进行高精度的测量。

综上，空间四频差动激光陀螺没有抖动装置，不会给被测转轴带来反力矩，刻度系数线性度好，能同时满足测大、小角度的高精度动态测角需求。所述动态测角装置能够实现10kHz的数据更新率及亚角秒量级的测角精度，在数控机床、高精度转台、卫星天线、远程望远镜等高精度转动测量领域具有良好的应用前景。

Claims (5)

1.一种高精度动态测角装置，其特征在于，包括空间四频差动激光陀螺(1)，柔性电缆(2)，陀螺控制/解调电路(3)，圆感应同步器(7)，感应同步器解调电路(8)，角增量信号处理电路(4)，连接总线及测角计算机(10)，其中，所述空间四频差动激光陀螺(1)经由过渡板(6)安装在待测转轴(9)上，其输出直接正比于投影到其敏感轴上的惯性空间角速度分量，空间四频差动激光陀螺(1)、柔性电缆(2)及陀螺控制/解调电路(3)连接到角增量信号处理电路(4)上，所述圆感应同步器(7)环绕设置在待测转轴(9)上，圆感应同步器(7)经感应同步器解调电路(8)连接到角增量信号处理电路(4)上，所述角增量信号处理电路(4)利用感应同步器解调电路(8)的粗精度角位置输出对陀螺控制/解调电路(3)的惯性空间角速率分量进行修正，得到待测转轴(9)的转动角速率，并对该角速率进行积分，从而得到转轴当前的精确角位置，并发送到测角计算机(10)。

2.根据权利要求1所述的高精度动态测角装置，其特征在于：所述过渡板(6)采用不锈钢加工而成，表面不平整度要求优于10^-4。

3.根据权利要求1所述的高精度动态测角装置，其特征在于：所述连接总线为422总线。

4.一种高精度动态测角方法，其特征在于：利用测量空间四频激光陀螺敏感轴上的惯性空间角速率投影分量，并根据圆感应同步器的角位置输出利用插值法来精确地得到当前位置下陀螺敏感轴上的惯性空间角速率分量，并在陀螺输出中将当前位置下陀螺敏感轴上的惯性空间角速率分量减去，从而大幅提高测角精度。

5.根据权利要求4所述的高精度动态测角方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：陀螺刻度系数标定

将陀螺固定到待测转轴的端面上，启动陀螺，预热时间不小于10分钟，扫描并设定好陀螺的工作参数后，并开始采数，发送启动扫描镜转轴转动命令，转轴以确定的角速度逆时针转动n圈并停止，陀螺停止采数，测角软件自动计算累计的脉冲数；在同样的陀螺工作参数下，转轴以相同的角速度顺时针转动n圈并停止，陀螺停止采数，计算累计的脉冲数；并根据确定的公式计算出空间四频差动激光陀螺的刻度系数ki；

步骤2：陀螺惯性空间角速率投影分量标定

设定好与步骤1相同的陀螺工作参数，陀螺开始采数T秒，并计算该T秒内陀螺输出量的均值，即为惯性空间角速率在陀螺敏感轴上的投影；将转台整圆周以10度间隔等分为36个角位置，测量出其中每个角位置处的惯性空间角速率投影分量，从而得到陀螺敏感轴上的惯性空间角速率投影分量随转轴角位置的对应关系；

步骤3：完成动态角度测量

待测转轴开始转动，圆感应同步器通过TTL信号与空间四频差动激光陀螺同步，陀螺控制/解调电路对陀螺输出进行脉冲计数，乘以步骤1中所标定得到的刻度系数ki，即得到陀螺相对于惯性空间的转动角速度，再利用插值法减去步骤2中得到的惯性空间角速率在陀螺敏感轴上的投影量，并对时间进行累计求和，就能够得到待测转轴所转过的角度。