CN106052595B - 基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法，包括激光陀螺捷联惯导、三轴转台、三轴转台姿态采集系统、惯导输出姿态采集系统和数据处理计算机，所述激光陀螺捷联惯导固定安装到被检三轴转台的台面上，通过采集三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三轴转台轴线垂直度的检测。本发明具有可检测三轴转台任意两轴系的轴线垂直度、检测精度高、系统组成操作简单、适用范围广等优点。

Description

基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法

技术领域

本发明涉及三轴转台轴线垂直度的检测，特指采用激光陀螺捷联惯导对三轴转台轴线垂直度进行检测的方法。

背景技术

三轴转台是航空、航天、航海、计量等领域不可缺少的重要设备，常用作惯性仪表、惯导系统等精密仪器的性能测试、误差标定、仿真实验和工作平台。

转台的轴线垂直度是三轴转台的一个重要指标。通常的检测方法是在被测轴上安装反射镜，通过改变被测轴与固定轴之间的相对角度，读取已架设的光电自准直仪的测量值，最后进行数据处理与分析。该方法原理清晰，但现场测试需要拆开转台部件，安装反射镜，架设光电自准直仪，且要求环境温度相对稳定。另一方面，该检测方法仅能测量台体内框/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进行直接测量，故容易导致三轴转台的轴线并不两两垂直。

因此，寻找可对转台任意两轴线进行测量、测量精度高、操作简单、适用范围广的三轴转台轴线垂直度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

针对现有技术的不足，本发明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、适用范围广的基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法。本发明结合三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三轴转台轴线垂直度的检测。

本发明的技术方案是：

一种基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法，包括以下步骤：

S1：将激光陀螺捷联惯导安装到三轴转台的台面上，三轴转台外框轴和激光陀螺捷联惯导的Z轴夹角为φ，三轴转台中框轴和激光陀螺捷联惯导的X轴夹角为θ，三轴转台内框轴和激光陀螺捷联惯导的Y轴夹角为γ，φ、θ、γ均小于1°；

S2：激光陀螺捷联惯导完成初始对准，三轴转台上电，三轴转台工作于角位置模式，并置零位；

S3：三轴转台处于零位时激光陀螺捷联惯导输出的姿态角为并将其转换为姿态矩阵三轴转台处于零位时三轴转台的角位置输出并将其转换为姿态矩阵

激光陀螺捷联惯导进入导航状态后，三轴转台内框、中框、和外框均以零位为初始位置，分别从零位开始转动一个角度，转动角度>10°，内框轴、中框轴、外框轴各转动一次记为一组，记录K组(K>10)激光陀螺捷联惯导输出姿态角并转换为姿态矩阵同时记录对应的三轴转台的角位置测量输出并转换为姿态矩阵

其中分别表示第1组激光陀螺捷联惯导输出姿态角，第2组激光陀螺捷联惯导输出姿态角…第K组激光陀螺捷联惯导输出姿态角。每组转动过程中，三轴转台每转动其一个框体，激光陀螺捷联惯导系统均会输出一组测量的转台框体横摇角、纵摇角和航向角(以内框转动一次为例，惯导输出一组姿态)，即每组中包含了三组姿态数据， 分别表示第1组激光陀螺捷联惯导输出姿态角对应的三轴转台的角位置，第2组激光陀螺捷联惯导输出姿态角对应的三轴转台的角位置…第K组激光陀螺捷联惯导输出姿态角对应的三轴转台的角位置，三轴转台的角位置包括内轴角位置、中轴角位置、外轴角位置

S4：以和为基准，得到步骤S3中每次转动后激光陀螺捷联惯导的角增量姿态矩阵和三轴转台的角增量姿态矩阵激光陀螺捷联惯导的每组测量姿态中都分别包含了横摇角、纵摇角和航向角姿态，分别计算每组测量姿态中三个轴向转动的归一化旋转矢量(其中分别表示了第i次的内框、中框和外框转动后，激光陀螺捷联惯导测量的在载体系b中三个轴向姿态变化的归一化旋转矢量)。通过计算每组数据中三个轴向转动的归一化旋转矢量的两两间的点乘量，即可得到每两个旋转矢量之间的正交度。由于捷联惯导与三轴转台固联，因此惯导测得的旋转矢量的正交度即可直接反映转台的轴线垂直度(O_内/中，O_内/外，O_中/外)。

本发明还提供一种基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测装置，包括激光陀螺捷联惯导、三轴转台、三轴转台姿态采集系统、惯导输出姿态采集系统和数据处理计算机，所述激光陀螺捷联惯导固定安装到被检三轴转台的台面上，所述激光陀螺捷联惯导与惯导输出姿态采集系统电气连接，所述三轴转台与转台姿态采集系统电气连接，所述惯导输出姿态采集系统采集激光陀螺捷联惯导输出的姿态信息并将该信息传输给数据处理计算机，转台姿态采集系统采集三轴转台输出的姿态信息并将该信息传输给数据处理计算机，所述数据处理计算机根据采集到的三轴转台姿态信息和激光陀螺捷联惯导输出的姿态信息进行计算处理获得三轴转台的轴线垂直度。

进一步地，所述激光陀螺捷联惯导固定安装到被检三轴转台的台面的中心位置，以减少因负载引起的转台形变。

进一步地，所述激光陀螺捷联惯导优选零偏稳定性优于0.003°/h的激光陀螺以保证惯导系统的姿态测量精度。

本发明的有益效果是：

1、原理简单；

2、检测系统组成简单，激光陀螺捷联惯导安装到转台台面时基本无需进行调整；

3、可对三轴转台三个轴线两两之间的轴线垂直度同时进行检测；

4、适用范围广。采用本发明进行三轴转台轴线垂直度检测时，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捷联惯导与三轴转台的初始状态示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的频域抗干扰方法进行详细说明。

参照图1，为本发明一种基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测装置的结构示意图，该装置包括激光陀螺捷联惯导1、三轴转台2、三轴转台姿态采集系统、惯导输出姿态采集系统和数据处理计算机，所述激光陀螺捷联惯导固定安装到被检三轴转台的台面上。本发明中将捷激光陀螺捷联惯导安装在三轴转台安装台面中心位置以减少因负载引起的转台形变。对于本发明所述激光陀螺捷联惯导1，优选零偏稳定性优于0.003°/h的激光陀螺以保证惯导系统的姿态测量精度。激光陀螺捷联惯导和惯导输出姿态采集系统的电气连接可通过转台滑环转接，也可直接相连。转台角位置输出由转台主控计算机给出。

如图1所示，激光陀螺捷联惯导与惯导输出姿态采集系统电气连接，所述三轴转台与转台姿态采集系统电气连接，所述惯导输出姿态采集系统采集激光陀螺捷联惯导输出的姿态信息并将该信息传输给数据处理计算机，转台姿态采集系统采集三轴转台输出的姿态信息并将该信息传输给数据处理计算机，所述数据处理计算机根据采集到的三轴转台姿态信息和激光陀螺捷联惯导输出的姿态信息进行计算处理获得三轴转台的轴线垂直度。

捷联惯导的敏感轴与转台的三个轴向基本平行，转台外框轴向和激光陀螺捷联惯导系统的Z轴夹角为φ，转台中框轴和惯导系统X轴夹角为θ，转台内框轴和惯导Y轴夹角为γ。φ、θ、γ均为小角度差角(差角小于1°)，如图2所示。通常，由转台安装台面的平整度和捷联惯导的安装面加工精度即可保证夹角远小于1°。

一种基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法，包括以下步骤：

S1：将激光陀螺捷联惯导1安装到三轴转台2的台面上，三轴转台外框轴向和激光陀螺捷联惯导的Z轴夹角为φ，三轴转台中框轴和激光陀螺捷联惯导的X轴夹角为θ，三轴转台内框轴和激光陀螺捷联惯导的Y轴夹角为γ，φ、θ、γ均小于1°。

S2：激光陀螺捷联惯导1工作，完成初始对准后进入导航状态，惯导输出姿态采集系统每1/N_s秒记录一次激光陀螺捷联惯导输出姿态，每秒记录N_s点数据(N_s为大于等于1的整数)。被检三轴转台上电，工作于角位置模式，并置零位。

S3：三轴转台处于零位时激光陀螺捷联惯导输出的姿态角为并将其转换为姿态矩阵三轴转台处于零位时三轴转台的角位置输出并将其转换为姿态矩阵

激光陀螺捷联惯导进入导航状态后，三轴转台内框、中框、和外框均以零位为初始位置，分别从零位开始转动一个角度，转动角度>10°，内框轴、中框轴、外框轴各转动一次记为一组(同组的转动角度和转动次序没有要求)，记录K组(K>10)激光陀螺捷联惯导输出姿态角并转换为姿态矩阵同时记录对应的三轴转台的角位置测量输出并转换为姿态矩阵

其中分别表示第1组激光陀螺捷联惯导输出姿态角，第2组激光陀螺捷联惯导输出姿态角…第K组激光陀螺捷联惯导输出姿态角，每组转动过程中，三轴转台每转动其一个转台框体，激光陀螺捷联惯导系统均会输出一组测量的转台框体横摇角、纵摇角和航向角(以内框转动一次为例，惯导输出一组姿态)，即每组中包含了三组姿态数据， 分别表示第1组激光陀螺捷联惯导输出姿态角对应的三轴转台的角位置，第2组激光陀螺捷联惯导输出姿态角对应的三轴转台的角位置…第K组激光陀螺捷联惯导输出姿态角对应的三轴转台的角位置，三轴转台的角位置包括内轴角位置、中轴角位置、外轴角位置

S4：以转台内、中、外框各转动一次同步采集的惯导姿态输出、转台角位置输出作为一组进行分析，可得每组的激光陀螺捷联惯导测量的转台的角姿态增量矩阵和每个轴向转动后，激光陀螺捷联惯导测量的对应的归一化转动矢量进而可计算得到一组三轴转台的轴线垂直度。通过对K组数据得到的结果求取均值，可得到高精度的三轴转台轴线垂直度结果。具体方法如下：

以和为基准，按式(1)和(2)可得每组转动过程中，每个框体转动一次，激光陀螺捷联惯导的角增量姿态矩阵(其中分别为第i次转动中，内框、中框和外框分别转动一次，激光陀螺捷联惯导测量的系统在载体系b中的角增量姿态矩阵)和三轴转台的角增量姿态矩阵(其中分别为第i次转动中，内框、中框和外框分别转动一次，三轴转台的角增量姿态矩阵)：

三轴转台：

激光陀螺捷联惯导：

通过惯导系统测量的每组数据中每个轴向转动角增量的姿态矩阵计算各个转台框体转动过程对应的归一化旋转矢量的方法如下，

以内框转动一次为例：

其中为激光陀螺捷联惯导系统测量的第i组中内框轴转动姿态矩阵对应的转动四元数。其中下标(j，k)表示矩阵中的第j行，第k列的元素；中下标(n)表示向量中第n个元素。

采用内框转动计算同样的计算方式，计算得到和最后可以得到激光捷联惯导系统测量的每组中三个轴向单独转动的归一化旋转矢量

由于捷联惯导和转台固联，因此两者在每个动态过程中具有相同的旋转矢量。分别计算每组数据中每个轴向转动一次对应的归一化转动矢量如果转台具有很高的轴线垂直度，则激光陀螺捷联惯导测量的转台任意两轴向转动的归一下旋转矢量必定相互正交，因此通过计算三个转动矢量的两两间的点乘量(dot为向量间点乘)即可得到两个旋转矢量的正角度，而旋转矢量的正交度直接反映了转台的轴线垂直度：

内框/中框轴线垂直度：

中框/外框轴线垂直度：

内框/外框轴线垂直度：

为减小系统测量误差和减震器形变对测量精度的影响，通过K组转动姿态可以得到K组转台两两轴向的轴线垂直度，通过求均值的方式，减小误差。

此外，本方法还可以简单估算转台和激光陀螺捷联惯导系统的安装关系其方法如下：

在转台轴线垂直度满足要求的前提下，转动过程中取多组两者的对应输出，计算激光陀螺捷联惯导系统测量的每组数据中三个轴向组合转动的姿态矩阵和对应的归一化旋转矢量计算转台输出的每组数据中三个轴向组合转动的姿态矩阵和对应的归一化旋转矢量由于捷联惯导和三轴转台固联，因此同一转动方式下转台和惯导测量得到的旋转矢量满足：

理论上采用三组数据即可计算得到两坐标系转换矩阵：

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。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 (5)

1.一种基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将激光陀螺捷联惯导安装到三轴转台的台面上，三轴转台外框轴和激光陀螺捷联惯导的Z轴夹角为φ，三轴转台中框轴和激光陀螺捷联惯导的X轴夹角为θ，三轴转台内框轴和激光陀螺捷联惯导的Y轴夹角为γ，φ、θ、γ均小于1°；

S2：激光陀螺捷联惯导完成初始对准，三轴转台上电，三轴转台工作于角位置模式，并置零位；

S3：三轴转台处于零位时激光陀螺捷联惯导输出的姿态角为并将其转换为姿态矩阵三轴转台处于零位时三轴转台的角位置输出并将其转换为姿态矩阵

激光陀螺捷联惯导进入导航状态后，三轴转台内框、中框、和外框均以零位为初始位置，分别从零位开始转动一个角度，转动角度>10°，内框轴、中框轴、外框轴各转动一次记为一组，记录K组激光陀螺捷联惯导输出姿态角并转换为姿态矩阵同时记录对应的三轴转台的角位置测量输出并转换为姿态矩阵

其中分别表示第1组激光陀螺捷联惯导输出姿态角，第2组激光陀螺捷联惯导输出姿态角…第K组激光陀螺捷联惯导输出姿态角，每组转动过程中，三轴转台每转动其一个框体，激光陀螺捷联惯导系统均会输出一组测量的转台框体横摇角、纵摇角和航向角，即每组中包含了三组姿态数据，表示如下：

分别表示第1组激光陀螺捷联惯导输出姿态角对应的三轴转台的角位置，第2组激光陀螺捷联惯导输出姿态角对应的三轴转台的角位置…第K组激光陀螺捷联惯导输出姿态角对应的三轴转台的角位置，三轴转台的角位置包括内轴角位置、中轴角位置、外轴角位置，

S4：以和为基准，得到步骤S3中每次转动后激光陀螺捷联惯导的角增量姿态矩阵和三轴转台的角增量姿态矩阵激光陀螺捷联惯导的每组测量姿态中都分别包含了横摇角、纵摇角和航向角姿态，分别计算每组测量姿态中三个轴向转动的归一化旋转矢量其中分别表示了第i次的内框、中框和外框转动后，激光陀螺捷联惯导测量的在载体系b中三个轴向姿态变化的归一化旋转矢量；通过计算每组数据中三个轴向转动的归一化旋转矢量的两两间的点乘量，即可得到每两个旋转矢量之间的正交度，而激光陀螺捷联惯导测得的旋转矢量的正交度直接反映了三轴转台的轴线垂直度。

2.根据权利要求1所述的基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法，其特征在于，步骤S4中，按式(1)和(2)可得每组转动过程中，每个框体转动一次，激光陀螺捷联惯导的角增量姿态矩阵和三轴转台的角增量姿态矩阵其中 分别为第i次转动中，内框、中框和外框分别转动一次激光陀螺捷联惯导测量的系统在载体系b中的角增量姿态矩阵； 分别为第i次转动中，内框、中框和外框分别转动一次三轴转台的角增量姿态矩阵：

三轴转台：

激光陀螺捷联惯导：

通过惯导系统测量的每个轴向转动角增量的姿态矩阵计算各个转台框体转动过程对应的归一化旋转矢量其中内框转动一次对应的归一化旋转矢量的计算方法如下：

其中为激光陀螺捷联惯导系统测量的第i组中内框轴转动姿态矩阵对应的转动四元数；其中下标(j，k)表示矩阵中的第j行，第k列的元素；中下标(n)表示向量中第n个元素；

采用计算同样的计算方式，计算得到和最后得到激光捷联惯导系统测量的每组中三个轴向单独转动的归一化旋转矢量

3.根据权利要求2所述的基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法，其特征在于，步骤S4中，三轴转台的轴线垂直度包括内框/中框轴线垂直度、中框/外框轴线垂直度和内框/外框轴线垂直度：

内框/中框轴线垂直度：

中框/外框轴线垂直度：

内框/外框轴线垂直度：

4.根据权利要求1、2或3所述的基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法，其特征在于，三轴转台角速率为10～100°/s。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于激光陀螺捷联惯导的三轴转台轴线垂直度检测方法，其特征在于，步骤S2中激光陀螺捷联惯导预热30分钟后工作，进入初始对准过程，整个初始对准过程采用滤波法对准。