CN107036627A - 环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法 - Google Patents

环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于环形激光测角技术，涉及一种环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法。本发明环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法采用最小二乘法，将来自于被测转台上所安装的圆感应同步器的角度信息与环形激光测角装置的角度信息进行融合，并通过离散化处理分离出误差项，从而消除因地速投影分量所引入的测角误差。本发明充分利用了环形激光测角装置短时间内精度高及转台角度误差不随时间发散的优点，可以成功地降低地速投影分量所引入的测角误差，得到精度更高、噪声更小的角度及角速度信息。

Description

环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法
技术领域
本发明属于环形激光测角技术，涉及一种环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法。
背景技术
角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，特别是高精度动态角度标定，例如在数控机床、高精度转台、卫星天线、远程望远镜等领域，都存在着既要求静态定位精度，也要求稳定的转动动态特性，也就是在相对较高速率的转动下其角位置精度的问题。此前，对转台特性的高精度测量通常会选择使用光学码盘或基于自准直仪的方法，但前者存在着精度有限，无法对角度转动的动态特性进行测量，而后者则存在测角范围小，无法整周测量等缺点。此外，目前的大多数角度测量方法无法实现很高数据更新率(例如，105Hz量级)的角增量输出，对深入研究转台控制系统的动态特性会有一定的影响。
在实际角度测量过程中，因为机械加工及机械安装精度的限制，环形激光测角装置的敏感轴与被测转台之间通常会存在数角分的夹角。而环形激光测角装置所感应的是相对于惯性坐标系中的角速度，因此，上述夹角会将地球自转角速度引入到环形激光测角装置的最终输出中，从而产生测角误差。
发明内容
本发明的目的：提供一种用于消除环形激光测角装置中的因地速投影分量所引入的测角误差的自校准方法。
本发明的技术方案：环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法，其硬件部分包括环形激光测角装置、圆感应同步器、过渡板、同步采样电路及处理器，其中，环形激光测角装置和圆感应同步器分别装在过渡板两侧，且二者均与同步采样电路连接，而同步采样电路与处理器相连，其采用最小二乘法，将来自于被测转台上所安装的圆感应同步器的角度信息与环形激光测角装置的角度信息进行融合，并通过离散化处理分离出误差项，从而消除因地速投影分量所引入的测角误差。
所述的环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法，其具体步骤如下：
步骤1：高速同步采集
由同步采样电路高速同步采集环形激光测角装置的角速度信号和圆感应同步器的角位置信号；
步骤2：误差分离
根据环形激光测角装置的相对敏感的为惯性空间的角速度，而圆感应同步器相对敏感的角位置为相对于转台自身的角位置的特征，得到环形激光测角装置的角速度信号输出
ωg＝ωNsinθcosψsinΔψ+ωNsinθsinψcosΔψ+(ωr+ωU)cosθ+εg (1.6)
其中，ωg为环形激光测角装置输出，ψ为转台转角，ωN为地球自转角速度ωie在地理正北方向上的投影量，ωU为地球自转角速度ωie在地理垂线的反方向上的投影量，ωN＝ωiecos L，ωU＝ωiesin L，L为当地纬度；θ是被测转台的转台与环形激光测角装置之间的夹角；Δψ是环形激光测角装置的敏感轴在安装平面上的投影与地理正东方向之间的夹角；ωr是圆感应同步器的角速度，由圆感应同步器的角位置信息进行运算后得到；εg是环形激光测角装置自身的误差；
当外部同步时钟的周期为ΔT，对(1.1)式进行离散化，得到
ωg(k)＝ωNsinθcosψ(k)sinΔψ+ωNsinθsinψ(k)cosΔψ+(ωr(k)+ωU)cosθ+εg
(1.7)
对(1.2)式进行矢量化，得到
利用最小二乘法求解出以下变量的最优估计值：(ωNsinθsinΔψ)，(ωNsinθcosΔψ)，(cosθ)和(ωUcosθ+εg)，至此实现对环形激光测角装置的角速度信号输出的误差分离；
步骤3：误差消除
根据步骤2所计算得到的cosθ，计算出圆感应同步器的转台(12)与环形激光测角装置(13)之间的夹角θ，根据计算得到的θ，就能够根据下式对环形激光测角仪中因地速投影分量所引入的测角误差进行消除，得到修正后的、更准确的角度输出信息。
其中，ωr′(k)是修正后的第k个时钟周期内的角速度信息，对从m·ΔT到n·ΔT时间段内的ωr′(k)进行累加即可得到该时间段内的角度增量信息。
所述最小二乘法包括常规最小二乘法或加权最小二乘法或递推最小二乘法。
本发明的优点和有益效果是：本发明地速投影分量误差自校准方法，能够将来自于被测转台上所安装的圆感应同步器的角度信息与环形激光测角装置的角度信息进行融合，充分利用了环形激光测角装置短时间内精度高及转台角度误差不随时间发散的优点，采用最小二乘法，可以成功地降低地速投影分量给测角过程所引入的误差，得到精度更高、噪声更小的角度及角速度信息。该方法能够实现自标校，减少了人工干预，提高了产品可靠性和易用性。
附图说明
图1是环形激光测角装置及其安装示意图；
其中，1-环形激光测角装置，2-过渡板，3-圆感应同步器(与被测转台同心安装)，4-同步采样电路，5-处理器(可以是数字处理器芯片，包括单片机、现场可编程门阵列，也可以是计算机)，11-被测转台；
图2是环形激光测角装置敏感轴与被测转台之间夹角的示意图，
其中，11-被测转台，12-被测转台的转台，13-环形激光测角装置的敏感轴，θ是12与13之间的夹角。
图3是环形激光测角装置敏感轴在水平面内的投影(s)与北向(N)和东向(E)之间的夹角关系示意图，其中Δψ是s与东向的夹角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
请同时参阅图1、图2、图3，本发明环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法的硬件部分包括环形激光测角装置、圆感应同步器、过渡板、同步采样电路及处理器，其中，环形激光测角装置和圆感应同步器分别装在过渡板两侧，且二者均与同步采样电路连接，而同步采样电路与处理器相连。本发明环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法采用最小二乘法，将来自于被测转台上所安装的圆感应同步器的角度信息与环形激光测角装置的角度信息进行融合，并通过离散化处理分离出误差项，从而消除因地速投影分量所引入的测角误差。
所述的环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法的具体实施过程如下：
步骤1：高速同步采集
由同步采样电路高速同步采集环形激光测角装置的角速度信号和圆感应同步器的角位置信号；
同步采样电路通常采用现场可编程门阵列器件实现，外同步信号通常采用TTL电平的数字脉冲信号，外同步信号的频率通常在1MHz左右；
步骤2：误差分离
根据环形激光测角装置的相对敏感的为惯性空间的角速度，而圆感应同步器相对敏感的角位置为相对于转台自身的角位置的特征，得到环形激光测角装置的角速度信号输出
ωg＝ωNsinθcosψsinΔψ+ωNsinθsinψcosΔψ+(ωr+ωU)cosθ+εg (1.11)
其中，ωg为环形激光测角装置输出，ψ为转台转角，ωN为地球自转角速度ωie在地理正北方向上的投影量，ωU为地球自转角速度ωie在地理垂线的反方向上的投影量，ωN＝ωiecos L，ωU＝ωiesin L，L为当地纬度；θ是被测转台的转台与环形激光测角装置之间的夹角；Δψ是环形激光测角装置的敏感轴在安装平面上的投影与地理正东方向之间的夹角；ωr是圆感应同步器的角速度，由圆感应同步器的角位置信息进行运算后得到；εg是环形激光测角装置的量测误差；
当外部同步时钟的周期为ΔT，对(1.1)式进行离散化，得到
ωg(k)＝ωNsinθcosψ(k)sinΔψ+ωNsinθsinψ(k)cosΔψ+(ωr(k)+ωU)cosθ+εg
(1.12)
对(1.2)式进行矢量化，得到
利用最小二乘法求解出以下变量的最优估计值：(ωNsinθsinΔψ)，(ωNsinθcosΔψ)，(cosθ)和(ωUcosθ+εg)，从而实现对环形激光测角装置的角速度信号输出的误差分离；
步骤3：误差消除
根据cosθ精确地计算出被测转台的转台12与环形激光测角装置13之间的夹角θ，根据计算得到的θ，就能够根据式(1.2)对环形激光测角仪中因地速投影分量所引入的测角误差进行消除，得到修正后的、更准确的角速度输出信息。
其中，ωr′(k)是修正后的第k个时钟周期内的角速度信息，对从m·ΔT到n·ΔT时间段内的ωr′(k)进行累加即可得到该时间段内的角度增量信息。
另外，本发明环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法中的最小二乘法可以为常规最小二乘法或加权最小二乘法或递推最小二乘法。
本发明环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法能够有效地消除因环形激光测角装置的敏感轴与被测转台之间的夹角所引入的地速投影分量测角误差。相比于传统的地速投影分量误差消除算法，本发明所介绍的方法可以将地速分量投影误差、环形激光测角装置的自身误差进行分离，简单易用，且精度更高。

Claims (4)

1.环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法，其硬件部分包括环形激光测角装置、圆感应同步器、过渡板、同步采样电路及处理器，其中，环形激光测角装置和圆感应同步器分别装在过渡板两侧，且二者均与同步采样电路连接，而同步采样电路与处理器相连，其特征在于，采用最小二乘法，将来自于被测转台上所安装的圆感应同步器的角度信息与环形激光测角装置的角度信息进行融合，并通过离散化处理分离出误差项，从而消除因地速投影分量所引入的测角误差。
2.根据权利要求1所述的环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：高速同步采集
由同步采样电路高速同步采集环形激光测角装置的角速度信号和圆感应同步器的角位置信号；
步骤2：误差分离
根据环形激光测角装置的相对敏感的为惯性空间的角速度，而圆感应同步器相对敏感的角位置为相对于转台自身的角位置的特征，得到环形激光测角装置的角速度信号输出
ωg＝ωNsinθcosψsinΔψ+ωNsinθsinψcosΔψ+(ωr+ωU)cosθ+εg (1.1)
其中，ωg为环形激光测角装置输出，ψ为转台转角，ωN为地球自转角速度ωie在地理正北方向上的投影量，ωU为地球自转角速度ωie在地理垂线的反方向上的投影量，ωN＝ωiecosL，ωU＝ωiesinL，L为当地纬度；θ是被测转台的转台与环形激光测角装置之间的夹角；Δψ是环形激光测角装置的敏感轴在安装平面上的投影与地理正东方向之间的夹角；ωr是圆感应同步器测得的角速度，由圆感应同步器的角位置信息进行运算后得到；εg是环形激光测角装置自身的误差；
当外部同步时钟的周期为ΔT，对(1.1)式进行离散化，得到
ωg(k)＝ωNsinθcosψ(k)sinΔψ+ωNsinθsinψ(k)cosΔψ+(ωr(k)+ωU)cosθ+εg
(1.2)
对(1.2)式进行矢量化，得到
利用最小二乘法求解出以下变量的最优估计值：(ωNsinθsinΔψ)，(ωNsinθcosΔψ)，(cosθ)和(ωUcosθ+εg)，至此实现对环形激光测角装置的角速度信号输出的误差分离；
步骤3：误差消除
根据步骤2所计算得到的cosθ，计算出圆感应同步器的转台(12)与环形激光测角装置(13)之间的夹角θ，根据计算得到的θ，就能够根据下式对环形激光测角仪中因地速投影分量所引入的测角误差进行消除，得到修正后的、更准确的角度输出信息。
3.根据权利要求2所述的环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法，其特征在于，步骤3中的角度输出信息中的角速度信号输出：
其中，ωr′(k)是修正后的第k个时钟周期内的角速度信息，对从m·ΔT到n·ΔT时间段内的ωr′(k)进行累加即可得到该时间段内的角度增量信息:
4.根据权利要求2所述的环形激光测角装置的地速投影分量误差自校准方法，其特征在于，所述最小二乘法包括常规最小二乘法或加权最小二乘法或递推最小二乘法。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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