CN112414322A - 一种转台定位误差分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种转台定位误差分离方法，用于解决现今转台定位误差补偿方法受限于高精度角度标定装置的问题。本发明采集转台测角系统输出的莫尔信号US；建立理想光栅莫尔信号UC、转台定位误差Um与转台测角系统输出的莫尔信号US三者的关系模型；通过检波从采集到的转台测角系统输出莫尔信号US中分离出转台定位误差Um。本发明使用包含多阶次成分的级数表征转台定位误差，提出使用检波的方法从转台测角系统输出的莫尔信号中分离出转台定位误差，该方法分离效率高、实现方式简单。

Description

一种转台定位误差分离方法
技术领域
本发明涉及角度测量领域，特别涉及一种对转台定位误差进行分离的方法。
背景技术
角度的测量被广泛应用在高精度测量领域，基于转台的全圆角度标准装置在测角过程中由于转台姿态所引入的转台定位误差需要被评估。
目前国内外关于转台定位误差分离方法较为匮乏，大多研究依赖于高精度角位置标定系统，建立误差补偿模型拟合误差补偿曲线对测角误差直接补偿，未从莫尔信号入手分离转台定位误差。
发明专利《一种基于误差拟合的光电编码器的误差修正方法和系统》(专利申请号：201810439436.9)中提出了一种基于误差拟合的光电编码器的误差修正方法，该方法使用角度基准装置检测光电编码器圆周内的角位置误差，根据采集到误差值拟合长周期误差函数，根据误差函数计算误差修正数据并对光电编码器输出的原始角度数据进行修正。该方法开展的前提是需要高精度的角度基准装置作为获取圆周内角度误差的实验条件，而且测角误差补偿效果受限于误差函数的拟合精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：打破现有技术的局限，提出一种转台定位误差分离方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于检波的转台定位误差分离方法，包括以下步骤：
a.采集转台测角系统输出的莫尔信号US。
b.建立理想光栅莫尔信号UC、转台定位误差Um与转台测角系统输出的莫尔信号US三者的关系模型。
c.通过检波的方法从采集到的莫尔信号US中分离出转台定位误差Um。
本发明的有益效果是：建立了一种转台定位误差分离方法，以分离转台测角系统测角过程中引入的转台定位误差，便于对全圆范围测角误差进行补偿。
附图说明
图1-1是转台测角系统中转台姿态示意图；
图1-2是转台测角系统测角过程中因转台姿态引入转台定位误差示意图；
图2-1是理想光栅莫尔信号时域示意图和频域示意图；
图2-2是转台定位误差频域示意图；
图2-3是转台测角系统输出的莫尔信号时域示意图和频域示意图；
图3是转台定位误差分离流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
图1-1(a)是转台测角系统中转轴径向偏移示意图，图1-1(b)是转台测角系统中转轴形变示意图，图1-1(c)是转台测角系统中转轴倾斜示意图。转台测角系统中，转台是角度发生装置，也是光栅盘的载体，转台姿态的变化影响转台测角系统输出的莫尔信号幅值，导致转台测角系统输出的测角结果偏离当前时刻角位置，影响转台定位精度。
图1-2是转台测角系统测角过程中因转台姿态引入转台定位误差示意图。转台发生角度带动光栅盘旋转，当转台以转速v转动时，光栅读数头接收到入射光通过光栅副形成的明暗相间的莫尔条纹输出莫尔信号，再对光栅莫尔信号进行电子细分处理后最终转化为角度信息输出。在光栅盘刻划线分布均匀，光栅盘安装正确的情况下，由于转台转轴径向偏移，导致图1-2(a)中光栅读数头的感光面积从S1减小到S2，光栅读数头接收到的光强变弱使得输出的莫尔信号幅值衰减；由于转台转轴倾斜，导致图1-2(b)中光栅读数头到光栅盘的间距从L1增加到L2，光栅读数头接收到的光强变弱使得输出的莫尔信号幅值衰减；由于转台转轴倾斜，图1-2(c)中的光栅读数头到光栅盘的间距从L1减小到L3，光栅读数头接收到的光强变强使得输出的莫尔信号幅值增加。图1-2(d)是转台测角系统输出莫尔信号与理想光栅莫尔信号示意图。由于转台测角系统受到转台姿态的影响，使得其输出的莫尔信号幅值相对于理想光栅莫尔信号幅值产生变化，进而引入转台定位误差。
图2-1(a)是理想光栅莫尔信号时域示意图，图2-1(b)是理想光栅莫尔信号频域示意图。不考虑光栅盘制作工艺误差、光栅盘安装误差的影响，转台匀速转动时，光电接收器接收到经过光栅刻划线呈现正弦规律变化的光强时，输出等幅、正交、不含直流误差、频率恒定的正余弦莫尔信号。
为更直观说明，采用余弦信号进行分析，图2-1(a)中TC为理想光栅莫尔信号周期，当转台以恒速v转动时，由式(1)得到理想莫尔信号的角频率ωC，
Figure BDA0002772465700000031
式(1)中，k为转台测角系统中光栅盘圆周刻线数。
则理想光栅莫尔信号表达式为：
UC＝AcosωCt (2)
式(2)中A为理想光栅莫尔信号幅值。
图2-2是转台定位误差频域示意图。实际情况中，转台回转以2p为周期，具有圆周封闭性，转台在全圆范围旋转过程中由于转台姿态导致的光栅盘偏心、偏斜等因素的影响，使转台定位误差表现为包含多次谐波的周期信号，所以用包含多次谐波的级数表示转台定位误差：
Figure BDA0002772465700000032
式(3)中i为阶次，Bi为各阶次谐波的幅值，Um的频谱即为各阶次谐波的频谱线性叠加，j为最大谐波阶次。
转台定位误差基角频率ω0与理想光栅莫尔信号角频率ωC的关系为：
Figure BDA0002772465700000033
图2-3(a)是转台测角系统输出的莫尔信号时域示意图。结合转台测角系统测角原理，理想光栅莫尔信号UC与转台定位误差Um经过幅度调制后产生转台测角系统输出的莫尔信号US，其表达式为：
Figure BDA0002772465700000041
图2-3(b)是转台测角系统输出的莫尔信号频域示意图。US的频谱特征表现为理想光栅莫尔信号UC与转台定位误差Um频谱搬移后的特征，在理想光栅莫尔信号角频率ωC附近出现了包含转台定位误差频率成分的上边带和下边带。
图3是分离转台定位误差流程图。实际莫尔信号US经过全波整流后的信号为USF，用傅里叶级数表示USF为：
Figure BDA0002772465700000042
其中n为正整数，表示傅里叶级数展开表达式中分量的谐波阶次；
由式(7)、式(8)、式(9)分别计算式(6)中的未知参数a0、an和bn。
Figure BDA0002772465700000043
Figure BDA0002772465700000051
Figure BDA0002772465700000052
所以USF傅里叶级数为：
Figure BDA0002772465700000053
由式(10)可知当n为奇数时，系数
Figure BDA0002772465700000054
令n＝2n得：
Figure BDA0002772465700000055
由式(3)与式(11)可知，USF只包含直流分量、转台定位误差频谱成分、ωC的偶次谐波分量以及ωC与转台定位误差频谱搬移后的频谱分量。由于ωC＝kω0，将USF通过低通滤波器滤除高于ω0的频谱成分即可获得转台定位误差。
值得指出的是，转台定位误差存在于转台测角系统中，只要是根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无须经过创造性劳动即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种转台定位误差分离方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a.采集转台测角系统输出的莫尔信号US；
b.建立理想光栅莫尔信号UC、转台定位误差Um与转台测角系统输出的莫尔信号US三者的关系模型，其中理想光栅莫尔信号UC与转台定位误差Um经过幅度调制后产生转台测角系统输出的莫尔信号US，具体是：
UC＝AcosωCt
Figure FDA0002772465690000011
Figure FDA0002772465690000012
其中A为理想光栅莫尔信号的幅值，ωC为理想光栅莫尔信号的角频率，t为时间，i为多次谐波中的阶次，Bi为各阶次谐波的幅值，ω0为转台定位误差基角频率，j为最大谐波阶次；
c.通过检波的方法从采集到的莫尔信号US中分离出转台定位误差Um，具体是：
设实际莫尔信号US经过全波整流后的信号为USF，用傅里叶级数表示USF为
Figure FDA0002772465690000013
其中n为正整数，表示傅里叶级数展开表达式中分量的谐波阶次；
由上式可知USF只包含直流分量、转台定位误差频谱成分、ωC的偶次谐波分量以及ωC与转台定位误差频谱搬移后的频谱分量，由于ωC＝kω0，将USF通过低通滤波器滤除高于ω0的频谱成分即可获得转台定位误差，其中k为转台测角系统中光栅盘圆周刻线数。
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