CN112902944A - 补偿光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补偿光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的方法。该方法通过事先标定得到的光纤陀螺失准角和应用中利用倾角传感器对光纤陀螺安装状态的监测，建立了应用中由于光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的补偿模型，实现了在应用现场对两者引起的角度测量误差的补偿。本发明不但能有效地减小现场应用中的光纤陀螺角度测量误差，而且能极大程度地降低实际工程中工作人员对光纤陀螺安装操作的复杂程度，能进一步推广光纤陀螺在角度测量领域的应用。

Description

补偿光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的方法

技术领域

本发明涉及一种在实际工程应用中补偿光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的方法。

背景技术

近年来，随着国家逐步把推动发展的立足点转到提高质量和效益上来，国家质量基础研究的重要性和作用不断得到提高，计量作为国家质量基础研究的重要组成部分也不断得到重视。光纤陀螺作为一种新型的全固态角速度传感器，具有启动时间短、测量范围大、灵敏度高、集成度高、性价比高等优点，在实际的角度计量或测量的工程应用中具有广阔的应用前景，有望作为新型的标准器应用于角度计量领域，推动计量领域的发展。光纤陀螺的整个应用过程是一种先标定后应用的过程，且标定结果和应用结果同时受到安装和光纤陀螺自身失准角的影响。光纤陀螺的失准角可以认为是一个恒定的量，可以事先通过标定得到光纤陀螺失准角的大小及方向。但是由于光纤陀螺安装的不同，同样的光纤陀螺失准角引起的误差是不同的。因此，为了保证测量结果的准确性，理论上必须保证光纤陀螺在标定和应用过程中的安装状态是一致的，否则就会造成测量误差，其中同时包含了光纤陀螺失准角和安装不同引起的误差。由于实际工程应用中的环境往往复杂多变，因此，光纤陀螺在实际工程应用中的安装状态很难得到保证，往往会对测量结果造成一定的影响。工作人员为了减小由此造成的角度测量误差，需进行一系列复杂枯燥的安装工作来保证安装的一致性。光纤陀螺在角度测量的实际工程应用中的这一缺陷在一定程度上也阻碍了光纤陀螺在角度计量领域中作为一种有效的标准器的推广和应用。

发明内容

针对在实际的角度测量工程应用中，光纤陀螺的测量误差受到安装和失准角影响的问题，本发明提供了一种补偿光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的方法，通过事先标定得到的光纤陀螺失准角和应用中利用倾角传感器对光纤陀螺安装状态的监测，建立了应用中由于光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的补偿模型，实现了在应用现场对两者引起的角度测量误差的补偿。

一种补偿光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的方法，

首先，将倾角传感器和光纤陀螺安装固定在同一个安装面上，三者组成角度测量单元，在标定或者应用过程中，将角度测量单元安装在标定设备或者待测载体上；以安装面为X′OY′平面，OX′轴和OY′轴分别与倾角传感器的X方向的敏感轴和Y方向的敏感轴重合，安装面的法线方向为OZ′轴建立直角坐标系OX′Y′Z′；以水平面为XOY平面，当安装面处于水平状态下时X′OY′平面的OX′轴和OY′轴为XOY平面的OX轴和OY轴，水平面的法线方向为OZ轴建立直角坐标系OXYZ；光纤陀螺存在失准角，光纤陀螺的敏感轴并不与坐标系OX′Y′Z′的OZ′轴重合，即光纤陀螺的敏感轴与坐标系OX′Y′Z′的OZ′轴存在夹角δ′，实际应用中需要对由于安装不严格引起的安装和失准角误差进行补偿；

假设在标定光纤陀螺时的安装状态记为S₁，在该状态下建立的坐标系OX′Y′Z′可以由当安装面处于水平状态下时建立的坐标系OX′Y′Z′先绕坐标系OXYZ的OX轴旋转角度β₁，再绕旋转后的坐标系OX′Y′Z′的OY′轴旋转角度α₁得到；

假设在应用光纤陀螺时的安装状态记为S₂，在该状态下建立的坐标系OX′Y′Z′可以由当安装面处于水平状态下时建立的坐标系OX′Y′Z′先绕坐标系OXYZ的OX轴旋转角度β₂，再绕旋转后的坐标系OX′Y′Z′的OY′轴旋转角度α₂得到；

根据倾角传感器的倾角测量原理，在任意安装状态下，倾角传感器的输出值分别为坐标系OX′Y′Z′的OX′轴和坐标系OX′Y′Z′的OY′轴与水平面XOY平面的夹角，因此，根据空间解析几何的关系，得到在标定光纤陀螺时的安装状态S₁下倾角传感器的输出ψ_1X，ψ_1Y与β₁和α₁之间的关系：

因此，得到：

同理，在应用光纤陀螺时的安装状态S₂下倾角传感器的输出ψ_2X，ψ_2Y与β₂和α₂之间的关系：

通过精密的安装和标定操作，能事先标定得到当安装面处于水平状态下时角度测量单元中的光纤陀螺的失准角的大小和方向，即安装面处于水平状态下时光纤陀螺的敏感轴的大小和方向，利用单位方向向量表示为：

其中：δ′为光纤陀螺的敏感轴与坐标系OX′Y′Z′的OZ′轴之间的夹角，即光纤陀螺的失准角；ξ为在安装面处于水平状态下时，光纤陀螺的敏感轴在水平面XOY平面上的投影与坐标系OXYZ的OX轴之间的夹角；

在标定光纤陀螺时的安装状态S₁和应用光纤陀螺时的安装状态S₂下，光纤陀螺的敏感轴的方向的单位向量分别表示为：

其中：

因此，将公式(2)，公式(3)和公式(4)代入公式(5)，得到：

在标定光纤陀螺时的安装状态S₁和应用光纤陀螺时的安装状态S₂下，光纤陀螺敏感轴与坐标系OXYZ的OZ轴之间的夹角分别表示为：

在实际应用中，当标定光纤陀螺时的安装状态S₁和应用光纤陀螺时的安装状态S₂不完全相同时，即α₁≠α₂或β₁≠β₂时，实际的角度测量结果中存在由于安装和失准角引起的角度测量误差，通过上述的推导和光纤陀螺的角度测量原理，对光纤陀螺的角度测量结果进行补偿；

其中：θ_mea为在实际应用中直接测量得到结果；θ_compensation为经过误差补偿后得到的补偿结果。

本发明的有益效果是：本发明针对光纤陀螺在实际应用中的角度测量误差受到光纤陀螺安装和失准角影响的问题，通过建立相应的角度测量误差的补偿模型，实现了对光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的补偿。这不但有效地减小了现场应用中的光纤陀螺角度测量误差，而且能极大程度地降低实际工程中工作人员对光纤陀螺安装操作的复杂程度，能进一步推广光纤陀螺在角度测量领域的应用。

附图说明

图1为本发明使用时安装示意图；

其中：倾角传感器1、光纤陀螺2、安装面3。

图2为本发明标定或者应用过程中的安装示意图；

其中：角度测量单元4、标定设备或者待测载体5。

图3为在理想安装状态下，标定或者应用过程中的坐标系示意图。

图4为实际标定过程中的安装情况的坐标系示意图。

图5为实际应用过程中的安装情况的坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，首先，将倾角传感器1和光纤陀螺2安装在同一个安装面3上，安装完毕后，倾角传感器1、光纤陀螺2和安装面3之间的相对位置就已经相对固定，三者组成角度测量单元4。在标定或者应用过程中，将角度测量单元4安装在标定设备或者待测载体5上，如图2所示。

如图3、图4、图5所示所示建立坐标系，其中坐标系OXYZ是固定不动的，坐标系OX′Y′Z′随着安装的不同发生相应的变化：以倾角传感器1和光纤陀螺2的安装面3为X′OY′平面，OX′轴和OY′轴分别与倾角传感器1的X方向的敏感轴和Y方向的敏感轴重合，安装面3的法线方向为OZ′轴建立直角坐标系OX′Y′Z′。以水平面为XOY平面，水平面的法线方向为OZ轴建立直角坐标系OXYZ，在理想的安装情况下，安装面3与水平面重合(即XOY平面和X′OY′平面重合)，同时定义此时的OX′轴和OY′轴方向为XOY平面的OX轴和OY轴方向，实现如图3所示的安装和坐标系定义。此时坐标系OX′Y′Z′和坐标系OXYZ完全重合，倾角传感器1和光纤陀螺2所在的安装面3完全水平，倾角传感器1的双轴倾角输出均为零。但由于光纤陀螺2自身加工制造、光纤环绕制等原因，光纤陀螺2存在失准角，光纤陀螺2的敏感轴并不与坐标系OX′Y′Z′的OZ′轴重合，即光纤陀螺2的敏感轴与坐标系OX′Y′Z′的OZ′轴存在夹角δ′。光纤陀螺2在实际工程中的应用过程是一个先标定后应用的过程，因此，为了保证应用精度，理论上需要保证标定时的安装与应用时的安装完全一致，否则不但会引入安装误差，而且对于同样的失准角，不同的安装也会引入不同的失准角误差。受限于实际，要做到光纤陀螺2在标定时的安装与应用时的安装完全一致，或做到如图3所示的坐标系OX′Y′Z′和坐标系OXYZ完全重合的理想安装，需要进行一系列精密的安装操作，这会很大程度上增大工作人员的安装工作量，而且对工作人员的专业程度也有极高的要求，同时也会增加光纤陀螺在实际工程中的应用难度。因此，若想解决上述的问题且保证测量结果的准确性，需要对由于安装不严格引起的安装和失准角误差进行补偿。假设在标定时光纤陀螺2的安装如图4所示，图4中坐标系OX′Y′Z′可以通过图3中的坐标系OX′Y′Z′先绕OX轴旋转角度β₁，再绕旋转后的坐标系OX′Y′Z′的OY′轴旋转角度α₁得到。在应用时光纤陀螺2的安装如图5所示，图5中坐标系OX′Y′Z′可以通过图3中的坐标系OX′Y′Z′先绕OX轴旋转角度β₂，再绕旋转后的坐标系OX′Y′Z′的OY′轴旋转角度α₂得到。

根据倾角传感器1的倾角测量原理，在任意安装状态下，倾角传感器1的输出值分别为坐标系OX′Y′Z′的OX′轴和坐标系OX′Y′Z′的OY′轴与水平面XOY平面的夹角，因此，根据空间解析几何的关系，得到图4中倾角传感器1的输出ψ_1X，ψ_1Y与β₁和α₁之间的关系:

在图4中，有：

因此，得到：

同理，在图5中有：

在实际中，通过精密的安装和标定操作，能事先标定得到当安装面3处于水平状态下时角度测量单元4中的光纤陀螺2的失准角的大小和方向，即图3中所示的安装状态下光纤陀螺2的敏感轴的大小和方向，利用单位方向向量表示为：

其中：δ′为光纤陀螺2的敏感轴与坐标系OX′Y′Z′的OZ′轴之间的夹角，即光纤陀螺2的失准角；ξ为在安装面3处于水平状态下时，即图3中所示的安装状态下，光纤陀螺2的敏感轴在水平面XOY平面上的投影与坐标系OXYZ的OX轴之间的夹角。

在图4和图5中安装状态下，光纤陀螺2的敏感轴的方向的单位向量分别表示为：

其中：

因此，将公式(2)，公式(3)和公式(4)代入公式(5)，可以得到：

在图4和图5中，光纤陀螺2敏感轴与坐标系OXYZ的OZ轴之间的夹角分别表示为：

在实际应用中，当图5所示的应用过程中的安装与图4所示的标定过程中的安装不完全相同时，即α₁≠α₂或β₁≠β₂时，实际的角度测量结果中存在由于安装和失准角引起的角度测量误差，通过上述的推导和光纤陀螺的角度测量原理，对光纤陀螺2的角度测量结果进行补偿。

其中：θ_mea为在实际应用中直接测量得到结果；θ_compensation为经过误差补偿后得到的补偿结果。

以上所述为本发明在实际工程应用中补偿光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的方法，同时也是本发明设计的理论依据。

本发明提出的方法不但能有效减小现场应用中的光纤陀螺角度测量误差，而且能极大程度地减少实际工程中工作人员为了减小或消除由于安装和失准角引起的误差而进行的一系列复杂的安装操作，有助于促进光纤陀螺在角度计量领域的应用与推广。

Claims (1)

1.一种补偿光纤陀螺安装和失准角引起的角度测量误差的方法，其特征在于，

首先，将倾角传感器和光纤陀螺安装固定在同一个安装面上，三者组成角度测量单元，在标定或者应用过程中，将角度测量单元安装在标定设备或者待测载体上；以安装面为X′OY′平面，OX′轴和OY′轴分别与倾角传感器的X方向的敏感轴和Y方向的敏感轴重合，安装面的法线方向为OZ′轴建立直角坐标系OX′Y′Z′；以水平面为XOY平面，当安装面处于水平状态下时X′OY′平面的OX′轴和OY′轴为XOY平面的OX轴和OY轴，水平面的法线方向为OZ轴建立直角坐标系OXYZ；光纤陀螺存在失准角，光纤陀螺的敏感轴并不与坐标系OX′Y′Z′的OZ′轴重合，即光纤陀螺的敏感轴与坐标系OX′Y′Z′的OZ′轴存在夹角δ′，实际应用中需要对由于安装不严格引起的安装和失准角误差进行补偿；

假设在标定光纤陀螺时的安装状态记为S₁，在该状态下建立的坐标系OX′Y′Z′可以由当安装面处于水平状态下时建立的坐标系OX′Y′Z′先绕坐标系OXYZ的OX轴旋转角度β₁，再绕旋转后的坐标系OX′Y′Z′的OY′轴旋转角度α₁得到；

假设在应用光纤陀螺时的安装状态记为S₂，在该状态下建立的坐标系OX′Y′Z′可以由当安装面处于水平状态下时建立的坐标系OX′Y′Z′先绕坐标系OXYZ的OX轴旋转角度β₂，再绕旋转后的坐标系OX′Y′Z′的OY′轴旋转角度α₂得到；

根据倾角传感器的倾角测量原理，在任意安装状态下，倾角传感器的输出值分别为坐标系OX′Y′Z′的OX′轴和坐标系OX′Y′Z′的OY′轴与水平面XOY平面的夹角，因此，根据空间解析几何的关系，得到在标定光纤陀螺时的安装状态S₁下倾角传感器的输出ψ_1X，ψ_1Y与β₁和α₁之间的关系：

因此，得到：

同理，在应用光纤陀螺时的安装状态S₂下倾角传感器的输出ψ_2X，ψ_2Y与β₂和α₂之间的关系：

通过精密的安装和标定操作，能事先标定得到当安装面处于水平状态下时角度测量单元中的光纤陀螺的失准角的大小和方向，即安装面处于水平状态下时光纤陀螺的敏感轴的大小和方向，利用单位方向向量表示为：

其中：δ′为光纤陀螺的敏感轴与坐标系OX′Y′Z′的OZ′轴之间的夹角，即光纤陀螺的失准角；ξ为在安装面处于水平状态下时，光纤陀螺的敏感轴在水平面XOY平面上的投影与坐标系OXYZ的OX轴之间的夹角；

在标定光纤陀螺时的安装状态S₁和应用光纤陀螺时的安装状态S₂下，光纤陀螺的敏感轴的方向的单位向量分别表示为：

其中：

因此，将公式(2)，公式(3)和公式(4)代入公式(5)，得到：

在标定光纤陀螺时的安装状态S₁和应用光纤陀螺时的安装状态S₂下，光纤陀螺敏感轴与坐标系OXYZ的OZ轴之间的夹角分别表示为：

在实际应用中，当标定光纤陀螺时的安装状态S₁和应用光纤陀螺时的安装状态S₂不完全相同时，即α₁≠α₂或β₁≠β₂时，实际的角度测量结果中存在由于安装和失准角引起的角度测量误差，通过上述的推导和光纤陀螺的角度测量原理，对光纤陀螺的角度测量结果进行补偿；

其中：θ_mea为在实际应用中直接测量得到结果；θ_compensation为经过误差补偿后得到的补偿结果。

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