CN113375626A - 一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法，该方法包括利用惯性装置基于姿态转换矩阵获取每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值；将每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值进行分解得到对应的方位角；基于方位角计算任意两个被测空间矢量的相对平行度。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中测量方法涉及装置较多、需要光线可达、操作复杂、费时费力、测量结果精度低以及重复性差的技术问题。

Description

一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法

技术领域

本发明涉及惯性测量技术领域，尤其涉及一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法。

背景技术

金属冶炼、造纸、印刷等行业的生产线上通常具有大量辊轴，以钢厂为例，制造汽车钢板的生产线有50条以上大型辊轴，分布在10层楼高的厂房内，如果轴之间不平行，则钢板会出现断裂，导致整个生产线停工，每天损失上千万元，因此，需要对辊轴之间的相对平行度进行严格地检测。目前，常用的测量方法均基于光学原理，需要在辊轴和地面之间安装基准镜，而且要借助水平仪、基准平台等装置，不仅需要光线可达，而且费时费力，同时测量结果的精度对操作者的依赖度较高，测量结果重复性差。

发明内容

本发明提供了一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法，能够解决现有技术中测量方法涉及装置较多、需要光线可达、操作复杂、费时费力、测量结果精度低以及重复性差的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法，方法包括：

利用惯性装置基于姿态转换矩阵获取每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值；

将每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值进行分解得到对应的方位角；

基于方位角计算任意两个被测空间矢量的相对平行度。

进一步地，利用惯性装置基于姿态转换矩阵获取被测空间矢量在导航坐标系的坐标值包括：

将惯性装置以被测空间矢量为转动轴转动预设角度以在预设角度内得到多个测量位，获取多个测量位对应的多个姿态转换矩阵；

基于多个姿态转换矩阵计算得到与被测空间矢量垂直的多个垂直矢量在导航坐标系的投影；

利用多个垂直矢量在导航坐标系的投影，计算得出被测空间矢量在导航坐标系的若干个初测坐标值；

计算若干个初测坐标值的平均值，并将平均值作为被测空间矢量在导航坐标系的坐标值。

进一步地，通过下式基于多个姿态转换矩阵计算得到与被测空间矢量垂直的多个垂直矢量在导航坐标系的投影：

其中，

表示在第m测量位获取的载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，y_bm表示第m垂直矢量在载体坐标系的投影，y_nm表示第m垂直矢量在导航坐标系的投影。

进一步地，通过下式利用多个垂直矢量在导航坐标系的投影，计算得出被测空间矢量在导航坐标系的若干个初测坐标值：

其中，y'_target表示被测空间矢量在导航坐标系的初测坐标值，y_np表示第p垂直矢量在导航坐标系的投影，y_nq表示第q垂直矢量在导航坐标系的投影，p≠q。

进一步地，通过下式基于方位角计算任意两个被测空间矢量的相对平行度：

其中，

表示第t被测空间矢量在导航坐标系的坐标分解得到的第t方位角，

表示第s被测空间矢量在导航坐标系的坐标分解得到的第s方位角，

表示第t被测空间矢量和第s被测空间矢量的相对平行度，t≠s。

进一步地，预设角度的取值范围为大于20°。

进一步地，计算若干个初测坐标值的平均值并将平均值作为被测空间矢量在导航坐标系的坐标值之前还包括：对若干个初测坐标值进行筛选以剔除无效的初测坐标值。

进一步地，对若干个初测坐标值进行筛选以剔除无效的初测坐标值包括：计算若干个初测坐标值中每个初测坐标值的均方差，剔除均方差大于误差阈值的初测坐标值。

进一步地，误差阈值的取值为0.1。

应用本发明的技术方案，提供了一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法，该方法通过惯性装置以及坐标转换矩阵获取每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值，进而通过坐标值分解得到对应的方位角，最终通过方位角计算任意两个被测空间矢量的相对平行度，该方法不依赖任何光学装置、水平仪、基准平台等辅助装置，仅利用惯性装置，且惯性装置无须安装固定，对被测空间矢量也无可视要求，测量时占用空间小，操作简便，准备迅速，测量效率高，测量结果不依赖于操作者，测量精度高，重复性好，能够实现对大量空间矢量相对平行度的高效、高精度测量。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中测量方法涉及装置较多、需要光线可达、操作复杂、费时费力、测量结果精度低以及重复性差的技术问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

陀螺仪作为一种惯性装置具有测量结果精度高、可靠性高的特点，在陆用、船用、航空、民用测绘领域得到大量应用。随着近年来国内陀螺技术的快速发展，激光陀螺的精度已达0.002°/h，光纤陀螺的精度可达0.005°/h，在测量空间矢量相对平行度领域具有较大应用潜力，但目前尚无相关应用实例。

为了实现惯性技术在测量空间矢量平行度的应用，定义坐标系如下：

a)载体坐标系(OX_bY_bZ_b)

载体坐标系采用“前--上--右”坐标系，坐标原点选取惯性装置的质心，OX_b轴沿惯性装置纵轴方向且向前为正，OY_b轴沿惯性装置竖轴方向且向上为正，OZ_b轴沿惯性装置横轴方向且向右为正。

b)地理坐标系(OX_gY_gZ_g)

地理坐标系采用“北--天--东”坐标系。坐标原点选取惯性装置的质心，OX_g轴沿地理南北方向，指北为正；OY_g轴沿地理天方向，指天为正；OZ_g轴沿地理东西方向，指东为正。

c)导航坐标系(OX_nY_nZ_n)

选取地理坐标系为导航坐标系，即坐标原点选取惯性装置的质心，OX_n轴沿地理南北方向，指北为正；OY_n轴沿地理天方向，指天为正；OZ_n轴沿地理东西方向，指东为正。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法，方法包括：

S1，利用惯性装置基于姿态转换矩阵获取每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值；

S2，将每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值进行分解得到对应的方位角；

S3，基于方位角计算任意两个被测空间矢量的相对平行度。

应用此种配置方式，提供了一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法，该方法通过惯性装置以及坐标转换矩阵获取每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值，进而通过坐标值分解得到对应的方位角，最终通过方位角计算任意两个被测空间矢量的相对平行度，该方法不依赖任何光学装置、水平仪、基准平台等辅助装置，仅利用惯性装置，且惯性装置无须安装固定，对被测空间矢量也无可视要求，测量时占用空间小，操作简便，准备迅速，测量效率高，测量结果不依赖于操作者，测量精度高，重复性好，能够实现对大量空间矢量相对平行度的高效、高精度测量。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中测量方法涉及装置较多、需要光线可达、操作复杂、费时费力、测量结果精度低以及重复性差的技术问题。

本发明中，通过下式基于方位角计算任意两个被测空间矢量的相对平行度：

其中，

表示第t被测空间矢量在导航坐标系的坐标分解得到的第t方位角，

表示第s被测空间矢量在导航坐标系的坐标分解得到的第s方位角，

表示第t被测空间矢量和第s被测空间矢量的相对平行度，t≠s。

利用惯性装置获取被测空间矢量在导航坐标系的坐标值是本发明的核心步骤，作为本发明的一个具体实施例，利用惯性装置基于姿态转换矩阵获取被测空间矢量在导航坐标系的坐标值包括：

将惯性装置以被测空间矢量为转动轴转动预设角度以在预设角度内得到多个测量位，获取多个测量位对应的多个姿态转换矩阵；

基于多个姿态转换矩阵计算得到与被测空间矢量垂直的多个垂直矢量在导航坐标系的投影；

利用多个垂直矢量在导航坐标系的投影，计算得出被测空间矢量在导航坐标系的若干个初测坐标值；

计算若干个初测坐标值的平均值，并将平均值作为被测空间矢量在导航坐标系的坐标值。

姿态转换矩阵的表达式由与惯性装置导航计算得到的姿态角得出，惯性装置在不同测量位导航计算出对应的姿态角，再由姿态角得出不同测量位的姿态转换矩阵，姿态角包括滚转角、航向角和俯仰角。姿态转换矩阵的表达式为：

其中，

表示载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，γ表示滚转角，

表示航向角，θ表示俯仰角。

作为本发明的一个具体实施例，在每个测量位保持惯性装置的底面与被测空间矢量相贴合，即空间矢量与惯性装置底面为线接触，通过下式基于多个姿态转换矩阵计算得到与被测空间矢量垂直的多个垂直矢量在导航坐标系的投影：

其中，

表示在第m测量位获取的载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，y_bm表示第m垂直矢量在载体坐标系的投影，y_nm表示第m垂直矢量在导航坐标系的投影。

进一步地，通过下式利用多个垂直矢量在导航坐标系的投影，计算得出被测空间矢量在导航坐标系的若干个初测坐标值：

其中，y'_target表示被测空间矢量在导航坐标系的初测坐标值，y_np表示第p垂直矢量在导航坐标系的投影，y_nq表示第q垂直矢量在导航坐标系的投影，p≠q。本发明中，针对一个被测空间矢量的测量位的数量至少为两个，利用惯性装置在两个测量位分别得到两个姿态转换矩阵，从而计算得到与被测空间矢量垂直的两个垂直矢量在导航坐标系的投影，进而通过两个垂直矢量在导航坐标系的投影计算得出被测空间矢量在导航坐标系的初测坐标值，并将此初测坐标值直接作为被测空间矢量在导航坐标系的坐标值。考虑到被测空间矢量例如钢厂辊轴的粗糙度、与惯性装置底面的贴合度以及人的操作等因素可能带来测量误差，对测量结果带来较大噪声，因此理论上测量位的数量越多越好，通过计算多个初测坐标值平均值的方法来减小误差，提高测量精度。但在实际测量中，不同应用场景对空间矢量相对平行度的测量精度要求不同，可以根据精度需要决定测量位的数量。

为了保证测量位的数量足够多，测量位对被测空间矢量的覆盖范围足够大，预设角度的取值范围为大于20°，以此来保证测量精度。

此外，为了进一步减小误差，提高测量精度，计算若干个初测坐标值的平均值并将平均值作为被测空间矢量在导航坐标系的坐标值之前还包括：对若干个初测坐标值进行筛选以剔除无效的初测坐标值。

作为本发明的一个具体实施例，对若干个初测坐标值进行筛选以剔除无效的初测坐标值包括：计算若干个初测坐标值中每个初测坐标值的均方差，剔除均方差大于误差阈值的初测坐标值。通过此种方式，能够大幅减小被测空间矢量粗糙度、与惯性装置底面的贴合度以及人的操作等因素对测量结果带来的噪声，将剩余初测坐标值的平均值作为被测空间矢量在导航坐标系的坐标值，精度得到显著提高。

误差阈值的取值根据实际需要进行确定，例如，误差阈值的取值为0.1。

本发明中，惯性装置的类型和型号根据实际需要进行选择，例如采用高精度光纤陀螺仪作为测量所用惯性装置。测量前，先利用当地经纬度对惯性装置进行初始装订，再执行初始对准和导航过程，以完成测量前的准备工作。作为本发明的一个具体实施例，基于某型精度为0.01度/小时的惯性装置利用本发明的测量方法对钢厂辊轴进行相对平行度测量，通过巧妙的数学计算和信息融合处理，直接得出辊轴之间的相对平行度，给工厂提供调整方案。测量精度达到0.1毫米/米，2人2天可完成传统3人5天的测量工作。与传统光学瞄准测量方法相比，本发明的方法准备迅速，测量时间短、精度高，结果重复性好，效果显著。

综上所述，本发明提供了一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法，该方法通过惯性装置以及坐标转换矩阵获取每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值，进而通过坐标值分解得到对应的方位角，最终通过方位角计算任意两个被测空间矢量的相对平行度，该方法不依赖任何光学装置、水平仪、基准平台等辅助装置，仅利用惯性装置，且惯性装置无须安装固定，对被测空间矢量也无可视要求，测量时占用空间小，操作简便，准备迅速，测量效率高，测量结果不依赖于操作者，测量精度高，重复性好，能够实现对大量空间矢量相对平行度的高效、高精度测量。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中测量方法涉及装置较多、需要光线可达、操作复杂、费时费力、测量结果精度低以及重复性差的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于惯性装置的空间矢量相对平行度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

利用惯性装置基于姿态转换矩阵获取每个被测空间矢量在导航坐标系的坐标值；

将每个所述被测空间矢量在导航坐标系的坐标值进行分解得到对应的方位角；

基于所述方位角计算任意两个所述被测空间矢量的相对平行度。

2.根据权利要求1所述的相对平行度测量方法，其特征在于，利用惯性装置基于姿态转换矩阵获取所述被测空间矢量在导航坐标系的坐标值包括：

将所述惯性装置以所述被测空间矢量为转动轴转动预设角度以在所述预设角度内得到多个测量位，获取多个所述测量位对应的多个姿态转换矩阵；

基于多个所述姿态转换矩阵计算得到与所述被测空间矢量垂直的多个垂直矢量在导航坐标系的投影；

利用多个所述垂直矢量在导航坐标系的投影，计算得出所述被测空间矢量在导航坐标系的若干个初测坐标值；

计算所述若干个初测坐标值的平均值，并将所述平均值作为所述被测空间矢量在导航坐标系的坐标值。

3.根据权利要求2所述的相对平行度测量方法，其特征在于，通过下式基于多个所述姿态转换矩阵计算得到与所述被测空间矢量垂直的多个垂直矢量在导航坐标系的投影：

其中，

表示在第m测量位获取的载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，y_bm表示第m垂直矢量在载体坐标系的投影，y_nm表示所述第m垂直矢量在导航坐标系的投影。

4.根据权利要求3所述的相对平行度测量方法，其特征在于，通过下式利用多个所述垂直矢量在导航坐标系的投影，计算得出所述被测空间矢量在导航坐标系的若干个初测坐标值：

其中，y'_target表示所述被测空间矢量在导航坐标系的初测坐标值，y_np表示第p垂直矢量在导航坐标系的投影，y_nq表示第q垂直矢量在导航坐标系的投影，p≠q。

5.根据权利要求4所述的相对平行度测量方法，其特征在于，通过下式基于所述方位角计算任意两个所述被测空间矢量的相对平行度：

其中，

表示第t被测空间矢量在导航坐标系的坐标分解得到的第t方位角，

表示第s被测空间矢量在导航坐标系的坐标分解得到的第s方位角，

表示所述第t被测空间矢量和所述第s被测空间矢量的相对平行度，t≠s。

6.根据权利要求5所述的相对平行度测量方法，其特征在于，所述预设角度的取值范围为大于20°。

7.根据权利要求6所述的相对平行度测量方法，其特征在于，计算所述若干个初测坐标值的平均值并将所述平均值作为所述被测空间矢量在导航坐标系的坐标值之前还包括：对所述若干个初测坐标值进行筛选以剔除无效的初测坐标值。

8.根据权利要求7所述的相对平行度测量方法，其特征在于，对所述若干个初测坐标值进行筛选以剔除无效的初测坐标值包括：计算所述若干个初测坐标值中每个初测坐标值的均方差，剔除均方差大于误差阈值的初测坐标值。

9.根据权利要求8所述的相对平行度测量方法，其特征在于，所述误差阈值的取值为0.1。

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