CN113819879B - 基于激光零位计和高频采样的动态角测量方法和测量系统 - Google Patents

基于激光零位计和高频采样的动态角测量方法和测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法和测量系统，属于动态角测量技术领域。所述转台动态角测量方法，包括获取用于圆光栅输出信号的校正的数据、计算相邻零位指示脉冲信号之间的圆光栅信号的正弦波个数、计算转台动态角的校正系数、确定需要解算动态角的采样点的相位信息、求解转台校正后的高精度动态角五个步骤。所述转台动态角测量方法用到的系统包括转台的角编码器、激光零位指示器、高速模数采样模块、数字信号处理模块、动态角显示模块。本发明利用激光零位指示器指示位置准确但指示位置数量有限、基于高频采样的角度编码器采样点数多但精度受限的特点，综合两者测量精度和测量点数的优势，实现高精度的动态角测量。

Description

基于激光零位计和高频采样的动态角测量方法和测量系统
技术领域
本发明属于动态角测量技术领域，涉及一种转台动态角的测量方法和测量系统。
背景技术
测量是信息获取的源头，所有的理论知识和物理规律的发现都是建立在正确测量物理量的基础上，测量技术在当代科学技术领域有着举足轻重的作用，广泛应用于航空航天、工业自动化、惯性导航、机械控制等各个领域。在测量技术中，动态测量的定义是被测对象的测量值是动态变化的。动态测量是测量技术发展的必然，由于动态测量具有动态性、随机性、时空性和相关性，动态测量系统往往更加复杂，影响因素更加广泛。但是动态系统不再受到测量对象的限制，适用于更多的测量领域。
圆光栅的测量原理是圆光栅在不同位置输出莫尔条纹的明暗变化不同，使用圆光栅测量角度具有精度高、重复性好以及体积小等优点，所以广泛应用于航空航天等高精度角度测量的仪器设备中。但由于圆光栅本身存在的刻线不均匀性、安装时的偏心误差和倾斜误差等原因，使得基于圆光栅的测角仪器无法达到其标称精度，所以需要对这些系统误差进行补偿。
传统的角度测量的方法包括机械式和电磁式，分别以多齿分度台和圆磁栅为代表，难以实现角度的自动和快速测量。光学测角以圆光栅测角为典型代表，测量的准确度和稳定性更高，而且圆光栅作为角度度量标准，量值溯源更加方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法和测量系统，利用更高精度的激光零位计校正圆光栅输出信号的系统误差，再使用圆光栅输出信号对激光零位指示器的输出动态角插值处理，得到更加精细的动态角和时间的对应关系，提高转台动态角测量精度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，包括以下步骤：
步骤1：将转台设定为合适的角速率匀速转动，使用高频采样仪器采集角度编码器输出的圆光栅信号，同步记录激光零位指示器输出的脉冲信号。转台每转动一圈，圆光栅角度编码器输出N个完整的正弦波；激光零位指示器输出M个脉冲信号，将转台按照角度均匀划分为M段。
步骤2：选取转台转动C圈的数据，计算每一段相邻脉冲信号对应的圆光栅输出信号包含的完整1Vpp正弦波个数和完整正弦波对应的采样点数，并通过与该段信号的采样总点数的比例关系计算该段信号包含的正弦波的精确个数。
选取转台转动C圈的数据，定位激光零位指示器输出的相邻脉冲信号之间对应的圆光栅输出信号，计算每一段的圆光栅的波形个数，记为Nij，下标i代表该段数据位于转台转动的第i圈，下标j代表该段数据为第i圈内的第j段数据。计算的具体方法为：先计算该段圆光栅输出信号的完整1Vpp正弦波个数，记为N0；完整1Vpp正弦波所占的采样点总数记为S0；该段圆光栅输出信号的采样点个数记为S，则该段信号包含的正弦波的精确个数为：
Figure BDA0003271912480000021
步骤3：通过相邻两个脉冲信号间采集到的正弦波个数与计算得到的正弦波个数的比值，得到转台各段位置的计算动态角的校正系数。
校正系数是指真实输出的相邻脉冲信号间采集到的圆光栅输出信号的正弦波个数与理论输出的正弦波个数的比值。脉冲信号将转台均匀分为M段，即一共有M个校正系数，每一段理论上的正弦波个数为N/M，对每一圈相同位置使用重复测量取平均的方法求校正系数，公式为：
Figure BDA0003271912480000022
其中，下标i代表该段数据位于转台转动的第i圈，下标j代表该段数据为第i圈内的第j段对应的位置。
步骤4：控制转台按未知的角速度转动，相邻脉冲信号之间需要得到k个精确的动态角，使用对应的圆光栅输出信号进行插值。先计算得到插值点对应的圆光栅输出信号采样点的位置，在此基础上，计算每个插值点和脉冲信号对应采样点在其所处正弦波上的相位信息。
驱动转台按照未知的角速率转动，使用高频采样仪器采集角度编码器输出的圆光栅输出信号。转台每转动一圈，根据激光零位指示器的脉冲信号确定出M个精确的动态角数据，使用圆光栅输出信号对需要确定动态角的位置进行插值。每一段中需要k个插值点，计算得到插值点对应的圆光栅输出信号采样点的位置。在此基础上，计算每个插值点和脉冲信号对应采样点在所处正弦波上的相位信息。计算方法为：
Figure BDA0003271912480000023
其中，Pl为对应正弦波内该点p左侧的采样间隔个数，Pa为对应正弦波的采样间隔个数。
对于位于两侧的特殊的采样点则选取相邻的正弦波作为参考求出相位信息。
Figure BDA0003271912480000031
其中，Pl为对应正弦波内该点p左侧的采样点个数，Pr为对应正弦波内该点p右侧的采样点个数。
步骤5：根据插值点对应采样点的相位信息，以及与上一个脉冲信号之间所包含的完整正弦波个数确定该采样点的相对动态角。利用校正系数对相对动态角校正后求解该插值点动态角，提高转台动态角测量精度。
每个脉冲信号对应的动态角为
Figure BDA0003271912480000032
其中，下标i代表该段数据位于转台转动的第i圈，下标j代表该段数据为第i圈内的第j段数据。
对于任意一点p，计算该点的动态角的方法如下：
首先找到该点左侧最近的脉冲信号，其对应的动态角为
Figure BDA0003271912480000033
相位信息为θ0。计算该点p的相对动态角为：
Figure BDA0003271912480000034
其中，N为转台转动一圈输出的1Vpp正弦波个数，np为p点和脉冲信号之间的完整1Vpp正弦波个数，θp为p点的相位信息。
将相对动态角校正得到真实的相对动态角，并进一步得到该点的动态角，计算公式：
Figure BDA0003271912480000035
其中，Rp为p点所在位置对应的校正系数。
由此，实现转台动态角速率的测量，动态角会随时间动态变化。
作为优选，步骤4所述的插值点的选择均匀分布在两个脉冲之间，选择两个脉冲之间的任意采样点，求取该点的动态角，以实现提高动态角的测量的时间分辨率。
为实现所述基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，本发明还公开一种基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量系统，包括角编码器、激光零位指示器、高速模数采样模块、数字信号处理模块、动态角显示模块；角度编码器用于测量转台转过的角度，输出正弦波电压信号；激光零位指示器用于输出转台精确的角度信息，输出脉冲信号；高速模数采样模块用于对将角度编码器输出的正弦电压信号和激光零位指示器输出的脉冲信号进行同步电压采样，将采集的模拟信号转换为数字信号；数字信号处理模块用于对高速模数采样模块输出的数字信号进行处理，计算动态角；动态角显示模块用于对数字信号处理模块输出的动态角速率值进行显示。
有益效果：
1、本发明公开的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法和测量系统，将两套光学测量角度的装置结合起来，激光零位指示器的动态角度测量的精度非常的高，但是测量的点数有限，圆光栅测角装置测量的点数很多，但是由于圆光栅的不均匀性、安装误差等原因会出现周期系统误差。本发明使用激光零位指示器对圆光栅角度编码器输出进行校正，使角度编码器的闭合误差为0的周期由原来的一圈变为激光零位指示器输出脉冲信号的对应长度；使用圆光栅测角系统对激光零位指示器指示的动态角插值，得到更加精细的动态角测量结果。本发明无论是在低速、高速、变速等条件下均能够输出准确结果，在精密转台动态角测量方面有很高的应用价值。
2、本发明公开的一种基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法和测量系统，通过选择采样频率和插值参数，能够输出任意采样点的动态角。
附图说明
图1为本发明公开的一种基于激光零位指示器和高频采样的转台动态角测量方法的流程图；
图2为本发明所涉及的计算精确波形个数的示意图；
图3为本发明所涉及的计算相位信息的示意图；
图4为本发明所涉及的计算动态角的示意图；
图5为本发明所涉及的总体信号测量流程框图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，包括获取用于圆光栅输出信号的校正的数据、计算相邻脉冲信号之间的圆光栅输出信号的正弦波个数、计算转台的校正系数、确定需要解算动态角的采样点的相位信息、求解转台校正后的高精度动态角五个步骤。
步骤1为获取用于圆光栅输出信号的校正的数据。
设定转台的转速为转台速度最为平稳的速度，同步使用高频采样仪器和激光零位指示器同步采集转台的转动的信号。对于激光零位指示器，转台转动一圈，每隔一个固定的角度输出一个脉冲信号，共计输出M个脉冲信号。对于圆光栅角度编码器，转台每转动一圈输出N个完整1Vpp正弦波。
步骤2为计算脉冲信号之间的圆光栅输出信号的精确波形个数。
根据激光零位指示器输出的脉冲信号，选择转台转动C圈的数据。如图2所示，计算每一段相邻脉冲信号对应的圆光栅输出信号包含的完整1Vpp正弦波个数和完整1Vpp正弦波对应的采样点数，分别记为N0和S0，若该段信号的采样总点数为S，则该段信号包含的正弦波的精确个数为：
Figure BDA0003271912480000051
其中，下标i代表该段数据位于转台转动的第i圈，下标j代表该段数据为第i圈内的第j段数据。
步骤3为计算转台的校正系数。
脉冲信号将转台均匀分为M段，即一共有M个校正系数，每一段理论上的正弦波个数为N/M，对每一圈相同位置使用取平均的方法求校正系数，公式为：
Figure BDA0003271912480000052
其中，下标i代表该段数据位于转台转动的第i圈，下标j代表该段数据为第i圈内的第j段对应的位置。
步骤4为获取用于计算动态角的信号数据，确定圆光栅输出信号上需要确定动态角的位置的相位信息。
根据脉冲信号每圈可以确定出M个精确的动态角数据，但是这些点的个数无法满足对时间分辨率的要求，需要使用圆光栅输出信号通过插值的方法获得更多点的动态角信息，不妨假设需要在相邻两个点之间确定k个精确的动态角。
具体方法如图3所示，计算得到插值点对应的圆光栅输出信号采样点的位置。在此基础上，计算每个插值点和脉冲信号对应采样点在所处正弦波上的相位信息。计算方法为：
Figure BDA0003271912480000053
其中，Pl为对应正弦波内该点p左侧的采样间隔个数，Pa为对应正弦波的采样间隔个数。
步骤5为根据圆光栅输出信号求出转台的高精度动态角。
通过任意一段的高精度动态角的求取来说明计算方法。首先得到每个脉冲信号处对应的动态角为
Figure BDA0003271912480000054
其中，i和j的定义与3中相同。
对于任意一点p，想要计算该点的动态角的方法如图4所示，首先找到该点左侧最近的脉冲信号，设其对应的动态角为
Figure BDA0003271912480000055
相位信息为θ0。计算该点p的相对动态角为：
Figure BDA0003271912480000061
其中，N为转台转动一圈输出的正弦波个数，np为p点和脉冲信号之间的完整1Vpp正弦波个数，θp为p点的相位信息。
将相对动态角校正得到真实的动态角，计算公式：
Figure BDA0003271912480000062
其中，Rp为p点所在位置对应的校正系数。
为实现所述的一种基于激光零位指示器和高频采样的转台动态角测量方法，本实施例还公开一种基于激光零位指示器和高频采样的转台动态角测量系统，涉及的装置包括角编码器、激光零位指示器、高速模数采样模块、数字信号处理模块、动态角显示模块；角度编码器通过圆光栅光学扫描的方式，输出的光强为转台的位置而变化，能够识别转台的微小位移；激光零位指示器指示转台精确的角度信息，输出脉冲信号，误差非常小；高速模数采样模块用于对将角度编码器输出的正弦电压信号进行电压采样，将采集的模拟信号转换为数字信号；数字信号处理模块用于对高速模数采样模块输出的数字信号进行处理，计算动态角；动态角显示模块用于对数字信号处理模块输出的动态角速率值进行显示。整体的流程图如图5所示。
综上，本实施例公开的一种基于激光零位计和高频采样的转台动态角解算方法与测量系统。通过激光零位指示器和圆光栅角度编码器分别测量转台的动态角，利用激光零位指示器指示位置准确但指示位置数量有限、基于高频采样的角度编码器采样点数多但精度受限的特点，综合两者测量精度和测量点数的优势，实现高精度的动态角测量。配合相应的硬件模块，实现算法各步骤所需的功能。试验结果表明，该方法和装置可精确获取转台的动态角，适用于高精度转台的动态角测量。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1：将转台设定为合适的角速率匀速转动，使用高频采样仪器采集角度编码器输出的圆光栅信号，同步记录激光零位指示器输出的脉冲信号；转台每转动一圈，圆光栅角度编码器输出N个完整的正弦波；激光零位指示器输出M个脉冲信号，将转台按照角度均匀划分为M段；
步骤2：选取转台转动C圈的数据，计算每一段相邻脉冲信号对应的圆光栅输出信号包含的完整1Vpp正弦波个数和完整正弦波对应的采样点数，并通过与该段信号的采样总点数的比例关系计算该段信号包含的正弦波的精确个数；
步骤3：通过相邻两个脉冲信号间采集到的正弦波个数与计算得到的正弦波个数的比值，得到转台各段位置的计算动态角的校正系数；
步骤3实现方法为，
校正系数是指真实输出的圆光栅信号的正弦波个数与理论输出的正弦波个数的比值；脉冲信号将转台均匀分为M段，即一共有M个校正系数，而每一段理论上的正弦波个数为N/M，对每一圈相同位置使用取平均的方法求校正系数，公式为：
Figure FDA0003718076300000011
其中，下标i代表该段数据位于转台转动的第i圈，下标j代表该段数据为第i圈内的第j段数据，Nij代表正弦波的精确个数；
步骤4：控制转台按未知的角速度转动，假设相邻脉冲信号之间需要得到k个精确的动态角，使用对应的圆光栅输出信号进行插值；先计算得到插值点对应的圆光栅输出信号采样点的位置，然后在此基础上，计算每个插值点和脉冲信号对应采样点在其所处正弦波上的相位信息；
步骤5：根据插值点对应采样点的相位信息，以及与上一个脉冲信号之间所包含的完整正弦波个数确定该采样点的相对动态角；利用校正系数对相对动态角校正后求解该插值点动态角，提高转台动态角测量精度；
步骤5实现方法为，
首先可以确定每个脉冲信号处对应的动态角为
Figure FDA0003718076300000012
其中，下标i代表该段数据位于转台转动的第i圈，下标j代表该段数据为第i圈内的第j段数据；
对于任意一点p，想要计算该点的动态角的方法如下：
首先找到该点左侧最近的脉冲信号，设其对应的动态角为
Figure FDA0003718076300000013
相位信息为θ0；计算该点p的相对动态角为：
Figure FDA0003718076300000021
其中，N为转台转动一圈输出的正弦波个数，np为p点和上一个脉冲信号之间的完整正弦波个数，θp为p点的相位信息；
将相对动态角校正得到动态角，计算公式：
Figure FDA0003718076300000022
其中，Rp为p点所在位置对应的校正系数。
2.如权利要求1所述的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，其特征在于：步骤1实现方法为，
激光零位指示器将转台按照角度均分为M段，并在每段的临界处输出脉冲信号；控制转台匀速转动，激光零位指示器输出周期脉冲信号，同时使用高频采样装置对圆光栅角度编码器输出的圆光栅信号同步采样，得到离散的正弦信号。
3.如权利要求1所述的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，其特征在于：步骤2实现方法为，
选择转台转动C圈的数据，根据激光零位指示器输出的脉冲信号将圆光栅信号分为若干段，计算每一段圆光栅输出信号包含的完整正弦波个数和完整正弦波对应的采样点数，分别记为N0和S0，该段信号的采样总点数为S，则该段信号包含的正弦波的精确个数为：
Figure FDA0003718076300000023
其中，下标i代表该段数据位于转台转动的第i圈，下标j代表该段数据为第i圈内的第j段数据。
4.如权利要求1所述的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，其特征在于：步骤4实现方法为，
转台转动一圈可以确定M个准确的动态角数据，如果想确定任意采样点对应的动态角，需要使用圆光栅输出信号对需要确定动态角的位置进行插值；假设每一段中需要k个插值点；首先计算得到插值点对应的圆光栅信号采样点的位置，然后在此基础上，计算每个插值点和脉冲信号对应采样点在所处正弦波上的相位信息；计算方法为：
Figure FDA0003718076300000024
其中，Pl为对应正弦波内该点p左侧的采样点个数，Pa为对应正弦波的采样点个数。
5.如权利要求1所述的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，其特征在于：通过激光零位指示器对圆光栅信号进行校准，使得圆光栅信号由原来的转动一圈闭合误差为0，变为相邻脉冲信号之间的闭合误差为0。
6.如权利要求1所述的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，其特征在于：使用圆光栅输出的正弦变频信号对相邻脉冲之间的采样点插值，得到任意采样点对应的校正后的精确的动态角。
7.基于激光零位指示器和高频采样的转台动态角测量系统，用于实现如权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于激光零位计和高频采样的转台动态角测量方法，其特征在于：包括角编码器、激光零位指示器、高速模数采样模块、数字信号处理模块、动态角显示模块；角度编码器用于测量转台转过的角度，输出正弦波电压信号；激光零位指示器用于指示转台精确的角度信息，输出脉冲信号；高速模数采样模块用于对将角度编码器输出的正弦电压信号进行电压采样，将采集的模拟信号转换为数字信号；数字信号处理模块用于对高速模数采样模块输出的数字信号进行处理，计算动态角；动态角显示模块用于对数字信号处理模块输出的动态角进行显示。
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