CN114264317A - 伺服稳瞄产品中陀螺仪安装误差数字补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种伺服稳瞄产品中陀螺仪安装误差数字补偿方法，所述数字调节方法通过机械调节改变较大的补偿数值，实现大值调整，同时基于光电稳定平台通过数字轴补偿实现小值调整，通过两者的结合可以给稳像伺服系统提供更加精细步长调整，且通过两者的结合，可以进一步扩大交叉耦合角度量；一种陀螺仪安装误差测量补偿方法，通过依次对光电稳定平台俯仰坐标系X轴、Y轴、Z轴进行角速度输入，实时采集陀螺仪输出角速度。本发明所述的陀螺敏感轴的数字调节方法及误差测量补偿方法，采用数字方法进行敏感轴软件调校方式，以及采用软件通信的方式来调节敏感轴，不需要拆动陀螺仪自身硬件，调节效率高，解决调校时间瓶颈。

Description

伺服稳瞄产品中陀螺仪安装误差数字补偿方法

技术领域

本发明涉及伺服光电系统调节技术，尤其是指一种伺服稳瞄产品中陀螺仪安装误差数字补偿方法。

背景技术

各类具有稳像功能的光电系统安装于各类具有晃动、振动环境的应用场合，如车载、舰载、机载等。这类光电系统往往具有较高的光学成像品质，同时为了适用于载体内人员人眼观察习惯，在光电平台受到外界扰动情况下，仍需要具有较为稳定的光学图像输出。

陀螺仪作为机械式稳像系统中的核心器件，当光电平台受到外界干扰力矩而产生偏移时，陀螺仪作为角速度传感器，将外部环境传递过来的各类干扰信号以较高的带宽真实反馈给处理单元，处理单元收到陀螺仪实时反馈的角速度后，控制伺服电机产生卸荷力矩以平衡外界的干扰力矩，完成系统速度环的闭环控制，进而实现图像稳定。稳像精度是衡量伺服稳像系统性能好坏的重要指标之一，其主要受伺服稳像平台的伺服环架之间的机械误差和陀螺仪的非准直误差影响。同时，对于具有周视观瞄功能的光电稳定平台，为了能够快速的搜索、捕获以及跟踪目标，除了具有较高的搜索速度外，对光电稳定系统的正交性也具有一定的要求，即当光电平台只绕方位向或俯仰向旋转一周时，另一方向的走动量不应高于1mrad，其主要也与伺服框架之间的机械误差和陀螺仪的非准误差有关。

光电稳定平台通常分为两轴或三轴的，他们的转轴总是存在着正交性偏差，陀螺仪自身的敏感轴与其安装基面也存在着正交性偏差，在进行安装时，通常无法直接得到一个较好的量使得陀螺仪自身坐标系与其安装基面坐标系的同名轴之间完全平行，因此需要结合调试情况进行角度的细微调整。

常规的光电类转台其伺服稳像系统的稳定精度要求需要满足50urad～1mrad，在稳像调节时，通过在机械安装孔上的机械调节来调整陀螺仪的敏感轴指向，使其与转台轴系无限接近于正交耦合。这种调整方式更多是基于安装孔轴上的，要实现任意方向的调节较为困难，同时为提高光电平台伺服机构动态响应性能，光电稳定平台往往结构非常紧凑，可操作空间狭小，对陀螺仪的拆卸和移动带来许多不便，该问题在小型化光电稳定平台尤为突出。同时，机械调校往往很难一次就调校成功，通常需要反复多次调校才能保证陀螺仪的安装精度，调校周期较长。当某些转台自身品质较差时，存在着通过机械孔位的调节依旧无法满足系统要求的情况。这些往往都制约着伺服稳像系统稳像精度和正交性的调试，导致该类型产品研制周期过长。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中陀螺仪坐标系与光电平台俯仰轴坐标系各同名轴之间存在的夹角，导致产品绕单一方向转动时，陀螺仪其他方向也能感应到角速度，导致陀螺仪对产品实际转动角速度的测量存在误差，进而影响光电平台的稳像精度以及正交性的问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于伺服稳瞄产品中的陀螺敏感轴数字调节方法，所述数字调节方法通过机械调节改变较大的补偿数值，实现大值调整，同时基于光电稳定平台通过数字轴补偿实现小值调整，通过两者的结合可以给稳像伺服系统提供更加精细步长调整，且通过两者的结合，可以进一步扩大交叉耦合角度量，包括如下步骤：

步骤S1：陀螺仪敏感器件按照常规陀螺仪处理方式，进行正交性标定与修正，使得陀螺仪敏感轴与机械安装法线符合正常出厂要求；

步骤S2：将陀螺仪安装在光电产品中，通过分别控制伺服转台绕某一转轴以固定的速度转动时，通过上位机分别采集陀螺仪各方向相应的输出角速度值，采集完成后通过上位机解算出目前陀螺仪坐标系与陀螺仪安装基面坐标系各同名轴之间的偏差角α、β、γ，并将此偏差角带入陀螺仪内部的正交性补偿矩阵R₀ ^-1中，对陀螺仪各方向输出的速度值在进行偏差修正；

步骤S3：通过外界数字通信口，上位机给陀螺仪发送存储指令，将偏差角α、β、γ存储在陀螺仪内部非易失性器件中，使得陀螺仪每次上电能够调取这些偏差角，并传递入内部的正交变换矩阵中；

步骤S4：在伺服调校时，在机械安装完毕后，可通过数字通信口实现陀螺仪敏感轴的调整，从而实现细微的数字调节，从而达到快速调校伺服。

在本发明的一个实施例中，所述的偏差角α、β、γ为陀螺仪依次绕自身坐标系O_b-X_bY_bZ_b的Z_b轴、Y_b轴、X_b轴旋转的角度，同时使得其坐标系与俯仰坐标系O_a-X_aY_aZ_a之间的同名轴平行，则对应的旋转矩阵分别为：

在本发明的一个实施例中，所述的旋转矩阵相乘得到矩阵R_o，即R_O＝R_Z(α)R_Y(β)R_X(γ)，则：

在本发明的一个实施例中，所述的光电稳定平台输入角速度矢量

陀螺仪总能唯一的对应输出一个角速度矢量

为：

在本发明的一个实施例中，所述的正交性补偿矩阵R₀ ^-1可以使得陀螺仪的对外输出角速度与伺服转台的实际角速度一致。

本申请实施例的另一方面，提供一种陀螺仪安装误差测量补偿方法，通过依次对光电稳定平台俯仰坐标系X轴、Y轴、Z轴进行角速度输入，实时采集陀螺仪输出角速度，包括如下步骤：

步骤S1：陀螺仪产品上电；

步骤S2：开启6s后对陀螺仪漂移进行补偿，先调整光电稳定平台俯仰向归零并锁住；

步骤S3：通过上位机控制光电稳定平台方位向分别以5°/s、10°/s、20°/s进行转动,并实时采集陀螺仪输出的角速度值；

步骤S4：再次调整光电稳定平台俯仰向归零并锁住，通过上位机控制光电稳定平台仰俯位向分别以5°/s、10°/s、20°/s进行转动,并实时

步骤S5：调整光电稳定平台俯仰角为90°并锁住；

步骤S6：通过上位机控制光电稳定平台水平位向分别以5°/s、10°/s、20°/s进行转动,并实时采集陀螺仪输出的角速度值；

步骤S7：通过上位机计算出α、β、γ,并通过上位机对陀螺仪的安装误差进行数字补偿。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的陀螺敏感轴的数字调节方法及误差测量补偿方法，采用数字方法进行敏感轴软件调校方式，相比机械修垫方式可以获取更为精细的调节步长，机械修垫精度往往只能达到mrad级，数字补偿方式的调节精度达到μmrad级甚至无限趋近0；采用软件通信的方式来调节敏感轴，不需要拆动陀螺仪自身硬件，调节效率高，解决调校时间瓶颈；在原机械调节的基础上，由于安装孔的限制，机械调节角度往往受到产品安装方式、安装空间限制，调节范围有限，通过叠加了软件调节，原则上可实现0°-360°内任意角度的调节，增大了陀螺仪敏感轴的调节范围。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明所述基于伺服稳瞄产品中的陀螺敏感轴数字调节方法中陀螺仪坐标系与俯仰坐标系变换过程流程图。

具体实施方式

本实施例提供一种基于伺服稳瞄产品中的陀螺敏感轴数字调节方法，所述数字调节方法通过机械调节改变较大的补偿数值，实现大值调整，同时基于光电稳定平台通过数字轴补偿实现小值调整，通过两者的结合可以给稳像伺服系统提供更加精细步长调整，且通过两者的结合，可以进一步扩大交叉耦合角度量，包括如下步骤：

步骤S1：陀螺仪敏感器件按照常规陀螺仪处理方式，进行正交性标定与修正，使得陀螺仪敏感轴与机械安装法线符合正常出厂要求；

步骤S2：将陀螺仪安装在光电产品中，通过分别控制伺服转台绕某一转轴以固定的速度转动时，通过上位机分别采集陀螺仪各方向相应的输出角速度值，采集完成后通过上位机解算出目前陀螺仪坐标系与陀螺仪安装基面坐标系各同名轴之间的偏差角α、β、γ，并将此偏差角带入陀螺仪内部的正交性补偿矩阵R₀ ^-1中，对陀螺仪各方向输出的速度值在进行偏差修正；

步骤S3：通过外界数字通信口，上位机给陀螺仪发送存储指令，将偏差角α、β、γ存储在陀螺仪内部非易失性器件中，使得陀螺仪每次上电能够调取这些偏差角，并传递入内部的正交变换矩阵中；

步骤S4：在伺服调校时，在机械安装完毕后，可通过数字通信口实现陀螺仪敏感轴的调整，从而实现细微的数字调节，从而达到快速调校伺服。

进一步地，在稳像伺服系统中，由于存在着稳像过程中伺服轴、惯性轴的耦合问题，需要通过外界的扰动形成小干扰，通过处理系统正确的将这些干扰通过稳像算法快速的做出反映以抵消这些干扰，进而形成空间稳定的图像。

陀螺仪敏感轴与伺服转台中转轴间的交叉耦合量存在着不确定性，导致需要反复调节，使得产品调试周期较长，且缺乏调试经验的普通员工还无法进行该工作，需要具有较强的调试经验。有时，机械调整无法满足高精度步进、任意角与宽调整范围等需求。

本发明的数字调节方法是在原有陀螺仪调节方式前提下，增加了敏感轴捷联转换，通过外部通信即可对陀螺仪的敏感轴与伺服轴之间的偏移量进行较为精确的补偿，消除陀螺仪安装带来的各轴系的正交性误差，该方式提高了产品调试效率，降低人员的操作要求，提升了产品调试的便捷性。

如图1所示，所述的偏差角α、β、γ为陀螺仪依次绕自身坐标系O_b-X_bY_bZ_b的Z_b轴、Y_b轴、X_b轴旋转的角度，同时使得其坐标系与俯仰坐标系O_a-X_aY_aZ_a之间的同名轴平行，则对应的旋转矩阵分别为：

所述的旋转矩阵相乘得到矩阵R_o，即R_O＝R_Z(α)R_Y(β)R_X(γ)，则：

所述的光电稳定平台输入角速度矢量

陀螺仪总能唯一的对应输出一个角速度矢量

为：

由于光电稳定平台俯仰坐标系与陀螺仪坐标系的同名轴之间的平行度不同，所以俯仰坐标系的X_a、Y_a、Z_a轴分别在不同的陀螺仪坐标系上X_b、Y_b、Z_b轴上的投影不同。

由式(3)可知，对于含有三个未知参数α、β、γ的矩阵R_o，通过输入三个线性无关的角速度矢量

陀螺仪对应输出三个角速度矢量

构成一个秩为3的线性方程组，解此方程组便可得到三个未知参数α、β、γ。

所述的正交性补偿矩阵R₀ ^-1可以使得陀螺仪的对外输出角速度与伺服转台的实际角速度一致。

进一步地，为了使

即陀螺仪能正确反映转台的实际角速度。

一种陀螺仪安装误差测量补偿方法，通过依次对光电稳定平台俯仰坐标系X轴、Y轴、Z轴进行角速度输入，实时采集陀螺仪输出角速度，包括如下步骤：

步骤S1：陀螺仪产品上电；

步骤S2：开启6s后对陀螺仪漂移进行补偿，先调整光电稳定平台俯仰向归零并锁住；

步骤S3：通过上位机控制光电稳定平台方位向分别以5°/s、10°/s、20°/s进行转动,并实时采集陀螺仪输出的角速度值；

步骤S4：再次调整光电稳定平台俯仰向归零并锁住，通过上位机控制光电稳定平台仰俯位向分别以5°/s、10°/s、20°/s进行转动,并实时采集陀螺

仪输出的角速度值；

步骤S5：调整光电稳定平台俯仰角为90°并锁住；

步骤S6：通过上位机控制光电稳定平台水平位向分别以5°/s、10°/s、20°/s进行转动,并实时采集陀螺仪输出的角速度值；

步骤S7：通过上位机计算出α、β、γ,并通过上位机对陀螺仪的安装误差进行数字补偿。

本发明是在原系统中对陀螺仪自身的敏感轴坐标系与安装基面坐标系之间存在的偏差角进行调整的方式上，在机械式调整的基础上增加了数字补偿方式，进而实现在细小角度上精确、快速调节。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于伺服稳瞄产品中的陀螺敏感轴数字调节方法，所述数字调节方法通过机械调节改变较大的补偿数值，实现大值调整，同时基于光电稳定平台通过数字轴补偿实现小值调整，通过两者的结合可以给稳像伺服系统提供更加精细步长调整，且通过两者的结合，可以进一步扩大交叉耦合角度量，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：陀螺仪敏感器件按照常规陀螺仪处理方式，进行正交性标定与修正，使得陀螺仪敏感轴与机械安装法线符合正常出厂要求；

步骤S2：将陀螺仪安装在光电产品中，通过分别控制伺服转台绕某一转轴以固定的速度转动时，通过上位机分别采集陀螺仪各方向相应的输出角速度值，采集完成后通过上位机解算出目前陀螺仪坐标系与陀螺仪安装基面坐标系各同名轴之间的偏差角α、β、γ，并将此偏差角带入陀螺仪内部的正交性补偿矩阵R₀ ^-1中，对陀螺仪各方向输出的速度值在进行偏差修正；

步骤S3：通过外界数字通信口，上位机给陀螺仪发送存储指令，将偏差角α、β、γ存储在陀螺仪内部非易失性器件中，使得陀螺仪每次上电能够调取这些偏差角，并传递入内部的正交变换矩阵R₀ ^-1中；

步骤S4：在伺服调校时，在机械安装完毕后，可通过数字通信口实现陀螺仪敏感轴的调整，从而实现细微的数字调节，从而达到快速调校伺服。

2.根据权利要求1所述的简易型台车轴承更好装置的制造方法，其特征在于：所述的偏差角α、β、γ为陀螺仪依次绕自身坐标系O_b-X_bY_bZ_b的Z_b轴、Y_b轴、X_b轴旋转的角度，同时使得其坐标系与俯仰坐标系O_a-X_aY_aZ_a之间的同名轴平行，则对应的旋转矩阵分别为：

3.根据权利要求2所述的简易型台车轴承更好装置的制造方法，其特征在于：所述的旋转矩阵相乘得到矩阵R_o，即R_O＝R_Z(α)R_Y(β)R_X(γ)，则：

4.根据权利要求3所述的简易型台车轴承更好装置的制造方法，其特征在于：所述的光电稳定平台输入角速度矢量

陀螺仪总能唯一的对应输出一个角速度矢量

为：

5.根据权利要求1所述的简易型台车轴承更好装置的制造方法，其特征在于：所述的正交性补偿矩阵R₀ ^-1可以使得陀螺仪的对外输出角速度与伺服转台的实际角速度一致。

6.一种陀螺仪安装误差测量补偿方法，通过依次对光电稳定平台俯仰坐标系X轴、Y轴、Z轴进行角速度输入，实时采集陀螺仪输出角速度，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：陀螺仪产品上电；

步骤S2：开启6s后对陀螺仪漂移进行补偿，先调整光电稳定平台俯仰向归零并锁住；

步骤S3：通过上位机控制光电稳定平台方位向分别以5°/s、10°/s、20°/s进行转动,并实时采集陀螺仪输出的角速度值；

步骤S4：再次调整光电稳定平台俯仰向归零并锁住，通过上位机控制光电稳定平台仰俯位向分别以5°/s、10°/s、20°/s进行转动,并实时采集陀螺仪输出的角速度值；

步骤S5：调整光电稳定平台俯仰角为90°并锁住；

步骤S6：通过上位机控制光电稳定平台水平位向分别以5°/s、10°/s、20°/s进行转动,并实时采集陀螺仪输出的角速度值；

步骤S7：通过上位机计算出α、β、γ,并通过上位机对陀螺仪的安装误差进行数字补偿。

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