CN117686739A - 一种动态角加速度测量与评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种动态角加速度测量与评估方法，属于测控技术与仪器领域。本发明实现方法为：将圆光栅编码器与被评价的角加速度产生装置的运动部件刚性连接，并使圆光栅编码器的轴与被测量的角加速度产生装置所对应的旋转轴同向；以采样频率FS记录圆光栅编码器输出的两路正交的信号离散点序列V(i)和U(i)；去除V(i)的直流分量：获得均值为0的信号序列V′(i)；通过瞬时频率估计方法获得各点的瞬时频率I(i)；获得角速率大小值序列|ω(i)|：判别角运动的正反方向，第i个点所对应的运动方向通过V(i)和U(i)信号的相位差确定，获得角速度序列ω′(i)，对角速度序列ω′(i)进行数值微分得到角加速度序列a(i)。本发明能够实现大角速率变化范围、高精度动态角加速度的测量与评估。
Description
技术领域
本发明属于测控技术与仪器领域，涉及一种利用圆光栅编码器进行角加速度惯性参量的测量与校准方法。
背景技术
物体在做旋转运动时，会产生角速度和角加速度。通常在实际应用中采用陀螺等传感器获取角速度和角加速值，例如飞行器的惯导系统。而陀螺的静态和动态特性需要通过转台、角加速度台等进行校准。目前通过匀速旋转产生恒定角速率的各种测量方法较为成熟，而对变化的角加速度的评价仍然存在许多问题。
圆光栅编码器是广泛应用的角运动参数测量装置，具有较高的测量精度、较好的动态特性，特别是其光栅具备便于安装的结构特点和可以进行较好地溯源等优势，逐步成为角加速度校准的重要设备。
圆光栅编码器的输出信号通常是两路正交的正弦信号。信号的相位与被测对象的角位移成比例，信号的瞬时频率与被测对象的瞬时角速率成比例。当角加速度动态变化时，比如快速往复旋转摆动或变速转动，信号是时变的非周期信号，即点点的频率都不一致，这对角加速度的解算带来了挑战。另外一个方面，角速率的分辨率与圆光栅编码器的线数成正相关，即线数越多，角速率的分辨率越高；而受到内部光电转换器等的制约，角速率的范围与圆光栅编码器的线数成负相关，即高速率时需要使用线数较少的编码器。
发明内容
本发明的目的是提供一种动态角加速度测量与评估方法，利用圆光栅编码器进行角加速度惯性参量的测量，基于测量信息实现大角速率变化范围、高精度的动态角加速度的解算，即利用圆光栅编码器进行角加速度惯性参量的测量与评估校准。
本发明的目的采取以下的技术方案实现：
本发明公开的一种动态角加速度测量与评估方法，包括以下步骤：
步骤(1)将圆光栅编码器与被评价的角加速度产生装置刚性连接，并使圆光栅编码器的轴与被评价的角加速度所对应的旋转方向轴相同；
步骤(2)以采样频率FS记录圆光栅编码器输出的两路正交的信号离散点序列Vi和Ui，i＝1,2,...,n，其中n为采样点数；
步骤(3)去除Vi的直流分量：
获得均值为0的信号序列V′(i)；
步骤(4)通过瞬时频率估计方法获得各点的瞬时频率I(i)：
I(i)＝T[V′(i)]
其中T[·]表示瞬时频率估计；
步骤(5)获得角速率大小值序列|ω(i)|：
|ω(i)|＝I(i)2π/L
其中L为圆光栅编码器的线数；
步骤(6)判别角运动的正反方向，获得角速度序列ω′(i)：
步骤(7)对角速度序列ω′(i)进行数值微分得到角加速度序列a(i)：
a(i)＝[ω′(i+1)-ω′(i)]FS，i＝0,1,2,...,n-1
所述步骤(1)中，将圆光栅编码器与被评价的角加速度产生装置刚性连接，并使圆光栅编码器的轴与被评价的角加速度所对应的旋转方向轴相同；
所述步骤(4)中，瞬时频率通过相位法、谱峰检测法、过零点法、求根估计法或希尔伯特变换法计算获得；
所述步骤(5)中，根据光栅的线数和角速率|ω(i)|的值确定该光栅的测量信号是否能够使用；
所述步骤(6)中，第i个点所对应的运动方向通过V(i)和U(i)信号的相位差确定，V(i)和U(i)的相位差为π/2时为正向运动，相位差为-π/2时为反向运动。
有益效果：
1、本发明公开的一种动态角加速度测量与评估方法，采用圆光栅可以快速、方便地计算出动态角加速度，实用性强。
2、本发明公开的一种动态角加速度测量与评估方法，利用圆光栅的输出信号特性，可以实现大角速率变化范围的精确测量。
3、本发明公开的一种动态角加速度测量与评估方法，利用角速率的分辨率与圆光栅编码器的线数成正相关，巧妙获得高精度的动态角加速度测量与评估。
附图说明
图1是2个不同线数的圆光栅编码器与被评价角加速度产生装置的连接的示意图。
图2是记录的圆光栅编码器输出的信号离散点序列V(i)示意图。
图3是测量方法所包含的步骤的示意图。
具体实施方式
下面结合发明内容和附图举例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例公开的一种动态角加速度测量与评估方法，具体实现步骤如下：
(1)将光栅线数为36000的圆光栅编码器1和光栅线数为4000的圆光栅编码器2与被评价的角加速度产生装置刚性连接，并使圆光栅编码器的轴与被评价的角加速度所对应的旋转方向轴相同；
(2)以采样频率FS记录每个圆光栅编码器输出的两路正交的信号离散点序列Vi和Ui，i＝1,2,...,n，其中n为采样点数；
(3)去除Vi的直流分量：
获得均值为0的信号序列V′(i)；
(4)通过瞬时频率估计方法获得各点的瞬时频率I(i)：
I(i)＝T[V′(i)]
其中T[·]表示瞬时频率估计，这里我们采用希尔伯特变换法，其步骤如下：
(4.1)通过函数拟合获得离散序列V′(i)对应的连续信号s(t)，再利用希尔伯特变换求得s(t)的共轭信号q(t)
(4.2)获得s(t)对应的解析信号
(4.3)获得瞬时相位信息
(4.4)对进行求导获得信号的瞬时频率。
(5)获得角速率大小值序列|ω(i)|：
|ω(i)|＝I(i)2π/L
其中L为圆光栅编码器的线数；
(6)判别角运动的正反方向，获得角速度序列ω′(i)：
(7)对角速度序列ω′(i)进行数值微分得到角加速度序列a(i)：
a(i)＝[ω′(i+1)-ω′(i)]FS，i＝0,1,2,...,n-1
所述步骤(1)中，将圆光栅编码器与被评价的角加速度产生装置刚性连接，并使圆光栅编码器的轴与被评价的角加速度所对应的旋转方向轴相同；
所述步骤(4)中，瞬时频率通过相位法、谱峰检测法、过零点法、求根估计法和希尔伯特变换法等多种方法计算获得；
所述步骤(5)中，根据光栅的线数和角速率|ω(i)|的值确定该光栅的测量信号是否可以使用；
所述步骤(6)中，第i个点所对应的运动方向通过V(i)和U(i)信号的相位差确定，V(i)和U(i)的相位差为π/2时为正向运动，相位差为-π/2时为反向运动。
所述步骤(7)中，求得角加速度序列a(i)可以用于评估角加速度变化率。
本发明的针对变化的角加速度测量和评价存在的问题，基于圆光栅编码器实现角加速度测量评估，适用于可以安装圆光栅编码器的角加速度产生或测量的相关领域。
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 (5)
1.一种动态角加速度测量与评估方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(1)将圆光栅编码器与被评价的角加速度产生装置的运动部件刚性连接，并使圆光栅编码器的轴与被测量的角加速度产生装置所对应的旋转轴同向；
步骤(2)以采样频率FS记录圆光栅编码器输出的两路正交的信号离散点序列V(i)和U(i)，i＝1，2，...，n，其中n为采样点数；
步骤(3)去除V(i)的直流分量：
获得均值为0的信号序列V′(i)；
步骤(4)通过瞬时频率估计方法获得各点的瞬时频率I(i)：
I(i)＝T[V′(i)]
其中T[·]表示瞬时频率估计；
步骤(5)获得角速率大小值序列|ω(i)|：
|ω(i)|＝I(i)2π/L
其中L为圆光栅编码器的线数；
步骤(6)判别角运动的正反方向，获得角速度序列ω′(i)：
步骤(7)对角速度序列ω′(i)进行数值微分得到角加速度序列a(i)：
a(i)＝[ω′(i+1)-ω′(i)]FS，i＝0，1，2，...，n-1。
2.根据权利要求1所述的一种动态角加速度测量与评估方法，其特征在于：所述步骤(1)中，根据角速度的范围，选择使用2种及以上的不同线数的圆光栅编码器同时与被评价的角加速度产生装置连接。
3.根据权利要求1所述的一种动态角加速度测量与评估方法，其特征在于：所述步骤(4)中，瞬时频率通过相位法、谱峰检测法、过零点法、求根估计法或希尔伯特变换法计算获得。
4.根据权利要求1所述的一种动态角加速度测量与评估方法，其特征在于：所述步骤(5)中，根据光栅的线数和角速率|ω(i)|的值确定该光栅的测量信号是否满足使用要求。
5.根据权利要求1所述的一种动态角加速度测量与评估方法，其特征在于：所述步骤(6)中，第i个点所对应的运动方向通过V(i)和U(i)信号的相位差确定，V(i)和U(i)的相位差为π/2时为正向运动，相位差为-π/2时为反向运动。
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