CN204831330U - 一种三轴转台的姿态传感器测试系统 - Google Patents

一种三轴转台的姿态传感器测试系统 Download PDF

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刘少波
陈庆樟
李其军
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Abstract

一种三轴转台的姿态传感器测试系统,属于测量设备技术领域。包括底座和活动安装在底座上方的U型方位框;方位直流力矩电机,通过方位轴与方位框连接安装;中环框,套设在方位框内且通过左右两侧的中环轴与方位框的侧壁活动连接;一对方位框立座,分别在对应中环轴的位置与方位框的外侧壁固定安装;中环直流力矩电机,通过对应侧的中环轴与中环框连接安装;分度转台,活动安装在中环框的框底内壁的中央位置;转台直流力矩电机,通过转台轴与分度转台连接安装;电机控制单元。优点:测量误差小,定位准确、精度高;能对陀螺仪进行静态试验和动态试验,完成陀螺仪各个数据的标定,满足三轴转台实现多种标定的需求。

Description

一种三轴转台的姿态传感器测试系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于测量设备技术领域,具体涉及一种三轴转台的姿态传感器测试系统,应用于姿态传感器的检测、数据标定以及误差建模。
背景技术
[0002] 姿态传感器是基于MEMS (英文全称为:Micro-Electro_Mechanical System,中文名称为:微机电系统)技术的高性能三维运动姿态测量系统,主要包括加速度传感器和陀螺仪,加速度传感器通过重力加速度得到姿态倾斜角,陀螺仪用来测量姿态的角速度。在机器人平衡控制、汽车定位以及各种船载或车载稳定平台的角度测量等许多领域都需要测得载体姿态信息,姿态传感器应用越来越广泛,需要专门的测试平台对姿态传感器的性能进行测试和分析,而针对这方面的设计和研究还很少。
[0003]目前,测量MEMS姿态传感器的运动学参数精度并无简单易行的办法,国内许多学者通常是利用软件来提高MEMS姿态传感器的精度,在硬件测试方面主要是通过带有可控环境箱的速率转台完成速率测试,而将转台封闭在环境箱内加以观测可实现温度测试。速率转台能够确定陀螺仪及相关电子控制电路对施加于其敏感器输入轴的振荡旋转的频率响应特性。加速度计的性能检查可以使用精密分度头完成。然而,以上方法都只能进行一项或者两项测试,并不能模拟综合测试。
[0004] 现有的三轴多功能转台虽然能够模拟多种运动状态,进行综合试验,但它在实际应用时仍存在很多误差,包括铅垂度误差、倾角回传误差、零位误差、外环轴的角速率误差以及轴线垂直度误差等,然而三轴多功能转台对轴系回转精度、定位精度、测角精度的要求很高,如果一味追求高精度的设计要求会使转台成本很高,因此,研制一款低成本、高精度、能满足综合测试要求的新型三轴转台势在必行。
[0005] 鉴于上述已有技术,本申请人作了有益的设计,下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
[0006] 本实用新型的目的在于提供一种三轴转台的姿态传感器测试系统,生产成本小、精度高、操作简单、能满足惯性器件多种测试功能。
[0007] 本实用新型的目的是这样来达到的,一种三轴转台的姿态传感器测试系统,其特征在于:包括一底座和一活动安装在底座上方的U型方位框;一方位直流力矩电机,所述的方位直流力矩电机设置在底座内并且位于所述的方位框的正下方,方位直流力矩电机通过方位轴与方位框连接安装;一中环框,所述的中环框套设在方位框内且通过左右两侧的中环轴与方位框的侧壁活动连接,中环框和方位框位于同一平面内;一对方位框立座,所述的一对方位框立座分别在对应中环轴的位置与方位框的外侧壁固定安装;一中环直流力矩电机,所述的中环直流力矩电机设置在一对方位框立座的其中一方位框立座内,中环直流力矩电机通过对应侧的中环轴与中环框连接安装;一分度转台,所述的分度转台活动安装在中环框的框底内壁的中央位置;一转台直流力矩电机,所述的转台直流力矩电机在对应分度转台的正下方的位置与中环框的框底外壁固定安装,转台直流力矩电机通过转台轴与分度转台连接安装;一电机控制单元,所述的电机控制单元分别与方位直流力矩电机、中环直流力矩电机以及转台直流力矩电机电连接。
[0008] 在本实用新型的一个具体的实施例中,所述的电机控制单元包括上位机、PMAC运动控制卡、光电编码器以及伺服驱动单元,所述的光电编码器的数量有三个,分别安装在方位直流力矩电机、中环直流力矩电机以及转台直流力矩电机的电机旋转轴上,所述的上位机与PMAC运动控制卡电连接,所述的PMAC运动控制卡分别与三个光电编码器以及伺服驱动单元电连接,所述的伺服驱动单元分别与方位直流力矩电机、中环直流力矩电机以及转台直流力矩电机电连接。
[0009] 在本实用新型的另一个具体的实施例中,所述的方位直流力矩电机、中环直流力矩电机以及转台直流力矩电机均采用永磁式直流力矩电机。
[0010] 在本实用新型的又一个具体的实施例中,所述的底座为圆台箱体,且在左右两侧的壁体上开设有观察窗。
[0011] 在本实用新型的再一个具体的实施例中,所述的中环框为上端开口的矩形框。
[0012] 在本实用新型的还有一个具体的实施例中,所述的一对中环轴的其中一中环轴上套设有导电滑环,测试系统通过该导电滑环与外部电源电连接。
[0013] 本实用新型由于采用了上述结构,与现有技术相比,具有的有益效果是:分度转台一次装夹即可完成姿态传感器全部数据的标定,避免多次安装而带来误差,操作简单、定位准确、精度高;分度转台安装在中环框上,可以单独对三轴加速度计利用其敏感地球重力进行标定,或者采用六位置法对加速度传感器进行数据标定,也可以针对三轴加速度计用四点测试法测试其轴心差角,还可以测试加速度器的分辨率;利用方位框、中环框双轴速率转台的结构能对陀螺仪进行静态试验和动态试验,完成陀螺仪各个数据的标定,满足三轴转台实现多种标定的需求。
附图说明
[0014] 图1为本实用新型的剖视图。
[0015] 图2为本实用新型的立体图。
[0016] 图3为本实用新型所述的电机控制单元的原理框图。
[0017] 图中:1.底座、11.观察窗;2.方位框、21.方位轴;3.方位直流力矩电机;4.中环框、41.中环轴、411.导电滑环;5.方位框立座;6.中环直流力矩电机;7.分度转台、71.转台轴;8.转台直流力矩电机;9.电机控制单元、91.上位机、92.PMAC运动控制卡、93.光电编码器、94.伺服驱动单元。
具体实施方式
[0018] 申请人将在下面结合附图对本实用新型的具体实施方式详细描述,但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制,任何依据本实用新型构思作形式而非实质的变化都应当视为本实用新型的保护范围。
[0019] 请参阅图1和图2,本实用新型涉及一种三轴转台的姿态传感器测试系统,包括一底座I和一活动安装在底座I上方的U型方位框2,所述的底座I为圆台箱体,且在左右两侧的壁体上开设有观察窗11,便于观察和维修;一方位直流力矩电机3,所述的方位直流力矩电机3设置在底座I内并且位于所述的方位框2的正下方,方位直流力矩电机3通过方位轴21与方位框2连接安装,带动方位框2在底座I上旋转,使方向角α发生变化;一中环框4,所述的中环框4为上端开口的矩形框,中环框4套设在方位框2内且通过左右两侧的中环轴41与方位框2的侧壁活动连接,中环框4和方位框2位于同一平面内;一对方位框立座5,所述的一对方位框立座5分别在对应中环轴41的位置与方位框2的外侧壁固定安装,所述的一对中环轴41的其中一中环轴41上设有导电滑环411,测试系统通过该导电滑环411与外部电源电连接,用于电源及信号的输入或输出,通过采用导电滑环411,可避免系统发生电线缠绕的问题;一中环直流力矩电机6,所述的中环直流力矩电机6设置在一对方位框立座5的其中一方位框立座5内,中环直流力矩电机6通过对应侧的中环轴41与中环框4连接安装,中环直流力矩电机6带动中环框4旋转,使中环角β发生变化;一分度转台7,所述的分度转台7活动安装在中环框4的框底内壁的中央位置,分度转台7用于与任务负载相固定,分度转台7在工作台面上沿轴线对称安装姿态传感器,特别地,在单独测试加速度传感器的相关数据时可利用水平合相仪对该分度转台7进行水平调节;一转台直流力矩电机8,所述的转台直流力矩电机8在对应分度转台7的正下方的位置与中环框4的框底外壁固定安装,转台直流力矩电机8通过转台轴71与分度转台7连接安装,转台直流力矩电机8带动分度转台7旋转,实现内环自转角γ的旋转;一电机控制单元9,所述的电机控制单元9分别与方位直流力矩电机3、中环直流力矩电机6以及转台直流力矩电机8电连接。在本实施例中,所述的方位直流力矩电机3、中环直流力矩电机6以及转台直流力矩电机8均采用永磁式直流力矩电机。
[0020] 请参阅图3,并结合图1和图2,所述的电机控制单元9包括上位机91、PMAC运动控制卡92、光电编码器93以及伺服驱动单元94。所述的光电编码器93的数量有三个,分别作为速率反馈元件安装在方位直流力矩电机3、中环直流力矩电机6以及转台直流力矩电机8的电机旋转轴上。所述的上位机91与PMAC运动控制卡92电连接,所述的PMAC运动控制卡92分别与三个光电编码器93以及伺服驱动单元94电连接,所述的伺服驱动单元94分别与方位直流力矩电机3、中环直流力矩电机6以及转台直流力矩电机8电连接。光电编码器93将测得的真实位置信号传送给PMAC运动控制卡92,同时还将测得的速度信号传送给伺服驱动单元94,由此组成位置、速度双闭环控制。所述的上位机91、PMAC运动控制卡92、光电编码器93以及伺服驱动单元94均可采用常规产品。
[0021] 由于方位直流力矩电机3、中环直流力矩电机6以及转台直流力矩电机8的轴系控制原理相同,此处仅以方位直流力矩电机3控制方位框2为例进行说明。首先通过上位机91向PMAC运动控制卡92传送位置信号,该位置信号由PMAC运动控制卡92处理后发送速度信号到伺服驱动单元94上,产生相应的电流信号用于控制方位直流力矩电机3,进而带动方位框2转动。方位直流力矩电机3上的光电编码器93传输信号给PMAC运动控制卡92,PMAC运动控制卡92将目标位置与实际位置作比较,确定理想速度信号传送给伺服驱动单元94,同时,光电编码器93测得方位直流力矩电机3的实际转速,并将信号传输给伺服驱动单元94,目标转速与光电编码器93测得的实时转速作比较,通过伺服驱动单元94确定理想电流,驱动方位直流力矩电机3运转,由此,可以精确地控制方位直流力矩电机3的转角,从而保证方位框2的运动规律,使其能稳定在任意角度,并实现对其旋转角度和速度的连续跟踪。最后,测量信号传输到上位机91上进行数据采集与标定,上位机91对输出的测量信号进行处理,得到测试结果。
[0022] 在对加速度参数进行测试标定的情况下,将姿态传感器安装在分度转台7上,利用重力加速度在加速度计敏感方向的耦合,对安装误差角进行标定。首先,将分度转台7的台面垂直放置,姿态传感器的某敏感轴垂直放置在分度转台7上,接着利用水平合相仪对分度转台7的台面进行水平调节,然后通过分度转台7依次将姿态传感器转过0°、90°、180°、270°四个位置,并记录相应的数据。利用该方法测得其它两个敏感轴数据,通过已知的公式计算,标定相应的零位偏差、标度因子、初始安装误差角以及轴心差角。分度转台7的台面也可以对加速度传感器的0°和180°两个位置进行长期的稳定性测试,在测试系统静止几个小时后对其输出电压进行记录。此外,针对加速度传感器也可以采用六位置法进行数据标定,转动方位轴21、中环轴41以及转台轴71,使它们转向指定的六个位置,设置一定的采样间隔时间及采样次数,测量六个位置的输出值,通过已知公式可得出加速度传感器的刻度因数、零偏、安装误差等参数。
[0023] 在对陀螺仪参数进行测试标定的情况下,将姿态传感器安装在分度转台7上,使陀螺仪的X轴与重力矢量方向一致且指向为向上或向下,同样地,使y轴和z轴也保持与重力矢量一致且指向为向上和向下,最后记录输出电压,得到陀螺仪无关零偏和相关零偏等参数。使用转台速率方式令方位框2分别运行+-10° /s并达到最大速率,通过采用数据拟合方法可得到标度因数、标度因数非线性度等参数;同理,还可得到其它轴向的标度因数、标度因数非线性度等参数;或者选取转台同一轴作为标准输入轴,使陀螺仪的三个敏感轴都敏感同一轴向的角速度,以此可提高标定误差准确性。

Claims (6)

1.一种三轴转台的姿态传感器测试系统,其特征在于:包括一底座(I)和一活动安装在底座(I)上方的U型方位框(2);—方位直流力矩电机(3),所述的方位直流力矩电机(3)设置在底座(I)内并且位于所述的方位框(2)的正下方,方位直流力矩电机(3)通过方位轴(21)与方位框(2)连接安装;一中环框(4),所述的中环框(4)套设在方位框(2)内且通过左右两侧的中环轴(41)与方位框(2)的侧壁活动连接,中环框(4)和方位框(2)位于同一平面内;一对方位框立座(5),所述的一对方位框立座(5)分别在对应中环轴(41)的位置与方位框(2)的外侧壁固定安装;一中环直流力矩电机¢),所述的中环直流力矩电机(6)设置在一对方位框立座(5)的其中一方位框立座(5)内,中环直流力矩电机(6)通过对应侧的中环轴(41)与中环框(4)连接安装;一分度转台(7),所述的分度转台(7)活动安装在中环框(4)的框底内壁的中央位置;一转台直流力矩电机(8),所述的转台直流力矩电机(8)在对应分度转台(7)的正下方的位置与中环框(4)的框底外壁固定安装,转台直流力矩电机(8)通过转台轴(71)与分度转台(7)连接安装;一电机控制单元(9),所述的电机控制单元(9)分别与方位直流力矩电机(3)、中环直流力矩电机(6)以及转台直流力矩电机⑶电连接。
2.根据权利要求1所述的一种三轴转台的姿态传感器测试系统,其特征在于所述的电机控制单元(9)包括上位机(91)、PMAC运动控制卡(92)、光电编码器(93)以及伺服驱动单元(94),所述的光电编码器(93)的数量有三个,分别安装在方位直流力矩电机(3)、中环直流力矩电机(6)以及转台直流力矩电机(8)的电机旋转轴上,所述的上位机(91)与PMAC运动控制卡(92)电连接,所述的PMAC运动控制卡(92)分别与三个光电编码器(93)以及伺服驱动单元(94)电连接,所述的伺服驱动单元(94)分别与方位直流力矩电机(3)、中环直流力矩电机(6)以及转台直流力矩电机⑶电连接。
3.根据权利要求1所述的一种三轴转台的姿态传感器测试系统,其特征在于所述的方位直流力矩电机(3)、中环直流力矩电机(6)以及转台直流力矩电机(8)均采用永磁式直流力矩电机。
4.根据权利要求1所述的一种三轴转台的姿态传感器测试系统,其特征在于所述的底座(I)为圆台箱体,且在左右两侧的壁体上开设有观察窗(11)。
5.根据权利要求1所述的一种三轴转台的姿态传感器测试系统,其特征在于所述的中环框(4)为上端开口的矩形框。
6.根据权利要求1所述的一种三轴转台的姿态传感器测试系统,其特征在于所述的一对中环轴(41)的其中一中环轴(41)上套设有导电滑环(411),测试系统通过该导电滑环(411)与外部电源电连接。
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