一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定装置。利用单个激光位移传感器测量位移，两个激光位移传感器测量角度的方法，实时测量惯性测量组合在振动台提供动态导航性能测试的外部环境下，三个维度的实时测量惯性测量组合的位移和角度，并将测量得到的角度和位移信息与惯性测量组合的输出值做比较，从而实现对惯性测量组合的动态导航性能进行标定的目的。本发明提出的惯性测量组合动态导航性能光学标定方法实现非接触测量，实时测量惯性测量组合输出，带宽大，稳定性高，有着较为广阔的应用前景。
【专利说明】
-种惯性测量组合动态导航性能的光学标定装置
技术领域
[0001] 本发明设及到一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定装置，属于光学传感与 测量领域。 技术背景
[0002] 惯性测量组合是惯性导航的核屯、测量单元，其性能决定了载体的导航精度和姿态 控制精度。动态环境下惯性测量组合能否准确反映载体的实际运动信息，是评价惯性测量 仪器性能好坏的关键。为了在地面测试阶段准确评价动态条件下惯性测量组合的动态导航 精度及姿态测量精度，需要提供另外一种独立评价方法，评价惯性测量组合动态条件下、在 一段时间内的导航及姿态测量性能。为了保证评价的实时性，该独立测量方法必须能与惯 性测量组合测量时间同步，实时提供惯性测量组合相对于初始位置的俯仰角、偏航角、滚动 角和=维位移信息，实现对惯性测量组合动态性能的实时标定。
[0003] 经调研，当前国内还没有发现精度高、测量可靠的、使用非接触的光学方法进行惯 性测量组合动态信息测量、标定的设备。已有的对角度和位移进行标定的方法有W下几种： 1)采用圆光栅进行角度测量，采用线光栅进行位移测量，其优点是测量精度高，响应快，动 态范围大，缺点是不能实现非接触测量，或者离被测物体距离太远，不能准确反应被测物体 的运动状况;2)光幕测量法:利用两正交光幕进行测量，被物体挡住的光幕在CCD端有相应 的形态，通过检测该形态测量物体的变形，根据变形实时检测角度及位移量。优点：两组光 幕可同时测到多种信息，确定两组投影物之间样品的姿态。缺点：精度较低，平行光较难保 证，量范围都较小，不够灵活;3)该方法需要在被测物体=个相互正交的表面分别安装一个 反射镜，W实现对激光的镜面反射，而PSD实现对反射后的激光进行接收，振动过程中的扭 转使得反射后的激光进入PSD的不同位置，通过检测反射激光的位置变化，实时测量扭转的 角度。该方法不能实现非接触测量，装置庞大，所加的镜面反射镜需要固定在被测物体上， 对被测物体具有一定的损坏，而且反射镜在动态条件下也可能损坏。由于PSD测量位置范围 和精度不能同时满足要求，因此动态条件下可能出现饱和的情况。因此，该方案具有较大的 局限性。
[0004] 随着工业测量领域的不断扩展W及对测量精度和测量速度的不断提高，传统的接 触式测量W及无法满足需求。而基于激光=角法的激光位移传感器可W实现非接触测量， 该方法具有非接触测量，对被测面无损;测量分辨率高，精度高;体积小等特点。基于激光位 移传感器W上优点，因此考虑将激光位移传感器与惯性测量组合的标定结合起来，可W非 接触的对惯性测量组合进行标定，同步测量其相对于初始位置的俯仰角、偏航角、滚动角和 =维位移信息。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种基于激光位移传感器，非接触的对惯性测量组合在动态条件下的 性能进行标定装置，能够实时提供惯性测量组合相对于初始位置的俯仰角、偏航角、滚动角 和=维位移信息。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种惯性测量组合动态导航性能的光学标定装置包括水平隔震平台、一维振动 台、待测惯性测量组合、第一激光位移传感器和第二激光位移传感器组成的第一角度位移 测量组件、第=激光位移传感器和第四激光位移传感器组成的第二角度位移测量组件、第 五激光位移传感器和第六激光位移传感器组成的第=角度位移测量组件;一维振动台固定 在水平隔震平台表面，=个角度位移测量组件固定在水平隔震平台表面，待测惯性测量组 合固定在一维振动台的表面，=个角度位移测量组件布置在待测惯性测量组合的周围用于 测量待测惯性测量组合的=维位移、俯仰角、滚转角和偏航角。所述的一维振动台在n坐标 系下，能在Y方向产生一维振动，其表面平行于XY平面。所述的待测惯性测量组合有S个互 相正交的平面，其中第一平面平行于XZ平面，第二平面平行于XY平面，第S平面平行于YZ平 面。
[0008] 进一步的，所述的第一激光位移传感器和第二激光位移传感器相互平行并且使得 两束激光垂直入射到待测惯性测量组合的第一平面上;第=激光位移传感器和第四激光位 移传感器相互平行并且使得两束激光垂直入射到待测惯性测量组合的第二平面上;第五激 光位移传感器和第六激光位移传感器相互平行并且使得两束激光垂直入射到待测惯性测 量组合的第=平面上。
[0009] 本发明的有益效果是，本发明实现了惯性测量组合动态导航性能的非接触光学标 定，该方法基于光学漫反射=角成像的激光位移传感器，实现利用两个激光位移传感器测 量惯性测量组合的一维转角，进而利用六路激光位移传感器实现=维角度和位移的测量， 并辅W对应的机械调整和对准装置，W及信息采集和处理系统，可W实时的对惯性测量组 合的动态性能进行标定。优势在于非接触的测量对于待测惯性测量组合无损，而且测量精 度高，实时同步，为惯性测量组合的动态导航性能的标定提供了有效的标定方法。
【附图说明】
[0010] 图1为惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图详述本发明。
[0012] 如图1所示，一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定装置包括水平隔震平台 1、一维振动台2、待测惯性测量组合3、第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5组成 的第一角度位移测量组件13、第=激光位移传感器6和第四激光位移传感器7组成的第二角 度位移测量组件14、第五激光位移传感器8和第六激光位移传感器9组成的第=角度位移测 量组件15;-维振动台2固定在水平隔震平台1表面，=个角度位移测量组件固定在水平隔 震平台1表面，待测惯性测量组合3固定在一维振动台2的表面，=个角度位移测量组件布置 在待测惯性测量组合3的周围用于测量待测惯性测量组合3的=维位移、俯仰角、滚转角和 偏航角。
[0013] -维振动台2在n坐标系下，能在Y方向产生一维振动，其表面平行于XY平面。所述 的待测惯性测量组合3有S个互相正交的平面，在n坐标系下，其中第一平面10平行于XZ平 面，第二平面11平行于XY平面，第S平面12平行于YZ平面。所述的第一激光位移传感器4和 第二激光位移传感器5相互平行并且使得两束激光垂直入射到待测惯性测量组合3的第一 平面10上;第=激光位移传感器6和第四激光位移传感器7相互平行并且使得两束激光垂直 入射到待测惯性测量组合3的第二平面11上;第五激光位移传感器8和第六激光位移传感器 9相互平行并且使得两束激光垂直入射到待测惯性测量组合3的第=平面12上。
[0014] 所述惯性测量组合动态导航性能的光学标定装置的工作流程如下：
[0015] 第一角度位移测量组件13中第一激光位移传感器4和第二激光位移传感器5所处 的平面平行于XY平面，其间距为b，出射的两束激光相互平行，并且在初始状态下垂直于待 测物体的第一平面10，初始状态下，第一激光位移传感器4测量得到的位移为Si '，第二激光 位移传感器5测量得到的位移为S2'，当待测惯性测量组合3绕Z轴转动角度Cp时，角度单、第 一激光位移传感器4测量得到的位移Si、第二激光位移传感器5测量得到的位移S2和两激光 束之间的距离^的关系3
通过测量&、&和已知的^，实时测量待测惯性 巧慢组合3绕Z轴的运动角度，即偏航角取，同时可得到待测惯性测量组合3沿Y轴的位移
[0016] 第二角度位移测量组件14中第=激光位移传感器6和第四激光位移传感器7的所 处的平面平行于ZY平面，其间距为L2,出射的两束激光相互平行，并且在初始状态下垂直于 待测物体的第二平面11，初始状态下，第=激光位移传感器6测量得到的位移为S3'，第四激 光位移传感器7测量得到的位移为S4'，当待测惯性测量组合3绕X轴转动角度d)时，角度d)、 第=激光位移传感器6测量得到的仿族^、笠网激光位移传感器7测量得到的位移S4和两激 光束之间的距离L2的关系戈
通过测量S3、S4和已知的L2,实时测量待测惯 性测量组合3绕X轴的运动角度，即滚转角d)，同时可得到待测惯性测量组合3沿巧由的位移
[0017] 第=角度位移测量组件15中第五激光位移传感器8和第六激光位移传感器9的所 处的平面平行于ZX平面，其间距为L3,出射的两束激光相互平行，并且在初始状态下垂直于 待测物体的第=平面12,初始状态下，第五激光位移传感器测量8得到的位移为S5'，第六激 光位移传感器9测量得到的位移为S6'，当待测惯性测量组合3绕Y轴转动角度0时，角度0、第 五激光位移传感器8测量得幸Il的^族Ss、笛六激光位移传感器9测量得到的位移S6和两激光 束之间的距离L3的关系3
适过测量Ss、S6和已知的L3,实时测量待测惯性 巧慢组合3绕Z轴的运动角度，即偏航角0，同时可得到待测惯性测量组合3沿X轴的位移
[0018] 当一维振动台沿Y轴振动用W测试惯性测量组合的动态导性能时，惯性测量组合 同步输出=维位移信息Ix，Iy，Iz和=维角度信息如，10，14>，将两个结果作对比，即可得到惯 性测量组合在动态条件下=维角度和=维位移的测量误差为：
[0019]
[0020] 即可实现惯性测量组合动态导航性能的标定，即对惯性测量组合的性能做出评 价。
[0021] 本发明的光学标定装置也可W与数据处理系统相连构成光学标定系统，数据处理 系统用于处理=维位移信息和=维角度信息，即可实现惯性测量组合动态导航性能的标 定，即对惯性测量组合的性能做出评价。数据处理系统可W是上位机或数据处理忍片。
【主权项】
1. 一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定装置，其特征在于包含了水平隔震平台 (1 )、一维振动台（2)、待测惯性测量组合(3)、第一激光位移传感器(4)和第二激光位移传感 器(5)组成的第一角度位移测量组件（13 )、第三激光位移传感器(6)和第四激光位移传感器 (7)组成的第二角度位移测量组件（14)、第五激光位移传感器(8)和第六激光位移传感器 (9)组成的第三角度位移测量组件（15);-维振动台（2)固定在水平隔震平台（1)表面，三个 角度位移测量组件固定在水平隔震平台（1)表面，待测惯性测量组合(3)固定在一维振动台 (2)的表面，三个角度位移测量组件布置在待测惯性测量组合(3)的周围用于测量待测惯性 测量组合(3)的三维位移、俯仰角、滚转角和偏航角;所述的一维振动台（2)能在Y方向产生 一维振动，其表面平行于XY平面;所述的待测惯性测量组合(3)有三个互相正交的平面，其 中第一平面(10)平行于XZ平面，第二平面(11)平行于XY平面，第三平面(12)平行于YZ平面。2. 如权利要求1所述的光学标定装置，其特征在于所述的第一激光位移传感器(4)和第 二激光位移传感器(5)相互平行并且使得两束激光垂直入射到待测惯性测量组合(3)的第 一平面（10)上;第三激光位移传感器(6)和第四激光位移传感器(7)相互平行并且使得两束 激光垂直入射到待测惯性测量组合(3)的第二平面（11)上;第五激光位移传感器(8)和第六 激光位移传感器(9)相互平行并且使得两束激光垂直入射到待测惯性测量组合(3)的第三 平面(12)上。
【文档编号】G01C25/00GK105953820SQ201610453122
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】张登伟, 陈磊, 舒晓武, 刘承
【申请人】浙江大学