一种瞄准仪测角偏心误差的优化方法与流程

本发明涉及瞄准仪技术领域，更为具体来说，本发明为一种瞄准仪测角偏心误差的优化方法。

背景技术：

光电瞄准仪是一种集光、机、电、计算为一体的自动化、高精度光学仪器，该光学仪器在光学经纬仪的电子化和智能化的基础上，采用了电子细分技术、控制处理技术及滤波技术，从而实现了测量读数的智能化。

光电瞄准仪的工作原理是：利用安装于光栅码盘的模拟器件进行实时角度测量。但是在实际产品装配过程中，由于机械加工、装配水平等因素的影响，往往会使光栅码盘产生装配偏心，当使用光栅码盘进行角度测量时，装配偏心产生的误差对角度测量精度影响非常大。

为了解决瞄准仪测角偏心误差的问题，消除偏心误差的常规方法是：对径读数法。具体来说，使用装配在光栅码盘相隔180°的位置上的相同的两个光栅读数头，通过利用两个光栅读数头不同的角度测量结果的方式对光栅码盘的偏心误差进行消除。但是，由于结构和工艺水平的限制，往往难以保证两个读数头的装配位置在整个光栅转动周期内保持相隔180°的对应关系，那么两个光栅读数头不同的角度测量结果也就失去了指导意义，所以，偏心误差仍然存在，其严重影响着角度测量精度。

因此，如何有效的减小甚者彻底消除偏心误差对于瞄准仪测角的影响，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

技术实现要素：

为了降低甚至消除机械加工、装配水平等因素产生的偏心误差对角度测量精度产生的极大影响，本发明创新地提供了一种瞄准仪测角偏心误差的优化方法，对光栅码盘的偏心误差建立数学模型，通过数字优化的处理方式克服系统缺陷、减小偏心误差对仪器精度和性能的影响，从而提升了瞄准仪测量精度。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种瞄准仪测角偏心误差的优化方法，该优化方法包括如下步骤，

参数设定步骤：将光栅码盘几何中心与转轴轴心之间的第一距离作为光栅码盘的偏心误差，并设定如下参数：测量角度、实际旋转角度及半径，其中，所述测量角度为光栅码盘测得的角度，所述实际旋转角度为转轴的实际旋转角度，所述半径为光栅码盘的半径；

关系建立步骤：建立差值为偏心角的测量角度与实际旋转角度之间的第一关系，建立所述实际旋转角度、所述半径、所述测量角度三者之间的第二关系，建立所述测量角度、所述第一距离、所述半径三者之间的第三关系；

关系优化步骤：将所述第一关系、所述第二关系、所述第三关系进行关联，以得到所述偏心角、所述第一距离、所述测量角度、所述半径四者之间的第四关系；将所述第四关系、所述第一关系进行关联，以得到所述实际旋转角度、所述测量角度、所述第一距离、所述半径四者之间的第五关系；

模型生成步骤：将包含所述实际旋转角度和所述测量角度的第五关系作为误差修正模型；其中，所述第一距离和所述半径作为修正参数；

误差优化步骤：基于用于表征所述实际旋转角度与所述测量角度之间的关系的误差修正模型，瞄准仪工作时，利用光栅码盘的测量角度计算出光栅码盘的实际旋转角度。

本发明创新地建立了用于降低甚至消除偏心误差的误差修正模型，该模型准确、合理地描述了实际旋转角度与测量角度之间的数学关系，从而实现通过对测量角度修正的方式准确地得出实际旋转角度，避免了因偏心误差导致的测量结果不准确的问题。

进一步地，在模型生成步骤与误差优化步骤之间，该优化方法还包括参数标定步骤；

参数标定步骤，使用多面棱体和平行光管作为测量基准，将多面棱体旋转一周得到的多个角度误差值以及对应的多个光栅码盘测角分别作为第四关系中的偏心角和测量角度，根据多组试验数据对所述修正参数进行标定。

基于上述改进的技术方案，本发明能够为安装后的光栅码盘针对性地提供修正参数，并且通过多面棱体和平行光管作为测量基准的方式有效地保证了修正参数的准确性和精度。

进一步地，关系建立步骤中，

所述第一关系为：β＝α1-α0；

所述第二关系为：

所述第三关系为：

上式中，β表示偏心角，α0表示测量角度，α1表示实际旋转角度，r表示半径，ε表示第一距离，l表示α1所在直角三角形的一条直角边长度。

基于上述改进的技术方案，本发明真实、准确地将各个参数相关联，从而实现为测角偏心误差的有效优化做充足的准备。

进一步地，关系优化步骤中，将所述第一关系、所述第二关系、所述第三关系进行关联后，得到由于β很小，则tgβ＝β；由于r﹥﹥εcosα0，则r-εcosα0＝r；然后得到第四关系；

所述第四关系为：

基于上述改进的技术方案，本发明成功实现了角度参数和距离参数的有效分离，为修正参数的准确求解提供了可能。

进一步地，关系优化步骤中，令β＝bsinα0；将所述第四关系、所述第一关系进行关联后，得到第五关系；

所述第五关系为：α1＝α0+β＝α0+bsinα0；

其中，b为修正参数。

进一步地，参数标定步骤中，所述棱体为23面棱体；

将角度误差值和光栅码盘测角代入β＝bsinα0，则得到βi＝bsinαi；其中，i＝1,2,3…，23，利用最小二乘法对修正参数进行求解，建立最小二乘目标函数求解得到：

进一步地，参数标定步骤中，采用的棱体为ⅰ级23面金属棱体。

进一步地，参数标定步骤中，采用的平行光管的精度为0.1″。

本发明采用了高精度的金属棱体和平行光管，从而保证高精度的数据来源，实现对修正参数的准确求解。

进一步地，所述瞄准仪为光电瞄准仪。

本发明的有益效果为：本发明对瞄准仪光栅码盘的偏心误差建立数学模型，通过数字优化的处理方式克服系统缺陷、减小偏心误差对仪器精度和性能的影响，从而提升了瞄准仪测量精度，本发明具有降低光栅码盘的制造和装调难度、缩短生产周期等技术效果。另外，本发明具有方案简单、易行以及测角精度高等突出优点。

附图说明

图1为本发明瞄准仪测角偏心误差的优化方法的流程示意图。

图2为光栅码盘处于偏心误差状态的工作示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明瞄准仪测角偏心误差的优化方法进行详细的解释和说明。

如图1所示，本发明公开了一种瞄准仪测角偏心误差的优化方法，该优化方法包括如下步骤，本实施例中，瞄准仪可为光电瞄准仪。

参数设定步骤：将光栅码盘几何中心与转轴轴心之间的第一距离作为光栅码盘的偏心误差，并设定如下参数：测量角度、实际旋转角度及半径，其中，测量角度为光栅码盘测得的角度，实际旋转角度为转轴的实际旋转角度，半径为光栅码盘的半径。

关系建立步骤：建立差值为偏心角的测量角度与实际旋转角度之间的第一关系，建立实际旋转角度、半径、测量角度三者之间的第二关系，建立测量角度、第一距离、半径三者之间的第三关系；具体地，光栅码盘的装配偏心如图2所示，其中，实线环表示安装后的光栅码盘轮廓，虚线环表示光栅码盘旋转时的轮廓，具体来说，本步骤中：

第一关系为：β＝α1-α0；

第二关系为：

第三关系为：

对于上述三个关系式，α0表示测量角度，即光栅码盘测量得到的角度；α1表示实际旋转角度，即被测转轴实际旋转的角度；β表示偏心角，α0与α1之间的差β就是装配偏心造成的误差；r表示半径，即光栅码盘的半径，光栅码盘的几何中心与用于装配光栅码盘的、作为旋转中心的转轴的轴心不在同一位置上，二者之间存在一定的距离ε，则ε表示第一距离，l表示α1所在直角三角形的一条直角边长度，如图2所示，l具体为自转轴轴心引出的直角边的长度。

关系优化步骤：将第一关系、第二关系、第三关系进行关联，以得到偏心角、第一距离、测量角度、半径四者之间的第四关系；将第四关系、第一关系进行关联，以得到实际旋转角度、测量角度、第一距离、半径四者之间的第五关系；具体说明如下。

将第一关系、第二关系、第三关系进行关联后，得到由上式可知，光栅码盘的半径越大，相同装配偏心误差下造成的角度偏差越小，而对于相同的光栅码盘，装配偏心越大，产生的角度偏差越大。本实施例为了方便后期的标定，对上式进行优化。由于β很小，则tgβ＝β；由于r﹥﹥εcosα0，则r-εcosα0＝r；然后得到第四关系。

第四关系为：

本步骤中，为方便表述，令β＝bsinα0；将第四关系、第一关系进行关联后，得到第五关系；

第五关系为：α1＝α0+β＝α0+bsinα0；

其中，b为修正参数，本实施例中，对于某个装配好的光栅码盘，其具体值通过后期的标定计算得到。

模型生成步骤：为了达到高精度角度的测量要求、消除装配偏心误差对测角的影响，本发明将包含实际旋转角度和测量角度的第五关系作为误差修正模型；其中，第一距离和半径作为修正参数；本实施例中，将第一距离与半径的比值b作为修正参数。

参数标定步骤，使用多面棱体和平行光管作为测量基准，将多面棱体旋转一周得到的多个角度误差值以及对应的多个光栅码盘测角分别作为第四关系中的偏心角和测量角度，根据多组试验数据对修正参数进行标定。具体说明如下，本实施例中，棱体为23面棱体，旋转一周得到23个角度误差值及对应的23个光栅码盘测角，比如，采用的棱体为ⅰ级23面金属棱体，采用的平行光管的精度为0.1″。

将角度误差值和光栅码盘测角代入β＝bsinα0，则得到βi＝bsinαi；其中，i＝1,2,3…，23，利用最小二乘法对修正参数进行求解，建立最小二乘目标函数求解得到：

本实施例在标定时，使用ⅰ级23面金属棱体和0.1″平行光管作为测量基准，利用多齿分度台将光栅码盘转轴旋转中心与23面金属棱体的棱体旋转中心与重合。转动多齿分度台，使光栅码盘读数对应23面金属棱体标称角度值，使用平行光管读取此时刻线读数误差，即为转轴转动角度的实际误差，得到一组标定数据。

误差优化步骤：基于用于表征实际旋转角度与测量角度之间的关系的误差修正模型，瞄准仪工作时，利用光栅码盘的测量角度计算出光栅码盘的实际旋转角度，从而达到光电瞄准仪消除误差、准确测角的目的。通过偏心误差标定后的光电瞄准仪，大幅减小光栅装配偏心误差对测角精度的影响，标定后瞄准仪的方位测角一次示值误差优于8″。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。