一种非接触式二维测角的快速标定方法与流程

本发明涉及光电设备，特别涉及一种非接触式二维测角的快速标定方法。

背景技术：

1、专利“us005897223”在五轴光电稳定平台内框采用了一种非接触式二维测角，该测角与传统测角相比，能够测量转子相对定子沿装配球面上在量程范围内的任意方向的相对运动，而传统测角(光栅编码器、电容编码器、电磁编码器)只能测量定子相对转子沿套轴方向上的共轴旋转角度。该方案中采用两个二维测角组合测量内框相对外框内壁沿外框中心的三自由度定点转动的角度，从而用于内框方位、俯仰、滚转三个角度的控制。

2、由于该测角在原理上给出的是测量的电学信号，还需要将其转换为角度值。由于测角本身的电气特性不能保证每套一致，加之有安装误差，因而难以通过原理推导等方法直接得到电学信号与角度值之间的对应关系，需要进行标定。具体的，现有技术还存在如下问题：

3、1)由于内壳体可以相对外壳体沿三个角度转动，因而必须取两个反射平面的法线以确定三个角度，对于每一组角度位置的测量都需测量两个平面法线在所建立基准中的夹角位置；

4、2)由于需要在内壳体上粘接六面体或者两个平面反射镜以测量不同内壳体夹角位置处的反射镜的面法线，还需要对粘接引入的位置误差进行标定，增加了工作量，同时由于过多的牵涉人力，容易出现错误；

5、3)由于需要进行光电经纬仪对准操作，因而每一个待标较位置都需要保持足够时间以保证，这种保持多需要设计专门的结构卡紧装置，在实际操作过程中由于结构空间的限制可能无法实施。

技术实现思路

1、本发明提供了一种非接触式二维测角的快速标定方法，在将本方法进行代码化后，只需给出测量数据，即可自动寻找角度与二维测角电信号之间的对应关系表达式。

2、具体的，本发明提出一种非接触式二维测角的快速标定方法，所述非接触式二维测角的快速标定方法中待标定二维测角动子、定子分别安装于内、外壳体之上，并与内外壳体固连，外壳体与转动中心固连，内壳体绕转动中心有限范围内定点转动，从而内壳体相对外壳体进行三自由度转动，惯性测量单元固着于内壳体上，随内壳体转动而转动；

3、所述非接触式二维测角的快速标定方法包括以下步骤：

4、步骤1，水平固定所述待标定设备的外壳体于平台上；

5、步骤2，采集惯性测量单元输出的惯性数据与两个二维测角输出的电信号数据；

6、包括两个二维测角ad电压信号有4组测角信号，对应过程中惯性测量单元输出的方位、俯仰、滚转信息有3组数据；

7、步骤3，对获取的数据进行处理获取偏转角度，并确定测角信号与偏转角度之间的最佳对应关系；

8、步骤4，对最佳对应关系进行零位修正，获取最终标定关系；

9、在步骤3中，还包括以下步骤：

10、步骤31，对获取的数据进行标记；

11、步骤32，将惯性测量单元输出的数据转换为相对初始零位的欧拉姿态角；

12、步骤33，计算标较过程中偏转角度；

13、所述偏转角度包括相对初始零位的定点转动的方位、俯仰、横滚角；

14、步骤34，建立相对初始零位的定点转动的方位角、俯仰角、滚转角与四组电压之间的关系；

15、步骤35，基于拟合误差，确定四组测角信号与偏转角度之间的最佳对应关系。

16、更近一步地，在步骤1中，所述外壳体水平放置，内壳体相对外壳体处于零位位置时，两个测角动子与转动中心的连线相对水平线的夹角为45度，且两个测角动子与转动中心的连线构成的平面在理论上处于铅锤面内；

17、并且所述内壳体相对外壳体可以在二维测角的行程范围内自由转动。

18、更近一步地，在步骤32中，当惯性测量单元输出的为角速率信息时，所述欧拉姿态角与记录的惯性测量单元输出的陀螺速率之间的关系为：

19、

20、其中，φ1表示滚转角，θ1表示俯仰角，ψ1表示方位角，p表示输出的滚转角速度，q表示输出的俯仰角速度，r表示输出的航向角速度。

21、更近一步地，在步骤32中，当惯性测量单元输出的为惯性姿态角度信息时，所述欧拉姿态角与记录的惯性测量单元输出的陀螺速率之间的关系为：

22、

23、a1＝cosθ0(0)

24、a2＝cosψ0(0)

25、a3＝cosφ0(0)

26、a4＝sinψ0(0)

27、a5＝sinθ0(0)

28、a6＝sinφ0(0)

29、

30、b1＝cosθ0(t)

31、b2＝cosψ0(t)

32、b3＝cosφ0(t)

33、b4＝sinψ0(t)

34、b5＝sinθ0(t)

35、b6＝sinφ0(t)

36、c＝bt*a

37、

38、φ0(0)、θ0(0)、ψ0(0)分别表示惯性测量单元实时输出的姿态角数据中滚转角φ0、俯仰角θ0、方位角ψ0在标较实验开始时的初值；φ0(t)、θ0(t)、ψ0(t)分别表示惯性测量单元实时输出的姿态角数据中滚转角φ0、俯仰角θ0、方位角ψ0在标较实验开始后t时刻的采样数值；c(i，j)表示c矩阵第i行，第j列元素；a为标校试验开始时刻基于惯性测量单元数据得到的惯性测量单元自身坐标系到惯性坐标系之间的变换矩阵，a1...a6分别为标标校开始时刻俯仰角余弦、标校开始时刻方位角余弦、标校开始时刻滚转角余弦、标校开始时刻方位角正弦、标校开始时刻俯仰角正弦、标校开始时刻滚转角正弦；b为标校试验过程中基于惯性测量单元数据得到的惯性测量单元自身坐标系到惯性坐标系之间的变换矩阵，b1…b6分别为标校过程的俯仰角余弦、标校过程的方位角余弦、标校过程的滚转角余弦、标校过程的方位角正弦、标校过程的俯仰角正弦、标校过程的滚转角正弦；c为标校过程中惯导相对标校初始时刻的坐标变换矩阵。

39、更近一步地，在步骤33中，所述将上述获取的相对初始零位的欧拉姿态角的滚转角φ1、俯仰角θ1、方位角ψ1转换为绕初始零位定点转动的方位角θa、俯仰角θe、滚转角θr：

40、

41、

42、其中，θa表示绕初始零位定点转动的方位角，θe表示绕初始零位定点转动的俯仰角，θr表示绕初始零位定点转动的滚转角，θiner表示绕初始零位定点转动的角度矢量的绝对值，kxz为方便公式表述的中间符号量，x、y、z为相对初始零位定点转动的角度矢量的单位向量的x、y、z坐标。

43、更近一步地，在步骤34中，理想安装情况下，内壳体相对初始零位的定点转动的方位、俯仰、滚转角与对应测角测量电压之间的具有如下对应关系为：

44、

45、式中，v11、v12表示第一测角的两个读数值，v21、v22表示第二测角的两个读数值。

46、更近一步地，考虑实际过程中实际物化误差，实际内壳体相对初始零位的定点转动的方位、俯仰、滚转角与对应测角测量电压之间关系为：

47、

48、式中，α11、α12、α21、α22为考虑实际物化误差后内壳体绕初始零位定点转动角度θa、θe、θr的线性组合到第一测角两个读数值之间的线性误差矩阵；β11、β12、β21、β22为考虑实际物化误差后绕初始零位定点转动角度θa、θe、θr的线性组合到第二测角的两个读数值之间的线性误差矩阵；v11_0、v12_0、v21_0、v22_0表示由于实际物化误差引入的测角读数偏置误差。

49、更近一步地，在步骤34中，对实际内壳体相对初始零位的定点转动的方位、俯仰、滚转角与对应测角测量电压之间关系进行求逆取反：

50、

51、基于解算得到的θa、θe、θr与测量得到的v11、v12、v21、v22值通过拟合方法即可得到a11、a12、a21、a22、θ11_0、θ12_0、b11、b12、b21、b22、θ21_0、θ22_0。

52、a11、a12、a21、a22为第一测角两个读数值到内壳体绕初始零位定点转动角度θa、θe、θr的线性组合之间的线性误差矩阵的各项元素，θ11_0和θ12_0为由于第一测角读数偏置误差引起的测角零位误差；

53、基于相同原理，计算b11、b12、b21、b22为第二测角两个读数值到内壳体绕初始零位定点转动角度θa、θe、θr的线性组合之间的线性误差矩阵的各项元素；θ21_0和θ22_0为由于第二测角读数偏置误差引起的测角零位误差；

54、得到本实施示例中测角的电学信号与对应角度之间的标较结果如下所示：

55、

56、ζ1表示第一权重系数，ζ2表示第二权重系数。

57、本发明达到的有益效果是：

58、本发明提出的快速标定方法的标校原理能够实现非接触式二维测角的在线或者离线标定；采用本方法后，上万组标较数据的采集到获取标较结果只需五到十分钟，相比现有技术方法按天计算的标校流程节省大量时间。

59、本发明提出的快速标定方法给出了非接触式二维测角的标校原理，当通过伺服手段控制内壳体相对外壳体旋转时，可以实现二维测角的在线标定；

60、本发明提出的快速标定方法由于数据获取便捷，可以实现测角位置的全遍历，能够取得对应误差原理下的最优标校结果；

61、本发明提出的快速标定方法无需拆换设备或者借助其他的测量仪器(自准直仪、经纬仪、陀螺经纬仪等)，避免引入二次装调误差或者复杂的数据处理。