慣性測量組合動態導航性能的光學標定系統的製作方法

2023-06-21 23:22:01

本實用新型涉及到一種慣性測量組合動態導航性能的光學標定系統，屬於光學傳感與測量領域。

技術背景

慣性測量組合是慣性導航的核心測量單元，其性能決定了載體的導航精度和姿態控制精度。動態環境下慣性測量組合能否準確反映載體的實際運動信息，是評價慣性測量儀器性能好壞的關鍵。為了在地面測試階段準確評價動態條件下慣性測量組合的動態導航精度及姿態測量精度，需要提供另外一種獨立評價方法，評價慣性測量組合動態條件下、在一段時間內的導航及姿態測量性能。為了保證評價的實時性，該獨立測量方法必須能與慣性測量組合測量時間同步，實時提供慣性測量組合相對於初始位置的俯仰角、偏航角、滾動角和三維位移信息，實現對慣性測量組合動態性能的實時標定。

經調研，當前國內還沒有發現精度高、測量可靠的、使用非接觸的光學方法進行慣性測量組合動態信息測量、標定的設備。已有的對角度和位移進行標定的方法有以下幾種：1)採用圓光柵進行角度測量，採用線光柵進行位移測量，其優點是測量精度高，響應快，動態範圍大，缺點是不能實現非接觸測量，或者離被測物體距離太遠，不能準確反應被測物體的運動狀況；2)光幕測量法：利用兩正交光幕進行測量，被物體擋住的光幕在CCD端有相應的形態，通過檢測該形態測量物體的變形，根據變形實時檢測角度及位移量。優點：兩組光幕可同時測到多種信息，確定兩組投影物之間樣品的姿態。缺點：精度較低，平行光較難保證，量範圍都較小，不夠靈活；3)該方法需要在被測物體三個相互正交的表面分別安裝一個反射鏡，以實現對雷射的鏡面反射，而PSD實現對反射後的雷射進行接收，振動過程中的扭轉使得反射後的雷射進入PSD的不同位置，通過檢測反射雷射的位置變化，實時測量扭轉的角度。該方法不能實現非接觸測量，裝置龐大，所加的鏡面反射鏡需要固定在被測物體上，對被測物體具有一定的損壞，而且反射鏡在動態條件下也可能損壞。由於PSD測量位置範圍和精度不能同時滿足要求，因此動態條件下可能出現飽和的情況。因此，該方案具有較大的局限性。

隨著工業測量領域的不斷擴展以及對測量精度和測量速度的不斷提高，傳統的接觸式測量以及無法滿足需求。而基於雷射三角法的雷射位移傳感器可以實現非接觸測量，該方法具有非接觸測量，對被測面無損；測量解析度高，精度高；體積小等特點。基於雷射位移傳感器以上優點，因此考慮將雷射位移傳感器與慣性測量組合的標定結合起來，可以非接觸的對慣性測量組合進行標定，同步測量其相對於初始位置的俯仰角、偏航角、滾動角和三維位移信息。

技術實現要素：

本實用新型提出一種基於雷射位移傳感器，非接觸的對慣性測量組合在動態條件下的性能進行標定系統，能夠實時提供慣性測量組合相對於初始位置的俯仰角、偏航角、滾動角和三維位移信息。

本實用新型的技術方案如下：

一種慣性測量組合動態導航性能的光學標定系統包含光學標定裝置和PC機，所述的光學標定裝置包括水平隔震平臺、一維振動臺、待測慣性測量組合、第一雷射位移傳感器和第二雷射位移傳感器組成的第一角度位移測量組件、第三雷射位移傳感器和第四雷射位移傳感器組成的第二角度位移測量組件、第五雷射位移傳感器和第六雷射位移傳感器組成的第三角度位移測量組件；一維振動臺固定在水平隔震平臺表面，三個角度位移測量組件固定在水平隔震平臺表面，待測慣性測量組合固定在一維振動臺的表面，三個角度位移測量組件布置在待測慣性測量組合的周圍用於測量待測慣性測量組合的三維位移、俯仰角、滾轉角和偏航角；所述的一維振動臺能在Y方向產生一維振動，其表面平行於XY平面；所述的待測慣性測量組合有三個互相正交的平面，其中第一平面平行於XZ平面，第二平面平行於XY平面，第三平面平行於YZ平面，所述的PC機通過數據線分別與三個角度位移測量組件、待測慣性測量組合相連。

進一步的，所述的第一雷射位移傳感器和第二雷射位移傳感器相互平行並且使得兩束雷射垂直入射到待測慣性測量組合的第一平面上；第三雷射位移傳感器和第四雷射位移傳感器相互平行並且使得兩束雷射垂直入射到待測慣性測量組合的第二平面上；第五雷射位移傳感器和第六雷射位移傳感器相互平行並且使得兩束雷射垂直入射到待測慣性測量組合的第三平面上。

本實用新型的有益效果是，本實用新型實現了慣性測量組合動態導航性能的非接觸光學標定，該方法基於光學漫反射三角成像的雷射位移傳感器，實現利用兩個雷射位移傳感器測量慣性測量組合的一維轉角，進而利用六路雷射位移傳感器實現三維角度和位移的測量，並輔以對應的機械調整和對準裝置，以及信息採集和處理系統，可以實時的對慣性測量組合的動態性能進行標定。優勢在於非接觸的測量對於待測慣性測量組合無損，而且測量精度高，實時同步，為慣性測量組合的動態導航性能的標定提供了有效的標定方法。

附圖說明

圖1為慣性測量組合動態導航性能的光學標定系統圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳述本實用新型。

如圖1所示，一種慣性測量組合動態導航性能的光學標定系統包含光學標定裝置和PC機，所述的光學標定裝置包括水平隔震平臺1、一維振動臺2、待測慣性測量組合3、第一雷射位移傳感器4和第二雷射位移傳感器5組成的第一角度位移測量組件13、第三雷射位移傳感器6和第四雷射位移傳感器7組成的第二角度位移測量組件14、第五雷射位移傳感器8和第六雷射位移傳感器9組成的第三角度位移測量組件15；一維振動臺2固定在水平隔震平臺1表面，三個角度位移測量組件固定在水平隔震平臺1表面，待測慣性測量組合3固定在一維振動臺2的表面，三個角度位移測量組件布置在待測慣性測量組合3的周圍用於測量待測慣性測量組合3的三維位移、俯仰角、滾轉角和偏航角；所述的一維振動臺2能在Y方向產生一維振動，其表面平行於XY平面；所述的待測慣性測量組合3有三個互相正交的平面，其中第一平面10平行於XZ平面，第二平面11平行於XY平面，第三平面12平行於YZ平面，所述的PC機通過數據線分別與三個角度位移測量組件、待測慣性測量組合3相連。

所述的第一雷射位移傳感器4和第二雷射位移傳感器5相互平行並且使得兩束雷射垂直入射到待測慣性測量組合3的第一平面10上；第三雷射位移傳感器6和第四雷射位移傳感器7相互平行並且使得兩束雷射垂直入射到待測慣性測量組合3的第二平面11上；第五雷射位移傳感器8和第六雷射位移傳感器9相互平行並且使得兩束雷射垂直入射到待測慣性測量組合3的第三平面12上。

使用本實用新型光學標定系統的光學標定方法可以如下：

第一角度位移測量組件13中第一雷射位移傳感器4和第二雷射位移傳感器5所處的平面平行於XY平面，其間距為L1，出射的兩束雷射相互平行，並且在初始狀態下垂直於待測物體的第一平面10，初始狀態下，第一雷射位移傳感器4測量得到的位移為S1』，第二雷射位移傳感器5測量得到的位移為S2』，當待測慣性測量組合3繞Z軸轉動角度時，角度第一雷射位移傳感器4測量得到的位移S1、第二雷射位移傳感器5測量得到的位移S2和兩雷射束之間的距離L1的關係為通過測量S1、S2和已知的L1，實時測量待測慣性測量組合3繞Z軸的運動角度，即偏航角同時可得到待測慣性測量組合3沿Y軸的位移

第二角度位移測量組件14中第三雷射位移傳感器6和第四雷射位移傳感器7的所處的平面平行於ZY平面，其間距為L2，出射的兩束雷射相互平行，並且在初始狀態下垂直於待測物體的第二平面11，初始狀態下，第三雷射位移傳感器6測量得到的位移為S3』，第四雷射位移傳感器7測量得到的位移為S4』，當待測慣性測量組合3繞X軸轉動角度φ時，角度φ、第三雷射位移傳感器6測量得到的位移S3、第四雷射位移傳感器7測量得到的位移S4和兩雷射束之間的距離L2的關係為通過測量S3、S4和已知的L2，實時測量待測慣性測量組合3繞X軸的運動角度，即滾轉角φ，同時可得到待測慣性測量組合3沿Z軸的位移

第三角度位移測量組件15中第五雷射位移傳感器8和第六雷射位移傳感器9的所處的平面平行於ZX平面，其間距為L3，出射的兩束雷射相互平行，並且在初始狀態下垂直於待測物體的第三平面12，初始狀態下，第五雷射位移傳感器測量8得到的位移為S5』，第六雷射位移傳感器9測量得到的位移為S6』，當待測慣性測量組合3繞Y軸轉動角度θ時，角度θ、第五雷射位移傳感器8測量得到的位移S5、第六雷射位移傳感器9測量得到的位移S6和兩雷射束之間的距離L3的關係為通過測量S5、S6和已知的L3，實時測量待測慣性測量組合3繞Z軸的運動角度，即偏航角θ，同時可得到待測慣性測量組合3沿X軸的位移

PC機實現6個雷射位移傳感器信號以及慣性測量組合信號的實時同步採集，得到三維位移信息LX，LY，LZ和三維角度信息θ，φ，當一維振動臺沿Y軸振動用以測試慣性測量組合的動態導性能時，PC機同步採集慣性測量組合輸出的三維位移信息Ix，Iy，Iz和三維角度信息Iθ，Iφ，將兩個結果作對比，即可得到慣性測量組合在動態條件下三維角度和三維位移的測量誤差為：

即可實現慣性測量組合動態導航性能的標定，即對慣性測量組合的性能做出評價。