CN105021211B - 一种基于自准直仪的姿态测试装置及方法 - Google Patents
一种基于自准直仪的姿态测试装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于自准直仪的姿态测试装置及方法，该装置主要包括自准直仪、光学六面体、双轴电子水平仪和带调平功能的基座。该方法为将姿态测试装置放置在稳固的基础上，自准直仪照准目标反光面后，使用自准直陀螺经纬仪照准光学六面体，并测量其与真北方位基准的夹角。启动自准直仪进行目标反光面姿态的连续数据录取，启动双轴电子水平仪进行水平姿态的连续数据录取。在数据录取完毕后，应用姿态测试装置数据处理方法，对自准直仪及双轴电子水平仪的数据进行处理，最终得到目标反光面在地理坐标系内姿态的连续变化，从而满足连续绝对测量的需要。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，尤其是一种基于自准直仪的姿态测试装置及方法。
背景技术
惯性导航设备生产调试过程中，需要动态连续实时的光学测量旋转部件相对于地理坐标系的相对关系，并要求精度较高。使用传统的经纬仪测量无法实现连续测量。而使用自准直仪进行测量具有连续、实时、精度高等特点，可以进行连续测量。但是自准直仪只能输出相对角度，其测量结果无法反映目标反光面法线与地理坐标系相对关系。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种基于自准直仪的姿态测试装置及方法，使得使用者可以通过该姿态测试装置上的自准直仪的测量结果计算出目标的反光面法线与地理系的相对关系，以满足连续绝对测量的需要。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种基于自准直仪的姿态测试装置，其特征在于：包括自准直仪、光学六面体、双轴电子水平仪、带调平功能的基座，自准直仪安装在带调平功能的基座上，在自准直仪的左右两侧分别设置光学六面体和双轴电子水平仪，该光学六面体和双轴电子水平仪均安装在带调平功能的基座上。
而且，所述的带调平功能的基座包括底板和螺旋副，在底板的前端对称安装两个螺旋副，在底板的后端中部安装一个螺旋副；自准直仪、光学六面体和双轴电子水平仪均安装在底板上。
而且，所述的底板上安装两个支撑座，每个支撑座上均制出一个开槽，每个支撑座上均铰装一个弧形锁板，自准直仪放置在支撑座的开槽内并通过弧形锁板定位。
一种基于自准直仪的姿态测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴.放置姿态测试装置：将姿态测试装置放置在稳固的基础上；
⑵.自准直仪准备：自准直仪开机，照准目标反光面；
⑶.水平角的测量：启动双轴电子水平仪，测量装置水平姿态与水平面夹角；
⑷.方位角的测量：方位角可由自准直经纬仪测量光学六面体与外基准之间的夹角或由自准直陀螺经纬仪直接测量得到；
⑸.测量目标姿态：启动自准直仪的绝对角度测量模式，对目标反光面进行数据录取，启动双轴电子水平仪进行水平姿态的数据录取，记录自准直仪输出(x，y)；
⑹.数据处理：姿态测试完成后，运用姿态测试装置数据处理方法，对自准直仪及双轴电子水平仪的数据进行处理，得到目标反光面在地理坐标系内姿态的连续变化。
而且，步骤⑷所述的方位角的测量为：架设自准直经纬仪，使其镜筒俯仰轴与光学六面体等高，照准光学六面体，然后瞄准基准镜或与陀螺经纬仪互瞄获得基准，从而测量光学六面体与真北方位的夹角；由于六面体有三个反射面可以反映装置的方位角，视现场方便程度任选其一测量即可，测量结果分别记为(ξ1ξ2ξ3)。
而且，步骤⑹所述的数据处理过程为：
①.建立装置坐标系：
建立装置坐标系即建立六面体坐标系与地理系的转换矩阵，需要用到六面体相对于地理系的三个姿态角，可以通过水平仪输出和方位角注入得到姿态角如下：
俯仰角：
由水平仪测得的装置纵向倾角加上标定得到的误差角得到：
θ＝S1+△1；
横滚角：
由水平仪测得的装置横倾角加上误差角后除以俯仰角的余弦得到：
方位角：
由于六面体有三个反射面可以注入方位角，建立坐标系时根据不同的注
入平面分为以下情况：
注入镜面1时，方位角即注入角：
ξ＝ξ1；
注入镜面3时，方位角为注入角加180度：
ξ＝ξ2+180；
注入镜面2时，方位角与注入角关系如下：
ξ＝ξ3-tan(S1+△1)tan(S2+△2)；
以上姿态角确定后可以建立装置与地理系的转换矩阵
②.建立自准直仪坐标系：
自准直仪光轴可以看作为一向量，其CCD平面可以看做为与光轴垂直的坐标平面；建立以光轴和CCD坐标轴构成的坐标系简称光管坐标系，经过标定可以得到光管坐标系与装置坐标系之间转换矩阵由以上步骤得到的可以得到光管坐标系与地理坐标系之间的转换矩阵：
③.计算目标反光面法线姿态向量并通过姿态向量计算法线与水平面夹角及在水平面上投影与真北夹角：
光学自准直仪是基于高分辨率的CCD和产生平行光的自准直光源及高质量的镜头组以测量目标平面镜与自身坐标系所成角度的仪器；其原理为：物镜组焦距为f，在其焦点位置有一光源O，来自光源O的光线经过物镜组折射，成为平行光，照射在目标平面镜之后反射回CCD平面成像O’，如果平面镜法线与光管轴存在一个角度θ，根据光的反射性质，反射光线将与入射光线成角2θ，反射形成的像O’将与其光源O有一定距离d，高分辨率的CCD可以测量得到d，并由下式得到夹角θ：
实际使用时，光源经过分划板形成一十字光束，经反射后返回光管并在CCD上汇聚为一十字光斑，并可得十字光斑中心点在CCD平面上的坐标(dx，dy)；
由此可得目标反射面法线与光管CCD坐标轴之间的夹角：
由此两角度可以得到目标反射面法线相对于光管坐标系的方向单位向量：
进而可得目标反射面法线相对于地理系的方向单位向量：
由此向量可以反算出目标反射面在水平面上投影与真北之间的夹角，以及目标反射面与水平面之间的夹角：
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明是一种设计科学的基于自准直仪的姿态测试装置及方法，本姿态测试装置中的自准直仪可以在照准目标反光面后，进行连续、实时、高精度的姿态测量，并通过自准直经纬仪对姿态测试装置上的光学六面体的测量得到该姿态测试装置在地理坐标系的方位角，通过双轴电子水平仪的测量得到该姿态测试装置在地理坐标系内的水平姿态，进而可以得到目标反光面在地理坐标系内姿态的连续变化，满足测量需要。
2、本发明中的光学六面体采用光学性能优异的K9玻璃制成，可以将照射到其处安装面外五个面上的入射光线反射回去，是高精度的光学基准，并可实现多角度测量，降低了自准直经纬仪的架设难度，提高了使用效率。
3、本发明的光学六面体是姿态测试装置的方位姿态基准，双轴电子水平仪是姿态测试装置的水平姿态基准，此设计保证了测量精度。
4、在已有方位基准的情况下，使用自准直经纬仪传递精度可以达到0.5″，使用自准直陀螺经纬仪的测量精度可以达到2″。相比较传统的经纬仪和陀螺经纬仪直接测量的方法，本发明姿态角的精度可达到0.1″，提高明显。
5、本发明可以实现对目标水平姿态和方位角的长时间连续监控，对于处于长时间缓慢变化(如长期姿态保持的惯导平台)的目标，传统的测量方法只能实现对目标的点式测量无法反映目标的变化情况和变化规律，而本发明则可以实现长时间连续的监控，从而可以详细的记录目标姿态角和方位角的变化过程从而可以归纳出变化规律。同时，相较于传统的经纬仪测量方法，本发明实现无人值守的高精度姿态测量，有效地降低人力成本提高测量效率。
6、传统测量在使用经纬仪或陀螺经纬仪进行测量的过程中，由于人工操作的随机性，使得最终的测量误差无法达到仪器的理论精度，而本发明采用自准直仪作为测试仪器可以实现自动成像并录数，避免了人工操作带来的误差，从而提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明的立体示意图一；
图2是本发明的立体示意图二；
图3是光学自准直仪工作原理；
图4是光学自准直仪输出示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例；需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于自准直仪的姿态测试装置，包括自准直仪2、光学六面体4、双轴电子水平仪1、带调平功能的基座，带调平功能的基座包括底板3和螺旋副5，在底板的前端对称安装两个螺旋副，在底板的后端中部安装一个螺旋副。带调平功能的基座给自准直仪提供安装基准，同时给光学六面体和双轴电子水平仪提供安装基准，并采用螺旋副保证在一定范围内对姿态测试装置的水平进行调整。
自准直仪：是利用光学自准直原理，配合反射镜来测量微小的偏转角，小角度测量或可转换为小角度测量的一种常用计量测试仪器。自准直技术被广泛用于精密定位、自动角度定位环集、角度测量等方面，是光学加工和检测、机械制造、造船、航空航天、计量测试、科学研究等部门必备的常规测量仪器。特别是在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作用。自准直仪安装在带调平功能的基座底板上，即：在底板上安装两个支撑座7，每个支撑座上均制出一个开槽，该开槽为梯形槽或者弧形槽。每个支撑座上均铰装一个弧形锁板6，自准直仪放置在支撑座的开槽内并通过弧形锁板定位。
在自准直仪的左右两侧分别设置光学六面体和双轴电子水平仪，该光学六面体和双轴电子水平仪均安装在带调平功能的基座底板上。光学六面体：采用光学性能优异的K9玻璃制成的光学六面体可以将照射到其处安装面外五个面上的入射光线反射回去，是高精度的光学基准，并可实现多角度测量，降低了自准直经纬仪的架设难度，提高了使用效率，是姿态测试装置的方位姿态基准。双轴电子水平仪：可实现相互垂直的两个水平角的高精度实时测量，是姿态测试装置的水平姿态基准。调整光学六面体使其两个面的水平姿态输出与双轴电子水平仪的输出相差为优于5″。将零位调整准确的双轴电子水平仪安装就位后测量出其安装面与自准直仪的光轴的水平法线的实际差值。
一种基于自准直仪的姿态测试方法，包括以下步骤：
⑴.放置姿态测试装置：
在实验室内，将姿态测试装置放置在稳固的基础上；
⑵.自准直仪准备：
自准直仪开机，照准目标反光面；
⑶.水平角的测量：
启动双轴电子水平仪，测量装置水平姿态与水平面夹角；
⑷.方位角的测量：
方位角可由自准直经纬仪测量光学六面体与外基准之间的夹角或由自准直陀螺经纬仪直接测量得到：
架设自准直经纬仪，使其镜筒俯仰轴与光学六面体等高，照准光学六面体，然后瞄准基准镜或与自准直陀螺经纬仪互瞄获得基准，从而测量光学六面体与真北方位的夹角。由于六面体有三个反射面可以反映装置的方位角，视现场方便程度任选其一测量即可，测量结果分别记为(ξ1ξ2ξ3)；
⑸.测量目标姿态：
启动自准直仪的绝对角度测量模式，对目标反光面进行数据录取，启动双轴电子水平仪进行水平姿态的数据录取，记录自准直仪输出(x，y)；
⑹.数据处理：
姿态测试完成后，运用姿态测试装置数据处理方法，对自准直仪及双轴电子水平仪的数据进行处理，得到目标反光面在地理坐标系内姿态的连续变化。该处理过程为：
①.建立装置坐标系：
建立装置坐标系即建立六面体坐标系与地理系的转换矩阵，需要用到六面体相对于地理系的三个姿态角。可以通过水平仪输出和方位角注入得到姿态角如下：
俯仰角：
由水平仪测得的装置纵向倾角加上标定得到的误差角得到：
θ＝S1+△1；
横滚角：
由水平仪测得的装置横倾角加上误差角后除以俯仰角的余弦得到：
方位角：
由于六面体有三个反射面可以注入方位角，建立坐标系时根据不同的注
入平面分为以下情况：
注入镜面1时，方位角即注入角：
ξ＝ξ1；
注入镜面3时，方位角为注入角加180度：
ξ＝ξ2+180；
注入镜面2时，方位角与注入角关系如下：
ξ＝ξ3-tan(S1+△1)tan(S2+△2)；
以上姿态角确定后可以建立装置与地理系的转换矩阵
②.建立自准直仪坐标系：
自准直仪光轴可以看作为一向量，其CCD平面可以看做为与光轴垂直的坐标平面。建立以光轴和CCD坐标轴构成的坐标系简称光管坐标系，经过标定可以得到光管坐标系与装置坐标系之间转换矩阵由以上步骤得到的可以得到光管坐标系与地理坐标系之间的转换矩阵：
③.计算目标反光面法线姿态向量并通过姿态向量计算法线与水平面夹角及在水平面上投影与真北夹角：
光学自准直仪是基于高分辨率的CCD和产生平行光的自准直光源及高质量的镜头组以测量目标平面镜与自身坐标系所成角度的仪器。其原理如图3所示，物镜组焦距为f，在其焦点位置有一光源O，来自光源O的光线经过物镜组折射，成为平行光，照射在目标平面镜之后反射回CCD平面成像O’，如果平面镜法线与光管轴存在一个角度θ，根据光的反射性质，反射光线将与入射光线成角2θ，反射形成的像O’将与其光源O有一定距离d，高分辨率的CCD可以测量得到d，并由下式得到夹角θ：
实际使用时，光源经过分划板形成一十字光束，经反射后返回光管并在CCD上汇聚为一十字光斑，(如图4所示)并可得十字光斑中心点在CCD平面上的坐标(dx，dy)；
由此可得目标反射面法线与光管CCD坐标轴之间的夹角：
由此两角度可以得到目标反射面法线相对于光管坐标系的方向单位向量：
进而可得目标反射面法线相对于地理系的方向单位向量：
由此向量可以反算出目标反射面在水平面上投影与真北之间的夹角，以及目标反射面与水平面之间的夹角：
Claims (6)
1.一种基于自准直仪的姿态测试装置，其特征在于：包括自准直仪、光学六面体、双轴电子水平仪、带调平功能的基座，自准直仪安装在带调平功能的基座上，在自准直仪的左右两侧分别设置光学六面体和双轴电子水平仪，该光学六面体和双轴电子水平仪均安装在带调平功能的基座上。
2.根据权利要求1所述的一种基于自准直仪的姿态测试装置，其特征在于：所述的带调平功能的基座包括底板和螺旋副，在底板的前端对称安装两个螺旋副，在底板的后端中部安装一个螺旋副；自准直仪、光学六面体和双轴电子水平仪均安装在底板上。
3.根据权利要求2所述的一种基于自准直仪的姿态测试装置，其特征在于：所述的底板上安装两个支撑座，每个支撑座上均制出一个开槽，每个支撑座上均铰装一个弧形锁板，自准直仪放置在支撑座的开槽内并通过弧形锁板定位。
4.一种使用如权利要求1所述的姿态测试装置的姿态测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴.放置姿态测试装置：将姿态测试装置放置在稳固的基础上；
⑵.自准直仪准备：自准直仪开机，照准目标反光面；
⑶.水平角的测量：启动双轴电子水平仪，测量装置水平姿态与水平面夹角；
⑷.方位角的测量：方位角可由自准直经纬仪测量光学六面体与外基准之间的夹角或由自准直陀螺经纬仪直接测量得到；
⑸.测量目标姿态：启动自准直仪的绝对角度测量模式，对目标反光面进行数据录取，启动双轴电子水平仪进行水平姿态的数据录取，记录自准直仪输出(x，y)；
⑹.数据处理：姿态测试完成后，运用姿态测试装置数据处理方法，对自准直仪及双轴电子水平仪的数据进行处理，得到目标反光面在地理坐标系内姿态的连续变化。
5.根据权利要求4所述的一种姿态测试方法，其特征在于：步骤⑷所述的方位角的测量为：架设自准直经纬仪，使其镜筒俯仰轴与光学六面体等高，照准光学六面体，然后瞄准基准镜或与陀螺经纬仪互瞄获得基准，从而测量光学六面体与真北方位的夹角；由于六面体有三个反射面可以反映装置的方位角，视现场方便程度任选其一测量即可，测量结果分别记为(ξ1ξ2ξ3)。
6.根据权利要求4所述的一种姿态测试方法，其特征在于：步骤⑹所述的数据处理过程为：
①.建立装置坐标系：
建立装置坐标系即建立六面体坐标系与地理系的转换矩阵，需要用到六面体相对于地理系的三个姿态角，通过水平仪输出和方位角注入得到姿态角如下：
俯仰角：
由水平仪测得的装置纵向倾角加上标定得到的误差角得到：
θ＝S1+Δ1；
横滚角：
由水平仪测得的装置横倾角加上误差角后除以俯仰角的余弦得到：
方位角：
由于六面体有三个反射面可以注入方位角，建立坐标系时根据不同的注入平面分为以下情况：
注入镜面1时，方位角即注入角：
ξ＝ξ1；
注入镜面3时，方位角为注入角加180度：
ξ＝ξ2+180；
注入镜面2时，方位角与注入角关系如下：
ξ＝ξ3-tan(S1+Δ1)tan(S2+Δ2)；
以上姿态角确定后可以建立装置与地理系的转换矩阵
②.建立自准直仪坐标系：
自准直仪光轴可以看作为一向量，其CCD平面可以看做为与光轴垂直的坐标平面；建立以光轴和CCD坐标轴构成的坐标系简称光管坐标系，经过标定可以得到光管坐标系与装置坐标系之间转换矩阵由以上步骤得到的可以得到光管坐标系与地理坐标系之间的转换矩阵：
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③.计算目标反光面法线姿态向量并通过姿态向量计算法线与水平面夹角及在水平面上投影与真北夹角：
光学自准直仪是基于高分辨率的CCD和产生平行光的自准直光源及高质量的镜头组以测量目标平面镜与自身坐标系所成角度的仪器；其原理为：物镜组焦距为f，在其焦点位置有一光源O，来自光源O的光线经过物镜组折射，成为平行光，照射在目标平面镜之后反射回CCD平面成像O’，如果平面镜法线与光管轴存在一个角度θ，根据光的反射性质，反射光线将与入射光线成角2θ，反射形成的像O’将与其光源O有一定距离d，高分辨率的CCD可以测量得到d，并由下式得到夹角θ：
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实际使用时，光源经过分划板形成一十字光束，经反射后返回光管并在CCD上汇聚为一十字光斑，并可得十字光斑中心点在CCD平面上的坐标(dx，dy)；
由此可得目标反射面法线与光管CCD坐标轴之间的夹角：
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