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CN106153074B - 一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统和方法 - Google Patents

一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统和方法 Download PDF

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CN106153074B CN201610458326.8A CN201610458326A CN106153074B CN 106153074 B CN106153074 B CN 106153074B CN 201610458326 A CN201610458326 A CN 201610458326A CN 106153074 B CN106153074 B CN 106153074B
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Abstract

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系统和方法。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。

Description

一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统和方法
技术领域
本发明涉及到一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统和方法，属于光学传感与测量领域。
技术背景
惯性测量组合是惯性导航的核心测量单元，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、滚动角和三维位移信息，实现对惯性测量组合动态性能的实时标定。
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以下几种：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三个相互正交的表面分别安装一个反射镜，以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。
随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统的接触式测量以及无法满足需求。而基于激光三角法的激光位移传感器可以实现非接触测量，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以上优点，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，可以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、滚动角和三维位移信息。
发明内容
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系统和方法，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、滚动角和三维位移信息。
本发明的技术方案如下：
一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统包含光学标定装置、信息采集模块、DSP、通信接口和PC机，所述的信息采集模块包括第一信息采集单元、第二信息采集单元和同步模块，第一信息采集单元采集三个角度位移测量组件的位移数据，第二信息采集单元采集待测惯性测量组合的数据，同步模块同时向信息采集模块一和信息采集模块二发送同步采集指令，信息采集模块与DSP相连，DSP通过通信接口与PC机相连；所述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、第三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三角度位移测量组件；一维振动台固定在水平隔震平台表面，三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，三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三维位移、俯仰角、滚转角和偏航角；所述的一维振动台能在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三个互相正交的平面，其中第一平面平行于XZ平面，第二平面平行于XY平面，第三平面平行于YZ平面。
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；第三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三平面上。
本发明还公开了所述惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统的光学标定方法，具体如下：
第一角度位移测量组件中第一激光位移传感器和第二激光位移传感器所处的平面平行于XY平面，其间距为L1，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，初始状态下，第一激光位移传感器测量得到的位移为S1’，第二激光位移传感器测量得到的位移为S2’，当待测惯性测量组合绕Z轴转动角度
Figure BDA0001023334470000031
时，角度
Figure BDA0001023334470000032
第一激光位移传感器测量得到的位移S1、第二激光位移传感器测量得到的位移S2和两激光束之间的距离L1的关系为
Figure BDA0001023334470000033
Figure BDA0001023334470000034
通过测量S1、S2和已知的L1，实时测量待测惯性测量组合绕Z轴的运动角度，即偏航角
Figure BDA0001023334470000035
同时可得到待测惯性测量组合沿Y轴的位移
Figure BDA0001023334470000036
第二角度位移测量组件中第三激光位移传感器和第四激光位移传感器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，初始状态下，第三激光位移传感器测量得到的位移为S3’，第四激光位移传感器测量得到的位移为S4’，当待测惯性测量组合绕X轴转动角度φ时，角度φ、第三激光位移传感器测量得到的位移S3、第四激光位移传感器测量得到的位移S4和两激光束之间的距离L2的关系为
Figure BDA0001023334470000039
Figure BDA00010233344700000310
通过测量S3、S4和已知的L2，实时测量待测惯性测量组合绕X轴的运动角度，即滚转角φ，同时可得到待测惯性测量组合沿Z轴的位移
Figure BDA00010233344700000312
第三角度位移测量组件中第五激光位移传感器和第六激光位移传感器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三平面，初始状态下，第五激光位移传感器测量得到的位移为S5’，第六激光位移传感器测量得到的位移为S6’，当待测惯性测量组合绕Y轴转动角度θ时，角度θ、第五激光位移传感器测量得到的位移S5、第六激光位移传感器测量得到的位移S6和两激光束之间的距离L3的关系为
Figure BDA0001023334470000041
Figure BDA0001023334470000042
通过测量S5、S6和已知的L3，实时测量待测惯性测量组合绕Z轴的运动角度，即偏航角θ，同时可得到待测惯性测量组合沿X轴的位移
Figure BDA0001023334470000043
第一信息采集单元采集三个角度位移测量组件的位移数据，第二信息采集单元采集待测惯性测量组合的数据，同步模块同时向第一信息采集单元和第二信息采集单元发送同步采集指令，实现6个激光位移传感器信号以及惯性测量组合信号的实时同步采集，并把结果送到PC机，PC机得到三维位移信息LX，LY，LZ和三维角度信息
Figure BDA0001023334470000044
θ，φ，当一维振动台沿Y轴振动用以测试惯性测量组合的动态导性能时，信息采集模块同步采集惯性测量组合输出的三维位移信息Ix，Iy，Iz和三维角度信息
Figure BDA0001023334470000045
Iθ，Iφ，将两个结果作对比，即可得到惯性测量组合在动态条件下三维角度和三维位移的测量误差为：
Figure BDA0001023334470000046
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。
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三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三维角度和位移的测量，并辅以对应的机械调整和对准装置，以及信息采集和处理系统，可以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
图1为惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统图；
图2为惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统信息处理框图。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明。
如图1和图2所示，一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统包含光学标定装置、信息采集模块、DSP、通信接口和PC机，所述的信息采集模块包括第一信息采集单元、第二信息采集单元和同步模块，第一信息采集单元采集三个角度位移测量组件的位移数据，第二信息采集单元采集待测惯性测量组合(3)的数据，同步模块同时向信息采集模块一和信息采集模块二发送同步采集指令，信息采集模块与DSP相连，DSP通过通信接口与PC机相连；所述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；一维振动台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。
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。
所述惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统的光学标定方法，具体如下：
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L1，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S1’，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
Figure BDA0001023334470000061
时，角度
Figure BDA0001023334470000062
第一激光位移传感器4测量得到的位移S1、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L1的关系为
Figure BDA0001023334470000063
通过测量S1、S2和已知的L1，实时测量待测惯性测量组合3绕Z轴的运动角度，即偏航角
Figure BDA0001023334470000064
同时可得到待测惯性测量组合3沿Y轴的位移
Figure BDA0001023334470000065
第二角度位移测量组件14中第三激光位移传感器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，第三激光位移传感器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φ时，角度φ、第三激光位移传感器6测量得到的位移S3、第四激光位移传感器7测量得到的位移S4和两激光束之间的距离L2的关系为
Figure BDA0001023334470000066
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φ，同时可得到待测惯性测量组合3沿Z轴的位移
Figure BDA0001023334470000067
第三角度位移测量组件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三平面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θ时，角度θ、第五激光位移传感器8测量得到的位移S5、第六激光位移传感器9测量得到的位移S6和两激光束之间的距离L3的关系为
Figure BDA0001023334470000068
通过测量S5、S6和已知的L3，实时测量待测惯性测量组合3绕Z轴的运动角度，即偏航角θ，同时可得到待测惯性测量组合3沿X轴的位移
Figure BDA0001023334470000069
第一信息采集单元采集三个角度位移测量组件的位移数据，第二信息采集单元采集待测惯性测量组合(3)的数据，同步模块同时向第一信息采集单元和第二信息采集单元发送同步采集指令，实现6个激光位移传感器信号以及惯性测量组合信号的实时同步采集，并把结果送到PC机，PC机得到三维位移信息LX，LY，LZ和三维角度信息
Figure BDA0001023334470000071
θ，φ，当一维振动台沿Y轴振动用以测试惯性测量组合的动态导性能时，信息采集模块同步采集惯性测量组合输出的三维位移信息Ix，Iy，Iz和三维角度信息
Figure BDA0001023334470000072
Iθ，Iφ，将两个结果作对比，即可得到惯性测量组合在动态条件下三维角度和三维位移的测量误差为：
Figure BDA0001023334470000073
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。

Claims (3)

1.一种惯性测量组合动态导航性能的光学标定系统，其特征在于包含光学标定装置、信息采集模块、DSP、通信接口和PC机，所述的信息采集模块包括第一信息采集单元、第二信息采集单元和同步模块，第一信息采集单元采集三个角度位移测量组件的位移数据，第二信息采集单元采集待测惯性测量组合(3)的数据，同步模块同时向信息采集模块一和信息采集模块二发送同步采集指令，信息采集模块与DSP相连，DSP通过通信接口与PC机相连；所述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)；一维振动台(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所述的光学标定系统，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。
3.一种如权利要求1所述光学标定系统的光学标定方法，其特征在于，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L1，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测量(4)得到的位移为S1’，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
Figure FDA0004039238250000021
时，角度
Figure FDA0004039238250000022
第一激光位移传感器(4)测量得到的位移S1、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L1的关系为
Figure FDA0004039238250000023
通过测量S1、S2和已知的L1，实时测量待测惯性测量组合(3)绕Z轴的运动角度，即偏航角
Figure FDA0004039238250000024
同时可得到待测惯性测量组合(3)沿Y轴的位移
Figure FDA0004039238250000025
第二角度位移测量组件(14)中第三激光位移传感器(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，第三激光位移传感器(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φ时，角度φ、第三激光位移传感器(6)测量得到的位移S3、第四激光位移传感器(7)测量得到的位移S4和两激光束之间的距离L2的关系为
Figure FDA0004039238250000026
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φ，同时可得到待测惯性测量组合(3)沿Z轴的位移
Figure FDA0004039238250000027
第三角度位移测量组件(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三平面(12)，初始状态下，第五激光位移传感器(8)测量得到的位移为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θ时，角度θ、第五激光位移传感器(8)测量得到的位移S5、第六激光位移传感器(9)测量得到的位移S6和两激光束之间的距离L3的关系为
Figure FDA0004039238250000028
通过测量S5、S6和已知的L3，实时测量待测惯性测量组合(3)绕Z轴的运动角度，即偏航角θ，同时可得到待测惯性测量组合(3)沿X轴的位移
Figure FDA0004039238250000029
第一信息采集单元采集三个角度位移测量组件的位移数据，第二信息采集单元采集待测惯性测量组合(3)的数据，同步模块同时向第一信息采集单元和第二信息采集单元发送同步采集指令，实现6个激光位移传感器信号以及惯性测量组合信号的实时同步采集，并把结果送到PC机，PC机得到三维位移信息LX，LY，LZ和三维角度信息
Figure FDA0004039238250000031
θ，φ，当一维振动台沿Y轴振动用以测试惯性测量组合的动态导性能时，信息采集模块同步采集惯性测量组合输出的三维位移信息Ix，Iy，Iz和三维角度信息
Figure FDA0004039238250000032
Iθ，Iφ，将两个结果作对比，即可得到惯性测量组合在动态条件下三维角度和三维位移的测量误差为：
Figure FDA0004039238250000033
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。
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