CN103162712B - 圆光栅测角偏差处理及轴系歪斜补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆光栅测角偏差处理及轴系歪斜补偿方法，其具体步骤如下：利用FPGA采集圆光栅盘配套读数头获取的实时转角位置信息，FPGA经过运算处理，输出转角位置对应的角度计数值，并将角度计数值传送给中央处理器；中央处理器计算当前转角位置相对于绝对零位的转角值，并将计算结果进行显示输出；对由于轴系歪斜带来的垂直角误差进行补偿修正。本发明的有益效果如下：本发明通过分段线性修正角度的方法在圆光栅工作范围内进行分段修正角度值及对轴系歪斜误差进行实时补偿，实现高精度圆光栅在复杂环境及受限条件下的精确测角要求，提高测角定向类设备校准仪器的测角精度。

Description

圆光栅测角偏差处理及轴系歪斜补偿方法

技术领域

本发明涉及测角定向类设备的校准仪器技术领域。

背景技术

针对经纬仪等光电测角仪器，现代实验室通常采用传统的检定装置进行检定，传统检定装置由一台立式多齿分度台、一台卧式多齿分度台、一台自准直仪和仪器座组成，自准直平行光管焦平面上有刻线分划板，通过立式多齿分度台的转动，与平行光管一起构成任意角度水平方向无穷远目标；通过卧式多齿分度台的转动，构成竖直方向无穷远目标，该传统检定装置结构复杂，成本较高。

随着军队信息化、快速适应能力的不断提高，继续开发了一种既能检测水平角度又能检测竖直角度的测角定向设备自动检测仪器，如图1和图2所示，该仪器包括支撑架1、平板基座2、升降调节机构3、自准直平行光管5、蜗轮蜗杆8、多齿分度台9和耳轴10，所述平板基座2通过调平底脚螺栓与支撑架1固定连接；所述多齿分度台9与升降调节机构3的基座固定连接，升降调节机构3与平板基座2固定连接；所述耳轴10的一侧设有步进电机7，步进电机7的输出端与蜗轮蜗杆8的输入端连接，蜗轮蜗杆8的输出端与自准直平行光管5的一端连接；所述耳轴10的另一侧设有圆光栅4，圆光栅4的光栅盘与自准直平行光管5的另一端连接。

所述自准直平行光管5包括光源、目镜分划板、准直分划板、分光棱镜和物镜6；所述目镜分划板和准直分划板均设在物镜6的焦平面上。

上述支撑架1具有调平功能，通过支撑架上的调平底脚螺栓可将平板基座2的横纵方向精确调制水平状态。升降调节机构3能够调节多齿分度台9的高度，以满足不同类型测角定向设备的望远镜轴系到平板基座2的距离。

经纬仪水平方向角的检测是以多齿分度台9作为圆分度标准器件，并以其刻度作为常角分度，以自准直平行光管5为照准标，分别以多齿分度台9的不同刻度位置作为经纬仪度盘的起始检定位置，用全组合法进行经纬仪度盘直径全误差的检定。

经纬仪竖直方向角的检测过程如下：自准直平行光管5的光源将其准直分划板照亮后经物镜发出平行光束，用来提供测角定向设备所需瞄准的无穷远像目标；步进电机7驱动蜗轮蜗杆8，蜗轮蜗杆8带动自准直平行光管5的框架绕耳轴10旋转，耳轴10另一侧的圆光栅4内安装有精确的圆光栅编码器，在光栅盘相对读数头发生转角时，通过测量转过的刻线数，按当量计算转换后的转角，将实时测量的角度值反馈给电机，从而实现回转框架的闭环反馈调节，最终实现经纬仪竖直方向任意角度的检测，提高经纬仪的精度。

由于校准设备需要提供标准角度来检定经纬仪等测角定向设备的竖直角度，而影响标准角测量精度的因素主要包括圆光栅的刻划误差、细分误差及轴系歪斜引起的转角误差，针对此三类误差进行实时补偿，提高垂直标准角精度势在必行。目前国外生产的圆光栅角分辨率及最大转速都取决于光栅的直径和所选读数头的分辨率。当前国外圆光栅刻划的最大刻线数为64800线，配置高倍数细分的读数头可实现0.01″的分辨率。由于安装误差及刻划误差存在，测量精度一直受限，必须进行实时补偿修正。但是目前还没有一种有效的方法，用以实现对称轴在高精度、快速、连续测量过程中，对圆光栅测角数据及轴系歪斜造成的测量误差进行补偿。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高测角定向类设备校准仪器的测角精度的圆光栅测角偏差处理及轴系歪斜补偿方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种圆光栅测角偏差处理及轴系歪斜补偿方法，其具体步骤如下：

（1）利用FPGA采集圆光栅盘配套读数头获取的实时转角位置信息，FPGA经过运算处理，输出转角位置对应的角度计数值，并将角度计数值传送给中央处理器；

（2）中央处理器计算当前转角位置相对于绝对零位的转角值，并将计算结果进行显示输出；

（3）当水平转轴倾斜角度θ时，瞄准轴划出一倾斜平面，同时瞄准轴轨迹绘出的大圆在水平线上与零位子午线相交，并与零位子午线成同样倾角θ；

设α为平行光管框架旋转到A点的实际垂直角，该值用过A点的子午线上的弧段来度量；α′为平行光管框架瞄准B点时，圆光栅编码器上的读数值，则有

，

由于轴系歪斜带来的垂直角误差等于角α′与α之差，即，由此可得水平轴系倾斜θ产生的垂直角误差为，其中。

在所述中央处理器的程序中加入偏差补偿修正精度程序，用以修正平行光管框架旋转到A点的垂直角，偏差的计算采用分段线性补偿计算方法，偏差补偿修正精度的公式如下：

，

其中，α为修正值，β为圆光栅编码器实测值，k为实测值β处的修正偏差，为实测值处的偏差，为实测值处的偏差。

所述系列值通过高精度23棱面体进行测定。

本发明的有益效果如下：

本发明通过分段线性修正角度的方法在圆光栅工作范围内进行分段修正角度值及对轴系歪斜误差进行实时补偿，实现高精度圆光栅在复杂环境及受限条件下的精确测角要求，提高测角定向类设备校准仪器的测角精度；运用中央处理器及高速处理芯片FPGA结合处理电路，能够较好的处理圆光栅及轴系倾斜带来的测量误差，提高测角定向设备自动检测仪器的运转精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是背景技术中所述测角定向设备自动检测仪器的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明平行光管框架轴系旋转几何模型图；

图4是本发明分段线性补偿方法示意图；

图5是本发明圆光栅读数头敏感信号示意图；

其中，1、支撑架，2、平板基座，3、升降调节机构，4、圆光栅，5、自准直平行光管，6、光管物镜，7、步进电机，8、蜗轮蜗杆，9、多齿分度台，10、耳轴。

具体实施方式

圆光栅测角偏差处理及轴系歪斜补偿方法，其具体步骤如下：

（1）利用FPGA采集圆光栅盘配套读数头获取的实时转角位置信息，FPGA经过运算处理，输出转角位置对应的角度计数值，并将角度计数值传送给中央处理器；

测角定向设备自动检测仪器的角度敏感组件为金属圆光栅和读数头，如图5所示，读数头有两路正交的矩形波信号输出通道A、B，假设采样电路在t₀时刻获取通道A、B的电平值为01，在t₁时刻获取值为00，则得到一个组合值0100，通过查找事先建好的计数增量表，控制电路可以知道圆光栅相对读数头正转了一个分辨率角度；反之，如果t₁时刻捕获的值为11，则得到组合值为0111，控制电路查表后可知光栅组件反转了一个分辨率角度。从而，控制电路决定对一个计数值是加1、减1还是保持不变，这个计数值即代表了光栅组件自身的累积相对转角值。

（2）中央处理器计算当前转角位置相对于绝对零位的转角值，并将计算结果进行显示输出；

（3）当水平转轴倾斜角度θ时，瞄准轴划出一倾斜平面，同时瞄准轴轨迹绘出的大圆在水平线上与零位子午线相交，并与零位子午线成同样倾角θ；

设α为平行光管框架旋转到A点的实际垂直角，该值用过A点的子午线上的弧段来度量；α′为平行光管框架瞄准B点时，圆光栅编码器上的读数值，则有

，

由于轴系歪斜带来的垂直角误差等于角α′与α之差，即，由此可得水平轴系倾斜θ产生的垂直角误差为，其中。

在中央处理器的程序中加入偏差补偿修正精度程序，用以修正平行光管框架旋转到A点的垂直角，偏差的计算采用分段线性补偿计算方法，偏差补偿修正精度的公式如下：

，

其中，α为修正值，β为圆光栅编码器实测值，k为实测值β处的修正偏差，为实测值处的偏差，为实测值处的偏差。

所述系列值通过高精度23棱面体进行测定。

Claims (2)

1.一种圆光栅测角偏差处理及轴系歪斜补偿方法，其特征在于，其方法步骤如下：

(1)利用FPGA采集圆光栅盘配套读数头获取的实时转角位置信息，FPGA经过运算处理，输出转角位置对应的角度计数值，并将角度计数值传送给中央处理器；

(2)中央处理器计算当前转角位置相对于绝对零位的转角值，并将计算结果进行显示输出；

(3)当水平转轴倾斜角度θ时，瞄准轴划出一倾斜平面，同时瞄准轴轨迹绘出的大圆在水平线上与零位子午线相交，并与零位子午线成同样倾角θ；

设α为平行光管框架旋转到第一点的实际垂直角，该值用过第一点的子午线上的弧段来度量；α′为平行光管框架瞄准第一点以外的第二点时，圆光栅编码器上的读数值，则有

由于轴系歪斜带来的垂直角误差等于角α′与α之差，即Δα＝α′-α，由此可得水平轴系倾斜θ产生的垂直角误差为其中0≤Δα_θ≤θ；在中央处理器的程序中加入偏差补偿修正精度程序，用以修正平行光管框架旋转到第一点的垂直角，偏差的计算采用分段线性补偿计算方法，偏差补偿修正精度的公式如下：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\β}-k=\mathrm{\β}-\[k_{i-1}+\frac{(k_i-k_{i-1})(\mathrm{\β}-{\mathrm{\β}}_{i-1})}{{\mathrm{\β}}_i-{\mathrm{\β}}_{i-1}}\],$

其中，α为修正值，β为圆光栅编码器实测值，k为实测值β处的修正偏差，k_i-1为实测值β_i-1处的偏差，k_i为实测值β_i处的偏差。

2.根据权利要求1所述的圆光栅测角偏差处理及轴系歪斜补偿方法，其特征在于，所述k_i系列值通过高精度23棱面体进行测定。