CN104034354B - 一种imu定位定向***装调工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IMU定位定向***装调工艺，结合DⅡ‑180°标校棱镜和IMU定位定向***的工作原理，探明DⅡ‑180°标校棱镜空间旋转过程中与IMU定位定向***的内在关系，根据DⅡ‑180°标校棱镜安装型式以及IMU定位定向***测地使用情况，确定影响定位定向***精度的因素，并给出如何消除影响定位定向***精度的工艺方法，最终制定出简单、可靠、高效的高精度装调工艺方法。

Description

一种IMU定位定向***装调工艺

技术领域

本发明涉及IMU定位定向***装调工艺，特别涉及一种应用于IMU定位定向***的DⅡ-180°标校棱镜高精度装调工艺。

背景技术

惯性测量单元(IMU,Inertial Measurement Unite)是定位定向***的核心部分，IMU的精度很大程度上决定着该***最终的定位和定向精度。

DⅡ-180°标校棱镜是IMU定位定向***的重要的组成部分，以往使用标校反射镜一般都采用平面反射镜或光学方体，由于自准直经纬仪的视场角一般都比较小(一般2ω＝3°左右)，难以实现快速自准直，影响测地效率。使用DⅡ-180°标校棱镜，光轴不需要垂直于棱镜前表面即可实现自准直，从而实现快速定向的能力。为了满足不同地形条件下的测地需求，该DⅡ-180°标校棱镜上设计一调平水泡，并将该棱镜固定在一回转轴上，实现了在复杂地形下将标校棱镜调整到水平零位进行测量，保证定向精度。

关于应用于IMU定位定向***的标校反射镜的高精度装调工艺，即便是常见的平面反射镜或光学方体，一直尚未见到过相关的文献报道，而对于DⅡ-180°标校棱镜，其高精度装调工艺更是一个全新的探索领域，如DⅡ-180°标校棱镜与IMU定位定向***的内在关系如何，在装调过程中哪些因素将会影响到定位定向精度并如何消除这些影响因素等都有待解决。

发明内容

本发明基于DⅡ-180°标校棱镜空间旋转过程中与IMU定位定向***的内在关系的探明，以及影响定位定向精度的因素的确定，提供了一种IMU定位定向***装调工艺，给出了如何消除影响定位定向精度的工艺方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种IMU定位定向***装调工艺，包括如下步骤：

a)、先不装标校棱镜，在轴端固定回转轴系引出工装，用测角仪将回转轴引出；

b)、以步骤a)中的回转轴系引出工装为基准，将自准直经纬仪放置于回转轴系引出工装前端，并调水平，调节经纬仪俯仰和方位，对回转轴系引出工装自准直，然后将自准直经纬仪俯仰和方位锁死；

c)、以步骤b)中的自准直经纬仪为基准，并保持工装架固定不动，拆除回转轴线引出工装，再装入棱镜，观察自准直经纬仪经过直角棱镜中的自准十字像，调节棱镜组的鼓轮，将自准十字像调正，通过修研棱镜座安装面和调节棱镜组上的鼓轮，确保自准直经纬仪自准十字像与自准直经纬仪分划中心十字线重合；

d)、调节棱镜座鼓轮，自准十字像调正时，观察棱镜上方的水泡，通过修磨水泡座与棱镜组安装面，使水泡居中；

e)、复检水泡居中时，自准直经纬仪自准十字像与自准直经纬仪分划中心十字线有无偏差，若有则重复步骤c)和步骤d)；

f)、将IMU定位定向***固定到高精度二维转台上，再通过经纬仪将共子午面阵列自准直仪组非标装置建立同一铅垂子午面基准，然后调整二维转台，通过共子午面阵列自准直仪组非标装置观察经过DⅡ-180°标校棱镜的自准十字像，确保二维转台方位锁紧后，在转台俯仰过程中阵列自准直仪组自准十字像保持一致，调整IMU在定位定向***上的安装位置，保证真北输出为一稳定值。

本发明的有益效果是：结合DⅡ-180°标校棱镜和IMU定位定向***的工作原理，探明DⅡ-180°标校棱镜空间旋转过程中与IMU定位定向***的内在关系，根据DⅡ-180°标校棱镜安装型式以及IMU定位定向***测地使用情况，确定影响定位定向精度的因素，并给出如何消除影响定位定向精度的工艺方法，最终制定出简单、可靠、高效的高精度装调工艺方法。

附图说明

图1为IMU铅垂轴与棱镜棱线所在水平面的存在铅垂误差的情形；

图2为IMU XOY坐标面绕转过的情形；

图3为棱镜回转轴与棱镜主截面存在夹角误差示意图；

图4为测角仪将回转轴引出示意图；

图5为将经纬仪光轴与棱镜座回转轴装调平行；

图6为经纬仪自准十字线与回转轴线引出工装相对关系；

图7为以自准直经纬仪为基准装调标校棱镜；

图8为消除IMU铅垂轴与棱镜棱线所在水平面的铅垂误差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1至图3所示，关于DⅡ-180°标校棱镜空间旋转对IMU定位定向***精度的影响的结论如下：

1、IMU定位定向***铅垂轴Z₁与棱镜棱线所在水平面存在铅垂误差时对***精度的影响如图1所示，IMU定位定向***铅垂轴Z₁与棱镜棱线所在水平面存在垂直误差，IMU定位定向***的XOY坐标面与直角棱镜棱线所在水平面夹角为α₁，设直角棱镜棱线在IMU定位定向***的XOY坐标面上的投影为l，则棱线与l的夹角为α₁。

如图2所示，IMU定位定向***XOY坐标面绕l转过θ，设单位向量分别为旋转前后的棱线方向，分别做P₁A、P₂A垂直于l，P₂B垂直于旋转前的XOY坐标面，并在该面内分别做的法线则γ₁为

${\mathrm{cos\γ}}_1=\frac{\stackrel{\→}{OB}\·\stackrel{\→}{{\mathrm{OP}}_1}}{\left|\stackrel{\→}{OB}\right|}=\frac{(\stackrel{\→}{OA}+\stackrel{\→}{AB})\·(\stackrel{\→}{OA}+\stackrel{\→}{{\mathrm{AP}}_1})}{\sqrt{|\stackrel{\→}{OA}{|}^2+|\stackrel{\→}{AB}{|}^2}}=\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}_1+{\sin }^2{\mathrm{\α}}_1\cos \mathrm{\θ}}{\sqrt{{\cos }^2{\mathrm{\α}}_1+{\sin }^2{\mathrm{\α}}_1{\cos }^2\mathrm{\θ}}}---\left(1\right)$

γ₁代表XOY坐标面旋转前后，直角棱镜对自准直经纬仪方位角的变化，是关于α₁和θ的函数，因此，若IMU定位定向***铅垂轴z₁与棱镜棱线所在水平面存在垂直误差α₁时，将会影响到***的测量精度。

2、棱镜回转轴与棱镜主截面不平行性对***精度的影响

如图3所示，当棱镜回转轴与棱镜主截面存在夹角误差α₂时，则棱镜法线与理想状态的棱镜棱线夹角为90°-α₂。

当***绕理想状态棱镜棱线俯仰倾斜θ时，根据图2和图3，将90°-α₂代替公式(1)中的α₁即可得到

${\mathrm{cos\γ}}_2=\frac{{\sin }^2{\mathrm{\α}}_2+{\cos }^2{\mathrm{\α}}_2\cos \mathrm{\θ}}{\sqrt{{\sin }^2{\mathrm{\α}}_2+{\cos }^2{\mathrm{\α}}_2{\cos }^2\mathrm{\θ}}}---\left(2\right)$

γ₂代表棱镜回转轴与棱镜主截面存在α₂夹角误差时，***俯仰倾斜θ后，直角棱镜对自准直经纬仪方位角的变化，因此也将会影响到***的测量精度。

根据DⅡ-180°标校棱镜固定在一回转轴上，并在该棱镜上设置一水平水泡的结构形式，分析其工作原理以及IMU定位定向***的实际使用情况，确定IMU定位定向***位于不同地形条件下，DⅡ-180°标校棱镜应始终与IMU定位定向***保持恒定的输出关系这一核心装调思路，探明DⅡ-180°标校棱镜空间旋转过程中与IMU定位定向***的内在关系。

参照图4至图8所示，本发明公开了一种IMU定位定向***DⅡ-180°标校棱镜高精度装调工艺，包括如下步骤：

a)、先不装标校棱镜，在轴端固定回转轴系引出工装，用测角仪将回转轴引出，即回转轴与回转轴系引出工装法线平行，如图4所示。

b)、以步骤a)中的回转轴系引出工装为基准，将自准直经纬仪放置于回转轴系引出工装前端，并调水平。调节经纬仪俯仰和方位，对回转轴系引出工装自准直，然后将自准直经纬仪俯仰和方位锁死，如图5所示。

说明：图5所示的装调过程，经纬仪俯仰角未必是90°，这是因为该装调过程是以步骤一中回转轴系引出工装为基准，而回转轴系引出工装代表的是棱镜座回转轴基准，回转轴系引出工装反射镜未必铅垂于水平面，如图6所示。

该装调方法省去了将回转轴线引出工装反射镜调至铅垂水平面这一复杂工序，恰恰是运用了DⅡ-180°直角棱镜的成像特性。

自准直经纬仪作用主要有两个：①提供一个十字水平基准线；②将棱镜座回转轴过渡到经纬仪光轴上，通过十字水平基准线，将直接棱镜棱线和直角棱镜上的水泡同时调水平。

c)、c)、以步骤b)中的自准直经纬仪为基准，并保持工装架固定不动，拆除回转轴线引

出工装，再装入棱镜，观察自准直经纬仪经过直角棱镜中的自准十字像，如图7所示。此时的自准十字像将会是一个左右有偏差，并绕自身十字中心旋转的自准十字像。调节棱镜组的鼓轮，将自准十字像调正，通过修研棱镜座安装面和调节棱镜组上的鼓轮，确保自准直经纬仪自准十字像与自准直经纬仪分划中心十字线重合。

d)、调节棱镜座鼓轮，自准十字像调正时，观察棱镜上方的水泡，通过修磨水泡座与棱镜组安装面，使水泡居中。

e)、复检水泡居中时，自准直经纬仪自准十字像与自准直经纬仪分划中心十字线有无偏差，若有，重复步骤c)和d)。

f)、将IMU定位定向***固定到高精度二维转台上，再通过经纬仪将共子午面阵列自准直仪组非标装置建立同一铅垂子午面基准，然后调整二维转台，通过共子午面阵列自准直仪组非标装置观察经过DⅡ-180°标校棱镜的自准十字像，确保二维转台方位锁紧后，在转台俯仰过程中阵列自准直仪组自准十字像保持一致，调整IMU在定位定向***上的安装位置，保证真北输出为一稳定值，如图8所示。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

本发明的总体方案为：

分析在装调标校方面造成***测量误差的影响因素，确定装调控制点以及消除误差的方法，给出通过测角仪、回转轴系引出工装——可三点调节的平面反射镜、自准直经纬仪、高精度二维转台、共子午面阵列自准直仪组非标装置实现高精度装调的工艺方法。

分析出IMU定位定向***铅垂轴与棱镜棱线所在水平面存在铅垂误差时将对***精度产生影响。先将IMU定位定向***固定到高精度二维转台上，再通过经纬仪(此处可不带自准直功能)将共子午面阵列自准直仪组非标装置建立同一铅垂子午面基准，然后调整二维转台，通过共子午面阵列自准直仪组非标装置观察经过DⅡ-180°标校棱镜的自准十字像，确保二维转台方位锁紧后，在转台俯仰过程中阵列自准直仪组自准十字像保持一致，调整IMU定位定向***在定位定向***上的安装位置，保证真北输出为一稳定值，即可消除IMU定位定向***铅垂轴与棱镜棱线所在水平面的铅垂误差。

通过使用自准直经纬仪，将DⅡ-180°标校棱镜棱线与水平水泡同时装调水平，即实现水泡调平即可代表DⅡ-180°标校棱镜棱线水平。

分析出DⅡ-180°标校棱镜回转轴与棱镜主截面不平行性将对***精度产生影响。

先通过回转轴系引出工装——可三点调节的平面反射镜、测角仪将回转轴引出，然后将自准直经纬仪先后分别与平面反射镜、DⅡ-180°标校棱镜自准直，修研棱镜与镜框的安装面，即可消除棱镜回转轴与棱镜主截面不平行性误差。

DⅡ-180°标校棱镜回转轴晃、棱镜棱线与棱镜前表面的不平行性，也将会对***精度产生影响，因此棱镜回转轴需采用高精度的轴承，棱镜加工需严格提高棱镜棱线与棱镜前表面的平行性要求。

本发明方法根据DⅡ-180°标校棱镜的工作原理以及IMU定位定向***的实际使用情况，确定了实现高精度装调工艺方法的核心思路；并对DⅡ-180°标校棱镜空间旋转成像理论进行了较为深入地研究，探明了IMU定位定向***位于不同地形条件下，DⅡ-180°标校棱镜空间旋转过程中与IMU定位定向***的内在关系；进而从DⅡ-180°标校棱镜的装调和标校方面分析了造成***测量误差的影响因素，确定了装调控制点以及消除误差的方法，给出了高精度装调的工艺方法，并在IMU定位定向***的实际使用中得到了验证，其精度达到了国内领先水平。

先开展DⅡ-180°标校棱镜空间旋转成像理论的研究和公式的推导工作，了解DⅡ-180°标校棱镜的空间旋转成像特点，再结合DⅡ-180°标校棱镜和IMU定位定向***的工作原理，探明DⅡ-180°标校棱镜空间旋转过程中与IMU定位定向***的内在关系，根据DⅡ-180°标校棱镜安装型式以及IMU定位定向***测地使用情况，确定影响***的定位定向精度的因素，并给出如何消除影响定位定向精度的工艺方法，最终制定出简单、可靠、高效的高精度装调工艺方法。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种IMU定位定向***装调工艺，其特征在于，包括如下步骤：

a)、先不装标校棱镜，在轴端固定回转轴系引出工装，用测角仪将回转轴引出；

b)、以步骤a)中的回转轴系引出工装为基准，将自准直经纬仪放置于回转轴系引出工装前端，并调水平，调节经纬仪俯仰和方位，对回转轴系引出工装自准直，然后将自准直经纬仪俯仰和方位锁死；

c)、以步骤b)中的自准直经纬仪为基准，并保持工装架固定不动，拆除回转轴线引出工装，再装入棱镜，观察自准直经纬仪经过直角棱镜中的自准十字像，调节棱镜组的鼓轮，将自准十字像调正，通过修研棱镜座安装面和调节棱镜组上的鼓轮，确保自准直经纬仪自准十字像与自准直经纬仪分划中心十字线重合；

d)、调节棱镜座鼓轮，自准十字像调正时，观察棱镜上方的水泡，通过修磨水泡座与棱镜组安装面，使水泡居中；

e)、复检水泡居中时，自准直经纬仪自准十字像与自准直经纬仪分划中心十字线有无偏差，若有则重复步骤c)和步骤d)；

f)、将IMU定位定向***固定到高精度二维转台上，再通过经纬仪将共子午面阵列自准直仪组非标装置建立同一铅垂子午面基准，然后调整二维转台，通过共子午面阵列自准直仪组非标装置观察经过DⅡ-180°标校棱镜的自准十字像，确保二维转台方位锁紧后，在转台俯仰过程中阵列自准直仪组自准十字像保持一致，调整IMU在定位定向***上的安装位置，保证真北输出为一稳定值。