一种转台测角系统定位误差自校准方法及系统

技术领域

本发明涉及角度测量领域，具体涉及一种转台测角系统定位误差自校准方法及系统。

背景技术

转台测角系统因为测角精度高、测量分辨力高等优点被广泛应用于关节式坐标测量机、机器人等领域。随着技术的发展，各种应用场合对测角精度要求日渐提高。转台测角系统定位精度的最主要误差源是偏心误差，该误差约占转台测角系统总定位误差的80％，因此偏心误差的补偿能够有效提高转台测角系统定位精度。目前，校准转台定位误差的方法主要有两种：一是采用硬件补偿方法校准定位误差；二是采用软件方法对定位误差进行拟合并校准。

转台定位误差的硬件校准方法主要是通过多读数头或者特质的光栅盘来监测和校准定位误差，达到提高转台定位精度的目的：例如论文《The NIM continuous fullcircle angle standard》(https://doi.org/10.1088/1361-6501/aac6a6)使用等分平均算法，利用四个读数头均匀分布实现定位误差的硬件补偿。硬件补偿方法效果仅受读数头数量和布局限制，能够实现较好的补偿效果；但是另一方面，读数头的增多以及特质的光栅盘带来了高成本和高系统复杂度的问题。

软件补偿方法利用高精度的外部校准仪器标定误差并通过软件方法对定位误差进行拟合和校准。例如论文《Study on the compensation for mounting eccentricerrors of circular grating angle sensors》(doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.301-303.1552)提出了一种利用非线性最小二乘法求取偏心参数的方法来实现转台定位误差补偿。虽然软件校准方法灵活性高，但是该类校准方法需要借助外界标定仪器获取误差补偿函数。

以上两种转台定位误差补偿方法对设备要求较高，并且需要额外的标定仪器来实现转台定位误差的校准，有步骤繁琐，成本高等局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：打破现有技术的局限，提出一种转台测角系统定位误差自校准方法及系统，不借助其他标定仪器和复杂的转台硬件校准系统，通过转台测角系统自身信号实现定位精度提升。

本发明的一方面提供了一种转台测角系统定位误差自校准方法，包括以下步骤：

利用转台测角系统自有的读数头，实时采集整圆周转动过程输出的莫尔信号；

分析莫尔信号的相位误差函数，并获取在频域内的各阶分量的幅值；

利用一阶幅值与转台偏心的关系模型分离出转台偏心量；

建立偏心引起的定位误差模型；

利用定位误差补偿模型实现转台定位误差自校准。

本发明的另一方面提供了一种转台测角系统定位误差自校准系统，包括：

莫尔信号采集模块，用于利用转台测角系统自有的读数头，实时采集整圆周转动过程输出的莫尔信号；

幅值获取模块，用于分析莫尔信号的相位误差函数，并获取在频域内的各阶分量的幅值；

偏心量获取模块，用于利用一阶幅值与转台偏心的关系模型分离出转台偏心量；

定位误差模型建立模块，用于建立偏心引起的定位误差模型；

转台定位误差自校准模块，用于利用定位误差补偿模型实现转台定位误差自校准。

本发明的有益效果是：本发明提出一种更方便、快捷的转台定位测角系统误差校准方法及系统，本发明以转台测角系统自身读数头输出的莫尔信号为基础，建立定位误差补偿函数，有效提高转台测角系统定位精度。相比较于传统校准方法，该方法简化了定位误差校准过程并降低了成本。

附图说明

图1a是转台莫尔信号形成的示意图；

图1b是图1a的俯视图；

图2是转台误差函数分离流程图；

图3是转台偏心导致的测角误差示意图；

图4是转台偏心误差补偿流程图；

图5是转台测角系统定位误差自校准系统图。

具体实施方式

图1a是转台莫尔信号形成的示意图。由图可知转台旋转轴带动光栅盘转动，光栅盘上的标尺光栅与转台读数头中的指示光栅相对位置发生变化，导致读数头发出的固定光强L经过指示光栅和透射光栅组成的光栅透射系统输出变化的光强L’(θ)，光强L’(θ)被光电传感器接收，转换成变化的莫尔信号m(θ)。

在此过程中，如图1b中的俯视图所示，转台偏心造成旋转中心O和转台中心R不重合会导致标尺光栅和指示光栅发生额外的相对运动Δx(θ):

Δx(θ)＝RA-OA≈B'R＝|RO|cosθ＝e·cosθ(1)

其中A为读数头中心，O为旋转中心，θ为转台圆周角位置，AB与OA长度相同，B’O垂直AB。偏心OR一般为微米级别，所以BR可以近似为B’R。

Δx(θ)会对标尺光栅的透射函数T

其中a

则经过两光栅组成的光栅透射系统输出的变化光强L’(θ)为：

由拍现象所产生的最大周期及其谐波组成的莫尔条纹一般表达式是抽取m＝-n得到的，合并公式(4)中的常数项如下：

f

综上所述，转台输出的莫尔信号m(θ)表达式为：

其中k为光电传感器的光电转化系数。

图2是转台相位误差函数分离示意图。由图1a原理可知，转台姿态误差会引起指示光栅和标尺光栅相对位置的改变，从而改变输出的莫尔信号m(θ)，现需要将莫尔信号中的相位误差函数φ

根据转台转速ω构建理想莫尔信号m

φ

对莫尔信号的相位误差函数φ

φ

将相位误差函数φ

F(1)＝(φ

其中由于光栅夹角α角度较小，cosα可近似为1。

图3是转台偏心导致的定位误差示意图。基于之前计算的转台偏心量e，可搭建模型计算定位误差。图中R为光栅盘圆心，O为旋转中心，θ为转台圆周角位置，θ'为读数头的圆周角位置测量值，Δθ

基于转台定位误差的模型，本发明可利用转台自身读数头输出的信号计算得出偏心量e，并实现定位误差的自校准：

图4是一种转台定位误差自校准方法流程图，现根据前面所述的原理对转台定位误差实现自校准。

a.利用转台自有的读数头采集整圆周转动过程输出的莫尔信号m(θ)，θ为转台角位置；

b.分析莫尔信号m(θ)的相位误差函数E(θ)，并对相位误差函数E(θ)进行离散傅里叶分析获取误差函数对应的各阶频率幅值F(i)；

c.利用一阶幅值F(1)与转台偏心的关系模型分离出转台偏心量e；

d.建立偏心引起的定位误差模型：Δθ

e.利用定位误差补偿模型实现转台定位误差自校准：θ＝θ'-Δθ

如图5所示，一种转台测角系统定位误差自校准系统，包括莫尔信号采集模块，用于利用转台测角系统自有的读数头，实时采集整圆周转动过程输出的莫尔信号；

幅值获取模块，用于分析莫尔信号的相位误差函数，并获取在频域内的各阶分量的幅值；

偏心量获取模块，用于利用一阶幅值与转台偏心的关系模型分离出转台偏心量；

定位误差模型建立模块，用于建立偏心引起的定位误差模型；

转台定位误差自校准模块，用于利用定位误差补偿模型实现转台定位误差自校准。

值得指出的是，定位误差补偿是提升转台测角系统的测角精度的重要环节。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。