基于单个读数头信号的转台测角系统偏心误差分离方法及系统

技术领域

本发明涉及角度测量领域，具体涉及一种基于单个读数头信号的转台测角系统偏心误差分离方法及系统。

背景技术

转台测角系统因为测角精度高、分辨力高等优点被广泛应用于航空航天，关节式坐标测量机、机器人等领域。随着技术的发展，各种应用场合对转台测角系统精度要求日渐提高；而转台测角系统的精度受安装误差影响大，其中偏心误差又是安装误差的一个重要影响因素。设计一种转台偏心误差分离方法对监测转台实时状态、提升转台测角精度有着重要的意义。

目前国内外学者通常采用以下两种方法对转台测角系统偏心量进行分离：一种是根据圆周封闭特性，基于多面棱体和自准直仪等外部参考标准，利用交叉校准法获取离散校准数据，并对误差数组进行拟合分析，分离出转台偏心误差。例如论文《圆光栅偏心对仿真转台角位置精度的影响》(doi:10.3969/j.issn.1672-9870.2014.03.003)分析了安装偏心引起的测角误差与转角的关系，由多面棱体和自准直仪标定出离散测角误差，并通过最小二乘拟合法分离出转台偏心误差。

另一种方法是通过外设传感器监测并分离转台偏心误差。例如《一种新的圆光栅偏心参数自标定方法》(doi:10.3969/j.issn.0254-3087.2016.11.007.)建立了双读数头偏心误差模型，推导了圆光栅偏心参数自标定公式，并利用对径安装的两个读数头对圆光栅的偏心参数进行标定，分离出转台的偏心误差。

以上两种转台偏心误差分离方法对实验环境和设备要求较高，且都需要额外的标定仪器或传感器才能实现偏心误差的分离，步骤繁琐，有较大的局限性。

发明内容

为了解决技术背景中存在的问题，本发明旨在提供基于单个读数头信号的转台测角系统偏心误差分离方法及系统，解决传统偏心分离方法步骤繁琐，需要外部设备的局限性。

本发明的一方面提供了一种基于单个读数头信号的转台测角系统偏心误差分离方法，该方法包括以下步骤：

匀速转动转台并采集单读数头输出的实际莫尔信号，计算所述实际莫尔信号相位函数；

依据转台转速建立理想莫尔信号，计算所述理想莫尔信号相位函数；

依据上述两个相位函数得到单读数头莫尔信号相位误差函数；

对所述相位误差函数进行分析，获取频域内各阶相位误差分量的幅值；

建立转台偏心引起的相位误差模型；

依据一阶相位误差谐波幅值以及所述相位误差模型完成偏心误差分离。

本发明的另一方面提供了一种基于单个读数头信号的转台测角系统偏心误差分离系统，包括：

实际莫尔信号相位函数获取单元，用于匀速转动转台并采集单读数头输出的实际莫尔信号，计算所述实际莫尔信号相位函数；

理想莫尔信号相位函数获取单元，用于依据转台转速建立理想莫尔信号，计算所述理想莫尔信号相位函数；

莫尔信号相位误差函数获取单元，用于依据上述两个相位函数得到单读数头莫尔信号相位误差函数；

幅值获取单元，用于对所述相位误差函数进行分析，获取频域内各阶相位误差分量的幅值；

相位误差模型建立单元，用于建立转台偏心引起的相位误差模型；

偏心误差分离单元，用于依据一阶相位误差谐波幅值以及所述相位误差模型完成偏心误差分离。

本发明的有益效果是：本发明使用转台自有的单个读数头信号进行偏心误差分离，相比传统的基于多面棱体和自准直仪等外部参考仪器，或者利用多个传感器、多读数头进行转台测角系统偏心误差分离方法，能够更加方便、快速地监测、分离转台测角系统的偏心误差。提供一种转台偏心误差的监测和分离方法，更加快速、方便地完成转台偏心误差的分离。

附图说明

图1是转台存在偏心时工作示意图；

图2是光栅由于偏心产生的位移误差示意图；

图3是偏心情况下光栅透射示意图；

图4是莫尔信号相位偏差示意图；

图5是转台测角系统偏心误差分离流程图；

图6是转台测角系统偏心误差分离系统结构图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明：

图1是转台存在偏心时工作示意图。转台以转速ω旋转，由于其存在偏心，光栅盘旋转中心R和几何中心O不重合，RO的长度即为转台偏心量e，该误差导致转台测角系统输出的莫尔信号u(θ)与该转速下的理想莫尔信号u

图2是光栅位移误差示意图。转台偏心导致光栅旋转时会产生位移误差L

位移误差L

L

图3是偏心情况下光栅透射示意图。转台偏心会导致光栅盘在旋转过程中产生位移误差L

指示光栅和标尺光栅组成的透射光栅系统随着转台旋转产生变化的光强，并由光栅读数头中的光电传感器进行光电转化，产生莫尔信号u(θ)。

建立如图3中所示的xy轴坐标系，其中指示光栅透射函数L

其中n、m为傅里叶级数，A

两光栅组成的透射光栅系统的透射函数与转台圆周角位置θ的关系为：

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

F

假设读数头发出的平行光强为I

通过公式(6)可知，偏心引起的位移误差L

由于两光栅位置接近平行，γ趋近于零，cosγ≈1。

图4是莫尔信号相位偏差示意图。由于转台在转动的过程中受到各种因素影响，实际莫尔信号u(θ)相比理想莫尔信号u

其中

通过对

A(1)＝(2πf

由于f

图5是基于单个读数头信号的转台测角系统偏心误差分离流程图。根据前面所述的原理对转台偏心误差实现分离。

a.以速度ω匀速转动转台，对转台自有的某一单个读数头在整圆周转动过程中输出的莫尔信号u(θ)进行数据采集，θ为转台圆周角位置；

b.通过仿真获取转速ω时的理想莫尔信号u

c.计算理想莫尔信号u

d.对

e.对相位误差函数

f.建立转台偏心引起的相位误差函数模型

g.提取步骤e中的一阶相位误差谐波幅值A(1)，根据A(1)＝2πf

如图6所示，基于单个读数头信号的转台测角系统偏心误差分离系统，包括实际莫尔信号相位函数获取单元，用于匀速转动转台并采集单读数头输出的实际莫尔信号，计算所述实际莫尔信号相位函数。

理想莫尔信号相位函数获取单元，用于依据转台转速建立理想莫尔信号，计算所述理想莫尔信号相位函数。

莫尔信号相位误差函数获取单元，用于依据上述两个相位函数得到单读数头莫尔信号相位误差函数。

幅值获取单元，用于对所述相位误差函数进行分析，获取频域内各阶相位误差分量的幅值。

相位误差模型建立单元，用于建立转台偏心引起的相位误差模型。

偏心误差分离单元，用于依据一阶相位误差谐波幅值以及所述相位误差模型完成偏心误差分离。

值得指出的是，偏心误差对测角精度影响大，故转台偏心测量的监测和分离是转台测试系统中必要的环节。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。