一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于測繪儀器技術領域，涉及一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試裝置 及方法。
【背景技術】
[0002] 高精度（定向精度優(yōu)于±5")陀螺儀是目前長隧道（如海底隧道、地鐵等）建 設施工和遠程導彈運載車初定向的必要裝備。在"紐約到北京"長隧道建設和洲際導彈發(fā) 射中±1"的初始定向誤差往往會導致難以接受的平面位置偏差。因此高精度陀螺儀是我 國國民經(jīng)濟建設和國防軍事應用的必備裝置。盡管目前陀螺儀的種類較多，包括磁懸浮陀 螺、光纖陀螺、激光陀螺儀、微機械陀螺儀、撓性陀螺儀等，但現(xiàn)階段上述新型陀螺儀的定向 精度難以滿足長隧道建設與導彈發(fā)射等快速高精度定向的應用需求。傳統(tǒng)的懸掛式（機 械式）陀螺儀，因其具有精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在快速高精度的靜態(tài)定向領域具有難以 替代的優(yōu)勢。雖然自1949年德國研制出第一臺真正實用的陀螺經(jīng)緯儀麗1以來已有大半 個世紀，陀螺儀的研制已取得巨大的進展，但在精度優(yōu)于±5"高精度陀螺儀的研制、生產(chǎn) 與應用中仍然存在無法精確測定陀螺懸掛系統(tǒng)靜平衡殘余量，不清楚精度優(yōu)于±5"高精 度陀螺儀對陀螺懸掛系統(tǒng)靜平衡殘余的具體要求，因而阻礙了陀螺儀定向精度的進一步提 升，也導致高精度陀螺儀對安裝調(diào)試人員的要求很高，安裝調(diào)試生產(chǎn)的效率很低等問題。
[0003] 陀螺懸掛系統(tǒng)由陀螺靈敏部和懸掛裝置組成，陀螺靈敏部包括陀螺馬達轉(zhuǎn)子和陀 螺房。如圖1所示，圖a為陀螺懸掛系統(tǒng)靜平衡理想狀態(tài)為靜止時，陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)量中心與陀 螺房組合件質(zhì)量中心及懸掛絲（吊絲）的中心線同處于垂直軸線，組合件質(zhì)量中心位于陀 螺轉(zhuǎn)子質(zhì)心〇 2下方一定距離內(nèi)。由于材料質(zhì)量分布、加工工藝等原因陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)心、組合件 質(zhì)心及懸掛絲（吊絲）的中心線常不在一條直線上，存在靜平衡殘余，如圖b所示。靜平衡 殘余量的大小直接影響到陀螺定向的精度和可靠性。目前這方面的研究工作主要集中在陀 螺轉(zhuǎn)子本身靜平衡測試方面，主要成果包括：張琳等【張琳，楊濤，王佳民，2007,半液浮陀 螺浮子的靜平衡方法研究.彈箭與制導學報，03:74-76】提出的半液浮陀螺浮子靜平衡方 法；黃業(yè)緒【黃業(yè)緒，史忠科，曹社平，2007,彈用速率積分陀螺浮子靜平衡方法研究[J]. 傳感技術學報，12:2571-2574】等提出的彈用速率積分陀螺浮子靜平衡方法；特殊結(jié)構(gòu)陀 螺轉(zhuǎn)子稱重法測靜平衡裝置【李丙樂，王厚生，王暉，王秋良，2006,特殊結(jié)構(gòu)陀螺轉(zhuǎn)子的 稱重靜平衡方法[J].制造技術與機床，09:83-87;任凱龍，王暉，曹志強，王厚生，王秋 良，2008,特殊結(jié)構(gòu)陀螺轉(zhuǎn)子稱重法測靜平衡裝置的研究[J].機械制造02:57-60】。在陀 螺懸掛系統(tǒng)靜平衡方面的公開成果僅包括肖京剛等【肖京剛，吳俊杰，劉嘉倬，陀螺經(jīng)緯 儀慣性靈敏部靜平衡研究，中國慣性技術學會.微機電慣性技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢摜 性技術發(fā)展動態(tài)發(fā)展方向研討會文集，中國慣性技術學會，2011:5】初步分析的慣性敏感 部重心與陀螺電機質(zhì)心不在同一鉛垂線時，對陀螺漂移的影響程度分析?？傊壳叭匀鄙?測定陀螺懸掛系統(tǒng)靜平衡參數(shù)的裝置與方法，制約高精度陀螺儀定向精度與生產(chǎn)中安裝調(diào) 試效率的進一步提高。因此迫切需要發(fā)展能夠快速高精確測定陀螺懸掛系統(tǒng)靜平衡參數(shù)的 方法與裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有目前仍缺少測定陀螺懸掛系統(tǒng)靜平衡參數(shù)裝置與方法， 制約高精度陀螺儀定向精度與生產(chǎn)中安裝調(diào)試效率的進一步提高等問題，為解決高精度陀 螺懸掛系統(tǒng)靜平衡參數(shù)測定問題提供一種新裝置和方法。
[0005] -種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試裝置，包括可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架、 激光發(fā)射器、接收板、可編程工業(yè)相機、相機定位支架、圖像處理及控制模塊及陀螺懸掛系 統(tǒng)；
[0006] 所述陀螺懸掛系統(tǒng)安裝在可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架上；
[0007] 所述激光發(fā)射器和接收板均設置于所述陀螺懸掛系統(tǒng)前方，所述激光發(fā)射器發(fā)出 的激光照射到所述陀螺懸掛系統(tǒng)靈敏部的基準鏡上，所述接收板接收所述基準鏡反射的激 光發(fā)射點；
[0008] 所述可編程工業(yè)相機固定在相機定位支架上，用于拍攝接收板上激光光斑的運動 軌跡圖像，并將所拍攝的圖像傳輸?shù)綀D像處理及控制模塊；
[0009] 所述可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架和激光發(fā)射器均受控于圖像處理及控制模塊；
[0010] 所述可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架包括電動升降臺、驅(qū)動馬達、調(diào)節(jié)螺柱、角螺旋底 座及水平儀；
[0011] 所述驅(qū)動馬達驅(qū)動電動升降臺；
[0012] 所述調(diào)節(jié)螺柱用于調(diào)節(jié)陀螺懸掛點處于水平狀態(tài)；
[0013] 【所述懸掛點處于水平狀態(tài)的目的是為了使得懸掛絲繃緊時處于堅直狀態(tài)?！?br>[0014] 所述角螺旋底座用于調(diào)節(jié)可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架的升降臺面處于水平狀態(tài)。
[0015] 所述可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架外設置有透明玻璃罩。
[0016] 當陀螺靈敏部基準鏡到接收板距離為1米時，靜平衡測試精度優(yōu)于1微米時，可編 程工業(yè)相機分辨率不低于500萬像素、拍攝速率不低于4幀。
[0017] 一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試方法，采用所述的一種高精度陀螺儀懸掛 系統(tǒng)靜平衡測試裝置，以陀螺懸掛系統(tǒng)靈敏部的基準鏡作為特征點反射鏡，通過激光發(fā)射 器連續(xù)發(fā)射激光束到特征點反射鏡上，反射鏡將發(fā)射激光反射到接收板上，由工業(yè)相機連 續(xù)拍攝反射的激光信號，并通過圖像處理模塊同步處理，采用質(zhì)心跟蹤算法獲得在連續(xù)時 刻陀螺懸掛系統(tǒng)特征點的中心位置信息（Xt，yt)，以陀螺擺動起始時刻開始記錄，至少記錄 陀螺擺動2個以上周期的特征點中心位置；基于特征點運動軌跡計算陀螺靜平衡殘余量， 所述陀螺靜平衡殘余量包括垂直陀螺轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸水平殘余量Y和平行于陀螺轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸 水平殘余量X:
【主權項】
1. 一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試裝置，其特征在于，包括可控陀螺懸掛系統(tǒng) 升降支架、激光發(fā)射器、接收板、可編程工業(yè)相機、相機定位支架、圖像處理及控制模塊及陀 螺懸掛系統(tǒng)； 所述陀螺懸掛系統(tǒng)安裝在可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架上； 所述激光發(fā)射器和接收板均設置于所述陀螺懸掛系統(tǒng)前方，所述激光發(fā)射器發(fā)出的激 光照射到所述陀螺懸掛系統(tǒng)靈敏部的基準鏡上，所述接收板接收所述基準鏡反射的激光發(fā) 射點； 所述可編程工業(yè)相機固定在相機定位支架上，用于拍攝接收板上激光光斑的運動軌跡 圖像，并將所拍攝的圖像傳輸?shù)綀D像處理及控制模塊； 所述可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架和激光發(fā)射器均受控于圖像處理及控制模塊； 所述可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架包括電動升降臺、驅(qū)動馬達、調(diào)節(jié)螺柱、角螺旋底座及 水平儀； 所述驅(qū)動馬達驅(qū)動電動升降臺； 所述調(diào)節(jié)螺柱用于調(diào)節(jié)陀螺懸掛點處于水平狀態(tài)； 所述角螺旋底座用于調(diào)節(jié)可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架的升降臺面處于水平狀態(tài)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試裝置，其特征在于， 所述可控陀螺懸掛系統(tǒng)升降支架外設置有透明玻璃罩。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試裝置，其特征在于， 當陀螺靈敏部基準鏡到接收板距離為1米，靜平衡測試精度優(yōu)于1微米時，可編程工業(yè)相機 分辨率不低于500萬像素、拍攝速率不低于4幀。
4. 一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試方法，其特征在于，采用權利要求1-3所述 的一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試裝置，以陀螺懸掛系統(tǒng)靈敏部的基準鏡作為特征 點反射鏡，通過激光發(fā)射器連續(xù)發(fā)射激光束到特征點反射鏡上，反射鏡將發(fā)射激光反射到 接收板上，由工業(yè)相機連續(xù)拍攝反射的激光信號，并通過圖像處理模塊同步處理，采用質(zhì)心 跟蹤算法獲得在連續(xù)時刻陀螺懸掛系統(tǒng)特征點的中心位置信息（x t，yt)，以陀螺擺動起始時 刻開始記錄，至少記錄陀螺擺動2個以上周期的特征點中心位置；基于特征點運動軌跡計 算陀螺靜平衡殘余量，所述陀螺靜平衡殘余量包括垂直陀螺轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸水平殘余量Y和平 行于陀螺轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸水平殘余量X : X=L-.r 2D 其中，R = b · Xc^a-Yci, (Xci, Yci)為陀螺下放前或托起后的所記錄的激光點坐標，L為懸 掛點到陀螺靈敏度質(zhì)量中心的距離，D為基準鏡到接收板之間的距離，b和a分別為利用連 續(xù)時刻陀螺懸掛系統(tǒng)特征點位置獲得的回歸直線的斜率和Y軸截距； 測量殘余量Y時，在陀螺靈敏部X軸正交處貼一片反光鏡，將工業(yè)相機水平旋轉(zhuǎn)90°， 按照水平殘余量X的測定方法進行測量。
5. 根據(jù)權利要求4所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試方法，其特征在于， 所述陀螺懸掛系統(tǒng)特征點的位置坐標是按照以下公式計算獲得：
且滿足 gray (X，y) >T 其中，T為設定的目標灰度閾值，Ω表示包含陀螺懸掛系統(tǒng)特征點在內(nèi)的波門，（x，y) 表示工業(yè)相機所拍攝到的目標圖片中包含特征點在內(nèi)波門中的像素點，gray(x，y)表示像 素點（x，y)的灰度值。
6. 根據(jù)權利要求5所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試方法，其特征在于， 所述可編程工業(yè)相機將陀螺懸掛系統(tǒng)的特征點運動軌跡放大30倍以上。
7. 根據(jù)權利要求6所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試方法，其特征在于， 陀螺抖動參數(shù)最大抖動振幅Am和平均抖動量2采用以下公式計算獲得：
其中，η為采樣點個數(shù)。
8. 根據(jù)權利要求5所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試方法，其特征在于， 所述波門為固定波門，其大小為200 X 200像素。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精度陀螺儀懸掛系統(tǒng)靜平衡測試裝置及方法，該裝置包括可控升降陀螺懸掛系統(tǒng)支架、激光發(fā)射器、接收板、高分辨率可編程工業(yè)相機及其定位支架、高精度水平儀、保護懸掛系統(tǒng)的透明玻璃罩和計算機；能夠精確捕捉特征點的運動軌跡，通過測定特征點運動軌跡來推算陀螺懸掛系統(tǒng)靜平衡殘余量，即重心偏差，將不能直接觀測的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎^測參數(shù)，為陀螺懸掛系統(tǒng)靜平衡殘余量測定提供科學依據(jù)；陀螺懸掛系統(tǒng)靜平衡殘余量測定可為精度優(yōu)于±5″高精度陀螺儀的研制、生產(chǎn)調(diào)試提供科學依據(jù)，提高安裝調(diào)試效率，同時降低對高精度陀螺儀對安裝調(diào)試人員操作經(jīng)驗的要求。
【IPC分類】G01C25-00, G01M1-12
【公開號】CN104655154
【申請?zhí)枴緾N201510103226
【發(fā)明人】周曉光, 蘇廣利, 張學莊, 王愛公, 戴吾蛟, 易重海
【申請人】中南大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年3月9日