一種高精度陀螺儀懸掛系統靜平衡測試裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發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靜平衡測試裝置 及方法。
【背景技術】
[0002] 高精度（定向精度優于±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 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射等快速高精度定向的應用需求。傳統的懸掛式（機 械式）陀螺儀，因其具有精度高、性能穩定等優點，在快速高精度的靜態定向領域具有難以 替代的優勢。雖然自1949年德國研制出第一臺真正實用的陀螺經緯儀麗1以來已有大半 個世紀，陀螺儀的研制已取得巨大的進展，但在精度優于±5"高精度陀螺儀的研制、生產 與應用中仍然存在無法精確測定陀螺懸掛系統靜平衡殘余量，不清楚精度優于±5"高精 度陀螺儀對陀螺懸掛系統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試人員的要求很高，安裝調試生產的效率很低等問題。
[0003] 陀螺懸掛系統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子和陀 螺房。如圖1所示，圖a為陀螺懸掛系統靜平衡理想狀態為靜止時，陀螺轉子質量中心與陀 螺房組合件質量中心及懸掛絲（吊絲）的中心線同處于垂直軸線，組合件質量中心位于陀 螺轉子質心〇 2下方一定距離內。由于材料質量分布、加工工藝等原因陀螺轉子質心、組合件 質心及懸掛絲（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；黃業緒【黃業緒，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；特殊結構陀 螺轉子稱重法測靜平衡裝置【李丙樂，王厚生，王暉，王秋良，2006,特殊結構陀螺轉子的 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,特殊結構陀螺轉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展現狀與趨勢摜 性技術發展動態發展方向研討會文集，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心不在同一鉛垂線時，對陀螺漂移的影響程度分析。總之目前仍缺少 測定陀螺懸掛系統靜平衡參數的裝置與方法，制約高精度陀螺儀定向精度與生產中安裝調 試效率的進一步提高。因此迫切需要發展能夠快速高精確測定陀螺懸掛系統靜平衡參數的 方法與裝置。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是針對現有目前仍缺少測定陀螺懸掛系統靜平衡參數裝置與方法， 制約高精度陀螺儀定向精度與生產中安裝調試效率的進一步提高等問題，為解決高精度陀 螺懸掛系統靜平衡參數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靜平衡測試裝置，包括可控陀螺懸掛系統升降支架、 激光發射器、接收板、可編程工業相機、相機定位支架、圖像處理及控制模塊及陀螺懸掛系 統；
[0006] 所述陀螺懸掛系統安裝在可控陀螺懸掛系統升降支架上；
[0007] 所述激光發射器和接收板均設置于所述陀螺懸掛系統前方，所述激光發射器發出 的激光照射到所述陀螺懸掛系統靈敏部的基準鏡上，所述接收板接收所述基準鏡反射的激 光發射點；
[0008] 所述可編程工業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到圖像處理及控制模塊；
[0009] 所述可控陀螺懸掛系統升降支架和激光發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升降支架包括電動升降臺、驅動馬達、調節螺柱、角螺旋底 座及水平儀；
[0011] 所述驅動馬達驅動電動升降臺；
[0012] 所述調節螺柱用于調節陀螺懸掛點處于水平狀態；
[0013] 【所述懸掛點處于水平狀態的目的是為了使得懸掛絲繃緊時處于堅直狀態。】
[0014] 所述角螺旋底座用于調節可控陀螺懸掛系統升降支架的升降臺面處于水平狀態。
[0015] 所述可控陀螺懸掛系統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，靜平衡測試精度優于1微米時，可編 程工業相機分辨率不低于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靜平衡測試方法，采用所述的一種高精度陀螺儀懸掛 系統靜平衡測試裝置，以陀螺懸掛系統靈敏部的基準鏡作為特征點反射鏡，通過激光發射 器連續發射激光束到特征點反射鏡上，反射鏡將發射激光反射到接收板上，由工業相機連 續拍攝反射的激光信號，并通過圖像處理模塊同步處理，采用質心跟蹤算法獲得在連續時 刻陀螺懸掛系統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子自轉軸水平殘余量Y和平行于陀螺轉子自轉軸 水平殘余量X:
【主權項】
1. 一種高精度陀螺儀懸掛系統靜平衡測試裝置，其特征在于，包括可控陀螺懸掛系統 升降支架、激光發射器、接收板、可編程工業相機、相機定位支架、圖像處理及控制模塊及陀 螺懸掛系統； 所述陀螺懸掛系統安裝在可控陀螺懸掛系統升降支架上； 所述激光發射器和接收板均設置于所述陀螺懸掛系統前方，所述激光發射器發出的激 光照射到所述陀螺懸掛系統靈敏部的基準鏡上，所述接收板接收所述基準鏡反射的激光發 射點； 所述可編程工業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到圖像處理及控制模塊； 所述可控陀螺懸掛系統升降支架和激光發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升降支架包括電動升降臺、驅動馬達、調節螺柱、角螺旋底座及 水平儀； 所述驅動馬達驅動電動升降臺； 所述調節螺柱用于調節陀螺懸掛點處于水平狀態； 所述角螺旋底座用于調節可控陀螺懸掛系統升降支架的升降臺面處于水平狀態。
2. 根據權利要求1所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統靜平衡測試裝置，其特征在于， 所述可控陀螺懸掛系統升降支架外設置有透明玻璃罩。
3. 根據權利要求1所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統靜平衡測試裝置，其特征在于， 當陀螺靈敏部基準鏡到接收板距離為1米，靜平衡測試精度優于1微米時，可編程工業相機 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靜平衡測試裝置，以陀螺懸掛系統靈敏部的基準鏡作為特征 點反射鏡，通過激光發射器連續發射激光束到特征點反射鏡上，反射鏡將發射激光反射到 接收板上，由工業相機連續拍攝反射的激光信號，并通過圖像處理模塊同步處理，采用質心 跟蹤算法獲得在連續時刻陀螺懸掛系統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子自轉軸水平殘余量Y和平 行于陀螺轉子自轉軸水平殘余量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 續時刻陀螺懸掛系統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，將工業相機水平旋轉90°， 按照水平殘余量X的測定方法進行測量。
5. 根據權利要求4所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統靜平衡測試方法，其特征在于， 所述陀螺懸掛系統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特征點在內的波門，（x，y) 表示工業相機所拍攝到的目標圖片中包含特征點在內波門中的像素點，gray(x，y)表示像 素點（x，y)的灰度值。
6. 根據權利要求5所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統靜平衡測試方法，其特征在于， 所述可編程工業相機將陀螺懸掛系統的特征點運動軌跡放大30倍以上。
7. 根據權利要求6所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統靜平衡測試方法，其特征在于， 陀螺抖動參數最大抖動振幅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。
8. 根據權利要求5所述的一種高精度陀螺儀懸掛系統靜平衡測試方法，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】本發明公開了一種高精度陀螺儀懸掛系統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支架、激光發射器、接收板、高分辨率可編程工業相機及其定位支架、高精度水平儀、保護懸掛系統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靜平衡殘余量，即重心偏差，將不能直接觀測的參數轉變為可觀測參數，為陀螺懸掛系統靜平衡殘余量測定提供科學依據；陀螺懸掛系統靜平衡殘余量測定可為精度優于±5″高精度陀螺儀的研制、生產調試提供科學依據，提高安裝調試效率，同時降低對高精度陀螺儀對安裝調試人員操作經驗的要求。
【IPC分類】G01C25-00, G01M1-12
【公開號】CN104655154
【申請號】CN201510103226
【發明人】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