一種基于自準直儀的姿態測試裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及慣性導航技術領域，尤其是一種基于自準直儀的姿態測試裝置及方 法。
【背景技術】
[0002] 慣性導航設備生產調試過程中，需要動態連續實時的光學測量旋轉部件相對于地 理坐標系的相對關系，并要求精度較高。使用傳統的經煒儀測量無法實現連續測量。而使 用自準直儀進行測量具有連續、實時、精度高等特點，可以進行連續測量。但是自準直儀只 能輸出相對角度，其測量結果無法反映目標反光面法線與地理坐標系相對關系。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于彌補現有技術的不足之處，提供一種基于自準直儀的姿態測試 裝置及方法，使得使用者可以通過該姿態測試裝置上的自準直儀的測量結果計算出目標的 反光面法線與地理系的相對關系，以滿足連續絕對測量的需要。
[0004] 本發明的目的是通過以下技術手段實現的：
[0005] -種基于自準直儀的姿態測試裝置，其特征在于：包括自準直儀、光學六面體、雙 軸電子水平儀、帶調平功能的基座，自準直儀安裝在帶調平功能的基座上，在自準直儀的左 右兩側分別設置光學六面體和雙軸電子水平儀，該光學六面體和雙軸電子水平儀均安裝在 帶調平功能的基座上。
[0006] 而且，所述的帶調平功能的基座包括底板和螺旋副，在底板的前端對稱安裝兩個 螺旋副，在底板的后端中部安裝一個螺旋副；自準直儀、光學六面體和雙軸電子水平儀均安 裝在底板上。
[0007] 而且，所述的底板上安裝兩個支撐座，每個支撐座上均制出一個開槽，每個支撐座 上均鉸裝一個弧形鎖板，自準直儀放置在支撐座的開槽內并通過弧形鎖板定位。
[0008] -種基于自準直儀的姿態測試方法，其特征在于：包括以下步驟：
[0009] ⑴.放置姿態測試裝置：將姿態測試裝置放置在穩固的基礎上；
[0010] ⑵.自準直儀準備：自準直儀開機，照準目標反光面；
[0011](3).水平角的測量：啟動雙軸電子水平儀，測量裝置水平姿態與水平面夾角；
[0012] ⑷.方位角的測量：方位角可由自準直經煒儀測量光學六面體與外基準之間的夾 角或由自準直陀螺經煒儀直接測量得到；
[0013] (5).測量目標姿態：啟動自準直儀的絕對角度測量模式，對目標反光面進行數據 錄取，啟動雙軸電子水平儀進行水平姿態的數據錄取，記錄自準直儀輸出（x，y);
[0014] (6).數據處理：姿態測試完成后，運用姿態測試裝置數據處理方法，對自準直儀及 雙軸電子水平儀的數據進行處理，得到目標反光面在地理坐標系內姿態的連續變化。
[0015] 而且，步驟⑷所述的方位角的測量為：架設自準直經煒儀，使其鏡筒俯仰軸與光學 六面體等高，照準光學六面體，然后瞄準基準鏡或與陀螺經煒儀互瞄獲得基準，從而測量光 學六面體與真北方位的夾角；由于六面體有三個反射面可以反映裝置的方位角，視現場方 便程度任選其一測量即可，測量結果分別記為ai12u。
[0016] 而且，步驟(6)所述的數據處理過程為：
[0017] ①?建立裝置坐標系：
[0018] 建立裝置坐標系即建立六面體坐標系與地理系的轉換矩陣，需要用到六面體相對 于地理系的三個姿態角，可以通過水平儀輸出和方位角注入得到姿態角如下：
[0019] 俯仰角：
[0020] 由水平儀測得的裝置縱向傾角加上標定得到的誤差角得到：
[0021] 0 = Si+ A1；
[0022] 橫滾角：
[0023] 由水平儀測得的裝置橫傾角加上誤差角后除以俯仰角的余弦得到：
[0024] (p-(S, +A:)/cos0 ；
[0025] 方位角：
[0026] 由于六面體有三個反射面可以注入方位角，建立坐標系時根據不同的注
[0027] 入平面分為以下情況：
[0028] 注入鏡面1時，方位角即注入角：
[0029] C=C1；
[0030] 注入鏡面3時，方位角為注入角加180度：
[0031] CC2+180 ；
[0032] 注入鏡面2時，方位角與注入角關系如下：
[0033] 1 = 13-tan(Sj+ A j)tan(S2+ A2);
[0034] 以上姿態角確定后可以建立裝置與地理系的轉換矩陣
[0035]
[0036] ②.建立自準直儀坐標系：
[0037] 自準直儀光軸可以看作為一向量，其C⑶平面可以看做為與光軸垂直的坐標平 面；建立以光軸和C⑶坐標軸構成的坐標系簡稱光管坐標系，經過標定可以得到光管坐標 系與裝置坐標系之間轉換矩陣0，由以上步驟得到的Cf,可以得到光管坐標系與地理坐 標系之間的轉換矩陣：
[0038]
[0039] ③.計算目標反光面法線姿態向量并通過姿態向量計算法線與水平面夾角及在 水平面上投影與真北夾角：
[0040] 光學自準直儀是基于高分辨率的CCD和產生平行光的自準直光源及高質量的鏡 頭組以測量目標平面鏡與自身坐標系所成角度的儀器；其原理為：物鏡組焦距為f，在其焦 點位置有一光源0,來自光源0的光線經過物鏡組折射，成為平行光，照射在目標平面鏡之 后反射回CCD平面成像0'，如果平面鏡法線與光管軸存在一個角度0，根據光的反射性質， 反射光線將與入射光線成角2 0，反射形成的像0'將與其光源0有一定距離d，高分辨率的 CCD可以測量得到d，并由下式得到夾角0 :
[0041 ]
[0042] 實際使用時，光源經過分劃板形成一十字光束，經反射后返回光管并在C⑶上匯 聚為一十字光斑，并可得十字光斑中心點在CCD平面上的坐標（dx，dy);
[0043]由此可得目標反射面法線與光管C⑶坐標軸之間的夾角：
[0044]
[0045] 由此兩角度可以得到目標反射面法線相對于光管坐標系的方向單位向量：
[0046]
[0047] 進而可得目標反射面法線相對于地理系的方向單位向量：
[0048]
[0049] 由此向量可以反算出目標反射面在水平面上投影與真北之間的夾角，以及目標反 射面與水平面之間的夾角：
[0052] 本發明的優點和積極效果是：
[0053] 1、本發明是一種設計科學的基于自準直儀的姿態測試裝置及方法，本姿態測試裝 置中的自準直儀可以在照準目標反光面后，進行連續、實時、高精度的姿態測量，并通過自 準直經煒儀對姿態測試裝置上的光學六面體的測量得到該姿態測試裝置在地理坐標系的 方位角，通過雙軸電子水平儀的測量得到該姿態測試裝置在地理坐標系內的水平姿態，進 而可以得到目標反光面在地理坐標系內姿態的連續變化，滿足測量需要。
[0054] 2、本發明中的光學六面體采用光學性能優異的K9玻璃制成，可以將照射到其處 安裝面外五個面上的入射光線反射回去，是高精度的光學基準，并可實現多角度測量，降低 了自準直經煒儀的架設難度，提高了使用效率。
[0055] 3、本發明的光學六面體是姿態測試裝置的方位姿態基準，雙軸電子水平儀是姿態 測試裝置的水平姿態基準，此設計保證了測量精度。
[0056] 4、在已有方位基準的情況下，使用自準直經煒儀傳遞精度可以達到0. 5"，使用自 準直陀螺經煒儀的測量精度可以達到2"。相比較傳統的經煒儀和陀螺經煒儀直接測量的 方法，本發明姿態角的精度可達到〇. 1"，提高明顯。
[0057] 5、本發明可以實現對目標水平姿態和方位角的長時間連續監控，對于處于長時間 緩慢變化（如長期姿態保持的慣導平臺）的目標，傳統的測量方法只能實現對目標的點式 測量無法反映目標的變化情況和變化規律，而本發明則可以實現長時間連續的監控，從而 可以詳細的記錄目標姿態角和方位角的變化過程從而可以歸納出變化規律。同時，相較于 傳統的經煒儀測量方法，本發明實現無人值守的高精度姿態測量，有效地降低人力成本提 高測量效率。
[0058] 6、傳統測量在使用經煒儀或陀螺經煒儀進行測量的過程中，由于人工操作的隨機 性，使得最終的測量誤差無法達到儀器的理論精度，而本發明采用自準直儀作為測試儀器 可以實現自動成像并錄數，避免了人工操作帶來的誤差，從而提高了測量精度。
【附圖說明】
[0059] 圖1是本發明的立體示意圖一；
[0060] 圖2是本發明的立體示意圖二；
[0061 ] 圖3是光學自準直儀工作原理；
[0062] 圖4是光學自準直儀輸出示意圖。
【具體實施方式】
[0063] 下面結合附圖詳細敘述本發明的實施例；需要說明的是，本實施例是敘述性的，不 是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。
[0064] -種基于自準直儀的姿態測試裝置，包括自準直儀2、光學六面體4、雙軸電子水 平儀1、帶調平功能的基座，帶調平功能的基座包括底板3和螺旋副5,在底板的前端對稱安 裝兩個螺旋副，在底板的后端中部安裝一個螺旋副。帶調平功能的基座給自準直儀提供安 裝基準，同時給光學六面體和雙軸電子水平儀提供安裝基準，并采用螺旋副保證在一定范 圍內對姿態測試裝置的水平進行調整。
[0065] 自準直儀：是利用光學自準直原理，配合反射鏡來測量微小的偏轉角，小角度測量 或可轉換為小角度測量的一種常用計量測試儀器。自準直技術被廣泛用于精密定位、自動 角度定位環集、角度測量等方面，是光學加工和檢測、機械制造、造船、航空航天、計量測試、 科學研究等部門必備的常規測量儀器。特別是在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作 用。自準直儀安裝在帶調平功能的基座底板上，即：在底板上安裝兩個支撐座7,每個支撐 座上均制出一個開槽，該開槽為梯形槽或者弧形槽。每個支撐座上均鉸裝一個弧形鎖板6， 自準直儀放置在支撐座的開槽內并通過弧形鎖板定位。
[0066] 在自準直儀的左右兩側分別設置光學六面體和雙軸電子水平儀，該光學六面體和 雙軸電子水平儀均安裝在帶調平功能的基座底板上。光學六面體：采用光學性能優異的K9 玻璃制成的光學六面體可以將照射到其處安裝面外五個面上的入射光線反射回去，是高精 度的光學基準，并可實現多角度測量，降低了自準直經煒儀的架設難度，提高了使用效率， 是姿態測試裝置的方位姿態基準。雙軸電子水平儀：可實現相互垂直的兩個水平角的高精 度實時測量，是姿態測試裝置的水平姿態基準。調整光學六面體使其兩個面的水平姿態輸 出與雙軸