一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法及装置与流程

1.本发明涉及机载光电设备技术领域，适用于各类高精度视轴稳定平台，特别是涉及一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法及装置。


背景技术：

2.随着用户对远距离成像探测需求的不断提升，机载光电设备成像传感器的空间分辨率不断提高，对伺服稳定平台的稳定精度要求也在逐步提升，有时甚至达到了微弧级。陀螺作为机载光电设备内的重要数据采集单元，是伺服稳定平台实现闭环控制隔离外部扰动的重要数据源，其精度直接影响着伺服系统的最终精度。
3.传统的机载光电设备(例如：机载光电吊舱)中常分别采用方位陀螺、俯仰陀螺敏感设备方位、俯仰轴向转动速率，并以此为输入源进行伺服稳定。此方案完全依靠结构加工、装配保证陀螺之间的正交性，未考虑成像通道传感器视轴瞄准线与陀螺轴系是否正交，最终呈现给用户的画面中就会出现画面中心绕某一点旋转的“画圆”现象，出现此问题的根源在于陀螺采集的速率数据无法准确代表成像通道传感器视轴瞄准线的转动速率，由于陀螺输出的数据中通常存在自身的随机游走、零偏误差等，且包含地球自转分量，而传感器视轴瞄准线无法直接量测，如何标定二者之间的空间相对关系、修正陀螺输出的速率数据，进而提高机载光电设备稳定精度，是现有技术中尚未克服的一个难题。
4.鉴于此，克服现有技术中所存在的不足是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术，本发明为传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系二者之间的空间相对关系的标定、实现陀螺输出的速率数据修正，进而提高机载光电设备稳定精度提供一种新的实现方案。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.第一方面，本发明提供一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，包括：
8.s1，依次将三轴转台的外环、中环和内环轴系进行归零；
9.s2，将传感器组安装于三轴转台的内环基座面板上，同时，将平行光管放置在传感器组正前方，保证各成像通道的传感器通电后可看到平行光管十字丝；
10.s3，将全站仪放置于平行光管与三轴转台之间，通过全站仪对平行光管进行调平，保证平行光管十字丝与全站仪中心十字重合；
11.s4，通过调整三轴转台外环零位、调整传感器组与内环基座面板之间的间隙，使得传感器视轴瞄准线与三轴转台的外环、中环和内环轴系平行或正交；
12.s5，依次转动三轴转台的外环、中环和内环，并同步记录和计算三轴陀螺组输出的速率数据，对三轴陀螺组输出的速率数据进行处理，得到三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵；
13.s6，利用三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵修正三轴陀螺组
输出的速率数据。
14.优选的，在s3中，全站仪设有望远镜和水准气泡，所述通过全站仪对平行光管进行调平，包括：
15.s31，使用水准气泡将全站仪进行调平；
16.s32，使用望远镜瞄准平行光管十字丝，旋转平行光管十字丝，使得望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合；
17.s33，将望远镜俯仰角和方位角分别转动180
°
，再次观察望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合情况；
18.s34，根据望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合情况，若不重合，采取对应的调整策略，直至望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合。
19.优选的，在s34中，所述若不重合，采取对应的调整策略，包括：
20.s341，预估望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量；
21.s342，根据望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量，调整平行光管支撑柱高度，使得望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量大致减半；
22.s343，将全站仪当前方位角置零，继续重复s33和s34。
23.优选的，在s5中，所述依次转动三轴转台的外环、中环和内环，其转动方式包括：分别按顺时钟方向转动预设角度和按逆时钟方向转动同一预设角度。
24.优选的，在s5中，所述依次转动三轴转台的外环、中环和内环，并同步记录和计算三轴陀螺组输出的速率数据，包括：
25.s51，外环顺时针转动3600度，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head1,pitch1,roll1]，保持静止2分钟；外环逆时针转动3600
°
，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head2,pitch2,roll2]，保持静止2分钟；
[0026]
s52，中环顺时针转动3600度，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head3,pitch3,roll3]，保持静止2分钟；中环逆时针转动3600
°
，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head4,pitch4,roll4]，保持静止2分钟；
[0027]
s53，内环顺时针转动3600度，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head5,pitch5,roll5]，保持静止2分钟；内环逆时针转动3600
°
，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head6,pitch6,roll6]，保持静止2分钟；
[0028]
其中，head、pitch和roll分别代表与x、y和z轴向的角度积分。
[0029]
优选的，在s5中，所述对三轴陀螺组输出的速率数据进行处理，具体为：
[0030]
通过将顺时针转动数据与逆时针转动数据进行相减，消除陀螺数据中的随机噪声以及地球自转分量。
[0031]
优选的，在s5中，所述对三轴陀螺组输出的速率数据进行处理，得到三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵，具体为：
[0032][0033]
其中，m代表三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵。
[0034]
优选的，在s6中，所述利用三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵修正三轴陀螺组输出的速率数据，具体为：
[0035]
(head
var
,pitch
var
,yoll
var
)＝(head
org
,pitch
org
,roll
org
)
×m[0036]
其中，var代表修正值，org代表初始值。
[0037]
第二方面，本发明提供一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的装置，使用第一方面所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，包括：
[0038]
三轴转台、传感器组、三轴陀螺组、平行光管和全站仪，三轴转台设有外环、中环和内环，传感器组安装于三轴转台的内环基座面板上，其中，传感器组设有成像通道；三轴陀螺组设于传感器组上；平行光管设于传感器组的成像通道正前方，全站仪设于三轴转台和平行光管之间。
[0039]
优选的，全站仪设有望远镜和水准气泡。
[0040]
针对现有技术中的不足，本发明所能取得的有益效果为：
[0041]
本发明可以根据标定出来的结果修正三轴陀螺组输出的速率数据，从而提高传感器视轴瞄准线空间速率的测量精度，进而提高机载光电设备稳定精度，可广泛应用于各类高精度稳定平台，应用范围广，具有一定的应用推广价值。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1是本发明实施例提供的一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法流程示意图；
[0044]
图2是本发明实施例提供的另一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法流程示意图；
[0045]
图3是本发明实施例提供的又一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法流程示意图；
[0046]
图4是本发明实施例提供的一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的装置局部结构示意图；
[0047]
在附图中，相同的附图标记用来表示相同的部件或结构，其中：
[0048]
1-传感器组、2-三轴转台外环轴系、3-三轴转台中环轴系、4-三轴转台内环轴系、5、6-传感器组各成像通道、7-三轴陀螺组。
具体实施方式
[0049]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0050]
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
[0051]
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0052]
实施例1：
[0053]
本实施例1一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，如图1所示，包括：
[0054]
s1，依次将三轴转台的外环、中环和内环轴系进行归零。
[0055]
在本步骤中，为确保后续一序列步骤的稳定、可靠，需以三轴转台的外环、中环和内环轴系分别归零为基础。
[0056]
s2，将传感器组安装于三轴转台的内环基座面板上，同时，将平行光管放置在传感器组正前方，保证各成像通道的传感器通电后可看到平行光管十字丝。
[0057]
在本步骤中，可事先完成传感器组的整体装配，通过上电后测试，确定传感器组内各成像通道可清晰成像，三轴陀螺组数据采集正常。
[0058]
s3，将全站仪放置于平行光管与三轴转台之间，通过全站仪对平行光管进行调平，保证平行光管十字丝与全站仪中心十字重合。
[0059]
作为其中一种实现方式，在s3中，全站仪设有望远镜和水准气泡，所述通过全站仪对平行光管进行调平，如图2所示，包括：
[0060]
s31，使用水准气泡将全站仪进行调平。
[0061]
s32，使用望远镜瞄准平行光管十字丝，旋转平行光管十字丝，使得望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合。
[0062]
s33，将望远镜俯仰角和方位角分别转动180
°
，再次观察望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合情况。
[0063]
s34，根据望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合情况，若不重合，采取对应的调整策略，直至望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合。
[0064]
作为其中一种实现方式，在s34中，所述若不重合，采取对应的调整策略，如图3所示，包括：
[0065]
s341，预估望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量。
[0066]
s342，根据望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量，调整平行光管支撑柱高度，使得望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量大致减半。
[0067]
在s341和s342中，以x、y轴方向为例，在x、y轴方向上，假设预估望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量为(x，y)，通过调整平行光管支撑柱高度，使得望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量为(x/2，y/2)。
[0068]
s343，将全站仪当前方位角置零，继续重复s33和s34。
[0069]
通过上述s341-s343中的循环调整，直至望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝
重合，此时，平行光管的光轴也处于水平。
[0070]
s4，通过调整三轴转台外环零位、调整传感器组与内环基座面板之间的间隙，使得传感器视轴瞄准线与三轴转台的外环、中环和内环轴系平行或正交。
[0071]
在本步骤中，其最终目的在于：使传感器视轴与平行光管十字丝完全重合。
[0072]
s5，依次转动三轴转台的外环、中环和内环，并同步记录和计算三轴陀螺组输出的速率数据，对三轴陀螺组输出的速率数据进行处理，得到三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵。
[0073]
在s5中，所述依次转动三轴转台的外环、中环和内环，其转动方式包括：分别按顺时钟方向转动预设角度和按逆时钟方向转动同一预设角度。
[0074]
在实际实现过程中，所述依次转动三轴转台的外环、中环和内环，并同步记录和计算三轴陀螺组输出的速率数据，包括：
[0075]
s51，外环顺时针转动3600度，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head1,pitch1,roll1]，保持静止2分钟；外环逆时针转动3600
°
，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head2,pitch2,roll2]，保持静止2分钟。
[0076]
s52，中环顺时针转动3600度，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head3,pitch3,roll3]，保持静止2分钟；中环逆时针转动3600
°
，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head4,pitch4,roll4]，保持静止2分钟。
[0077]
s53，内环顺时针转动3600度，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head5,pitch5,roll5]，保持静止2分钟；内环逆时针转动3600
°
，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head6,pitch6,roll6]，保持静止2分钟。
[0078]
其中，head、pitch和roll分别代表与x、y和z轴向的角度积分。
[0079]
在s5中，所述对三轴陀螺组输出的速率数据进行处理，具体为：通过将顺时针转动数据与逆时针转动数据进行相减，消除陀螺数据中的随机噪声以及地球自转分量；进一步的，所述对三轴陀螺组输出的速率数据进行处理，得到三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵，具体为：
[0080][0081]
其中，m代表三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵。
[0082]
s6，利用三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵修正三轴陀螺组输出的速率数据。
[0083]
在s6中，所述利用三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵修正三轴陀螺组输出的速率数据，具体为：
[0084]
(head
var
,pitch
var
,roll
var
)＝(head
org
,pitch
org
,roll
org
)
×m[0085]
其中，var代表修正值，org代表初始值。
[0086]
通过上述公式的应用，即可得到修正后的三轴陀螺组输出的速率数据。
[0087]
实施例2：
[0088]
基于实施例1同一总的技术构思，本实施例2提供一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的装置，使用实施例1所述的一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，如图4所示，包括：
[0089]
三轴转台、传感器组1、三轴陀螺组7、平行光管和全站仪，三轴转台设有外环2、中环3和内环4，传感器组1安装于三轴转台的内环基座面板上，其中，传感器组1设有成像通道5、6；三轴陀螺组7设于传感器组1上；平行光管设于传感器组1的成像通道5、6正前方，全站仪设于三轴转台和平行光管之间。
[0090]
其中，全站仪设有望远镜和水准气泡，使用望远镜对平行光管进行调平，使用水准气泡将全站仪进行调平。
[0091]
综上所述，本发明提供一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法及装置，可以根据标定出来的结果修正三轴陀螺组输出的速率数据，从而提高传感器视轴瞄准线空间速率的测量精度，进而提高机载光电设备稳定精度，可广泛应用于各类高精度稳定平台，应用范围广，具有一定的应用推广价值。
[0092]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，其特征在于，包括：s1，依次将三轴转台的外环、中环和内环轴系进行归零；s2，将传感器组安装于三轴转台的内环基座面板上，同时，将平行光管放置在传感器组正前方，保证各成像通道的传感器通电后可看到平行光管十字丝；s3，将全站仪放置于平行光管与三轴转台之间，通过全站仪对平行光管进行调平，保证平行光管十字丝与全站仪中心十字重合；s4，通过调整三轴转台外环零位、调整传感器组与内环基座面板之间的间隙，使得传感器视轴瞄准线与三轴转台的外环、中环和内环轴系平行或正交；s5，依次转动三轴转台的外环、中环和内环，并同步记录和计算三轴陀螺组输出的速率数据，对三轴陀螺组输出的速率数据进行处理，得到三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵；s6，利用三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵修正三轴陀螺组输出的速率数据。2.根据权利要求1所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，其特征在于，在s3中，全站仪设有望远镜和水准气泡，所述通过全站仪对平行光管进行调平，包括：s31，使用水准气泡将全站仪进行调平；s32，使用望远镜瞄准平行光管十字丝，旋转平行光管十字丝，使得望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合；s33，将望远镜俯仰角和方位角分别转动180
°
，再次观察望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合情况；s34，根据望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合情况，若不重合，采取对应的调整策略，直至望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝重合。3.根据权利要求2所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，其特征在于，在s34中，所述若不重合，采取对应的调整策略，包括：s341，预估望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量；s342，根据望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量，调整平行光管支撑柱高度，使得望远镜瞄准线十字丝与平行光管十字丝的偏差量大致减半；s343，将全站仪当前方位角置零，继续重复s33和s34。4.根据权利要求1所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，其特征在于，在s5中，所述依次转动三轴转台的外环、中环和内环，其转动方式包括：分别按顺时钟方向转动预设角度和按逆时钟方向转动同一预设角度。5.根据权利要求4所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，其特征在于，在s5中，所述依次转动三轴转台的外环、中环和内环，并同步记录和计算三轴陀螺组输出的速率数据，包括：s51，外环顺时针转动3600度，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head1,pitch1,roll1]，保持静止2分钟；外环逆时针转动3600
°
，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head2,pitch2,roll2]，保持静止2分钟；s52，中环顺时针转动3600度，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head3,pitch3,roll3]，保持静止2分钟；中环逆时针转动3600
°
，记录此段陀螺数据并按周期进行
积分后得到[head4,pitch4,roll4]，保持静止2分钟；s53，内环顺时针转动3600度，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head5,pitch5,roll5]，保持静止2分钟；内环逆时针转动3600
°
，记录此段陀螺数据并按周期进行积分后得到[head6,pitch6,roll6]，保持静止2分钟；其中，head、pitch和roll分别代表与x、y和z轴向的角度积分。6.根据权利要求5所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，其特征在于，在s5中，所述对三轴陀螺组输出的速率数据进行处理，具体为：通过将顺时针转动数据与逆时针转动数据进行相减，消除陀螺数据中的随机噪声以及地球自转分量。7.根据权利要求6所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，其特征在于，在s5中，所述对三轴陀螺组输出的速率数据进行处理，得到三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵，具体为：其中，m代表三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵。8.根据权利要求7所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，其特征在于，在s6中，所述利用三轴陀螺轴系与传感器视轴瞄准线之间的旋转变换矩阵修正三轴陀螺组输出的速率数据，具体为：(h
var
，pitch
var
，roll
var
)＝head
org
，pitch
org
，roll
org
)
×
m其中，var代表修正值，org代表初始值。9.一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的装置，其特征在于，使用权利要求1-8任一所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法，包括：三轴转台、传感器组、三轴陀螺组、平行光管和全站仪，三轴转台设有外环、中环和内环，传感器组安装于三轴转台的内环基座面板上，其中，传感器组设有成像通道；三轴陀螺组设于传感器组上；平行光管设于传感器组的成像通道正前方，全站仪设于三轴转台和平行光管之间。10.根据权利要求9所述的传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的装置，其特征在于，全站仪设有望远镜和水准气泡。

技术总结
本发明涉及机载光电设备技术领域，本发明提供一种传感器视轴瞄准线与三轴陀螺轴系标定的方法及装置，装置包括：三轴转台、传感器组、三轴陀螺组、平行光管和全站仪，三轴转台设有外环、中环和内环，传感器组安装于三轴转台的内环基座面板上，其中，传感器组设有成像通道；三轴陀螺组设于传感器组上；平行光管设于传感器组的成像通道正前方，全站仪设于三轴转台和平行光管之间。本发明可以根据标定出来的结果修正三轴陀螺组输出的速率数据，从而提高传感器视轴瞄准线空间速率的测量精度，进而提高机载光电设备稳定精度，可广泛应用于各类高精度稳定平台，应用范围广，具有一定的应用推广价值。广价值。广价值。


技术研发人员：胡昆钰 马志成 樊新会
受保护的技术使用者：武汉华中天勤防务技术有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/22