测量设备轴角编码器误差修正研究

针对现有测量设备轴角编码器误差修正方法的局限性,在介绍轴角编码器误差检测方法的基础上,给出了多个误差检测实例,对误差进行了分析,并根据不同的误差规律提出了不同的修正模型。结果表明,轴角编码器虽具有相同的工作原理,但误差规律不尽相同,在一定角度范围内对测量设备测角精度的影响可远超编码器本身的精度指标,应根据实际检测结果采用不同的修正方法和模型予以修正。     

基于遗传算法的柱面光栅测角技术研究

高精度角度测量装置是保证旋转设备精度和性能的关键, 广泛应用于测量跟踪仪器中, 特别是对于大尺寸坐标测量仪器, 测角相比于测距是制约坐标测量精度的瓶颈。在精密一维轴系平台上, 采用高精度柱面光栅及四个读数头构建测角装置, 对传感器本身、安装及轴系跳动等误差因素对测角精度的影响进行了详细分析。基于角度测量标准器具校准角度测量误差, 对误差数据进行谐波分析。基于遗传算法提出了一种参数优化方法, 建立误差补偿模型, 对测角误差进行了补偿。实验结果显示, 补偿后柱面光栅测角误差减少为0.7, 证明了误差补偿算法的有效性, 显著地提高了角度测量精度。     

谐波分析方法在提高精密转台回转精度中的应用

为了提高某精密转台的测角精度和改进结构设计,对其方位轴系角位置测量精度进行了检测,该误差包括轴系误差、编码器误差及其他误差项。在数据处理中,采用傅里叶谐波分析方法,用不同阶次的简谐波进行拟合,去掉低阶误差,可提高位置测量精度,同时分析了各误差的来源。建立的误差查询表格可用于对后期测量结果的修正。结果证明,角位置测量误差修正后的值是修正前的1/4左右,幅值不超过0.8,极大地提高了角位置测量精度。此实验研究了使用谐波分析来提高转台位置测量精度的方法;同时分析了各误差来源,便于采取相应措施对轴系进行改进。     

基于径向基函数神经网络的高精度基准编码器误差补偿

高精度角度基准编码器的角度误差,对小型绝对式光电编码器误差检测装置的测量精度有着重要的影响。影响基准编码器角度误差的因素众多,难以用准确的数学模型来描述。为此提出一种通过径向基函数神经网络进行误差修正的方法。首先,为增加基准编码器检测采样点,使用多种多面体对基准编码器进行检测,并将误差合成在同一坐标曲线上。然后,利用检测误差结果作为训练样本,建立径向基函数神经网络模型,使其输出逼近真实角度。最后,通过补偿电路的设计,对小型编码器误差检测装置的基准编码器进行补偿。实验表明,补偿电路的处理速度快,实现简单,不受算法复杂度影响。补偿后的编码器精度提高了2 倍,有效改善了检测装置的检测精度。     

移动机器人中激光雷达测距测角标定方法

针对目前移动机器人对环境地图构建精度低的问题,分别提出了激光雷达测距、测角的标定方法。通过误差传播定律分析引起激光雷达的测距误差因素,可知激光雷达测距误差主要是由回波强度和测量距离引起的,推导出测距误差修正模型。通过分析激光雷达测角误差因素,针对机械扫描轴与几何旋转中心偏心引起的误差,提出了一种三角形标定方法,建立测角误差修正模型。根据激光雷达测距、测角误差修正模型修改移动机器人坐标转换系统。实验结果表明,测距标定使平面障碍物数据纵坐标差值的标准差提高了30%~60%,接近物体真实几何特征;测角标定方法使障碍物数据的重合效果提高了30%,标定方法提高了移动机器人地图构建的精度。     

车载光测设备平台倾斜的测量与数据处理

车载平台倾斜对光测设备的测角精度影响较大,为了消除这种影响,提出了采用编码器测倾装置测量平台倾斜角度并进行事后修正的方法。首先,分析了光测设备工作时,车载平台倾斜的原因;其次,采用编码器测倾装置测量平台倾斜角度,并将测得的数据传送到控制计算机;最后,根据车载光测设备静止和工作时的不同特点,对存储的数据进行滑动均值滤波处理和滑动加权均值滤波处理,将处理后的数据用于事后测角误差的修正。实验结果表明,将编码器测倾装置测得的数据进行滤波处理后,减小了噪声对倾斜数据的影响,提高了数据的可使用性,为下一步车载光测设备测角误差修正模型的建立奠定了基础。     

简易修正角误差的回复反射器CIL测试系统

介绍了一种单探头式汽车回复反射器发光强度系数(CIL)检测的基本原理、系统结构和实测过程。为了实现对检测系统中转台角误差的快速修正,提出一种简捷修正方法:提取转台运行前后指令参量与反馈参量符号,利用步进电机驱动卡能够根据输入参量的正负确定电机及转台转动方向的特点,不要求对光电编码器的输出脉冲进行判向,只需记录脉冲个数。这使转台方位及俯仰角误差判断变得容易、光电编码器反馈回路得到简化;简捷的修正方法使得多次反复修正成为可能,应用中不必再考虑转台回程误差的不均匀性,一般通过2次补偿即可达到所需角精度,甚至达到由光电编码器单个反馈脉冲所决定的角精度极限,克服了单纯依靠机械加工、装调来保证角精度的不足,将回复反射器CIL测试系统中的转台角精度由原来0.090°提高到0.024°。实践证明,此方法简便高效。     

增量式光电轴角编码器零点漂移问题解决

介绍了增量式光电轴角编码器的工作原理及其在空间目标测量领域的应用。分析了轴角编码器零点漂移的原因,推导了基于轴系和球谐函数的望远镜系统误差修正模型。提出了采用外复核方法解算望远镜指向精度,即用前两天测星解算出来的系统球谐函数误差模型系数修正并复核当天的测星误差。设计了零点标定实验对轴角编码器零位进行标定,进行了连续11个晴天夜晚的观测实验,在零点标定前后观测在视场内均匀分布的30颗恒星,分别解算得到望远镜指向误差,确认了轴角编码器的零点漂移现象。采集GPS卫星数据进行了精度鉴定,望远镜方位和俯仰的轴系误差均值由13.99、11.50分别降至5.94、-3.49 ,验证了零点标定方法消除零位漂移并提高望远镜测量精度的可行性。     

动态精度靶标与光电经纬仪的角度转换及应用

为解决T型架光电经纬仪精度检测难题,通过分析动态精度靶标与光电经纬仪的空间位置关系,计算出动态精度靶标编码器与光电经纬仪的方位和俯仰角度的关系式,分析误差原因并对其进行修正。根据实际检测的需要计算出三者角度变化量之间的关系,建立数学模型,同时根据T型架光电经纬仪的结构特点,设计了偏心方法对其静态精度进行检测,并在检测过程中验证了该数学模型和此偏心检测方法的正确性。     

径向基网络在编码器误差补偿中的应用

利用神经网络进行光电轴角编码器的误差补偿,是一种新的编码器误差修正技术。在利用径向基函数网络(RBF)建立非线性模型对编码器的长周期误差进行修正时,实验数据中的随机噪声会造成过拟合现象的产生,影响模型的补偿效果。针对RBF网络的过拟合现象,分别采用滑动平均法与异常点剔除法对实验数据进行预处理以减小随机噪声的影响。实验表明,使用径向基神经网络进行误差补差可以将编码器的系统精度提高至3倍以上,在此基础上对建模数据进行预处理,可以进一步优化网络性能,使得编码器的系统精度在原有基础上得到进一步的改善,验证了方法的有效性。     

光学圆柱几何形状的精确测量和误差消除

为提高圆柱形光学元件形状测量精确度,对采用圆柱度测量仪测量光学圆柱时存在的3种定位误差进行了分析。针对偏置误差,提出一种包含有传感器测头偏移误差和试件偏心误差的双偏置参数圆轮廓测量模型以及基于参数优化的偏置误差分离方法,可避免现有单参数测量模型的原理缺陷,实现对偏置参量的精确估计与直接求解;针对基准间平行定位误差,提出了"倒置法"误差分离方法,以实现对基准间平行定位误差的精确分离和补偿;针对气浮导轨轴向定位误差,提出了基于液体阻尼的气浮导轨轴向定位误差抑制方法。仿真和实验验证了上述方法的有效性。     

光学连续闭环光电编码器误差检测系统

为了解决光电编码器误差检测精度低、光机结构复杂、检测周期长等问题,利用自准直仪与多面棱体的光学小角度测量原理及转角互逆双轴转台的连续误差检测方法,建立了光学连续闭环光电编码器误差检测系统;采用多体系统理论与相对位姿矩阵变换方法,建立了双轴转台全误差模型,分析了固定误差和可变误差对系统的影响;利用标定自准直仪与23面棱体对检测系统进行了校准,并利用高精度光电编码器与系统进行了精度对比验证。结果表明:检测系统的双轴回转精度满足数值仿真计算要求,系统精度可达0.38″,测量不确定度为0.2″（k=2）,系统检测精度与实际编码器出厂时标定的准确度基本一致,验证了光学连续闭环光电编码器误差检测系统实现高精度和全圆周连续误差检测的可行性。     

高精度光电编码器莫尔条纹信号质量分析方法

针对莫尔条纹信号质量对高精度编码器细分误差的影响,提出了基于离散傅里叶变换分析莫尔条纹信号质量的方法。该方法利用信号重构和傅里叶变换算法得到信号参数,真实地反应了莫尔条纹信号质量,提高了细分误差测量的准确性。编码器转动时,采集相位差为/2 的两路精码正弦光电信号,通过对采样信号的重构得到信号波形,利用离散傅里叶变换算法分析重构波形,求解信号的直流分量、幅值、相位和谐波分量等各项参数。最后,根据信号参数与细分误差的关系得到光电编码器的细分误差值,并进行了实验验证。实验结果表明,对某24 位绝对式光电轴角编码器细分误差进行测量,细分误差的峰值为+0.48和-0.21。相对于传统的细分误差测量方法,此方法测量速度快,测量精度高,适用于工作现场。     

大口径凹椭球面反射镜光轴偏心测量方法

大口径凹椭球面反射镜光轴偏心会引起遥感相机光学系统失调,导致成像焦面与设计位置偏离。针对此问题,根据反射镜的几何参数设计了基于平晶补偿的消球差系统,通过灵敏度分析计算得到系统中平晶失调1″对系统像差无影响,主镜失调1″带来0.04λ (λ=632.8 nm)的彗差。结合仿真计算的结果,搭建测试光路,并利用经纬仪和激光跟踪仪对反射镜进行偏心测量。误差分析表明:主镜倾斜测量误差约为1.2″,主镜偏心测量误差为0.028 mm,可以满足绝大部分空间遥感相机大口径反射镜的测量需求。     

光电编码器动态误差评估系统

在批量生产小型光电编码器的过程中,出厂检验不仅要对光电编码器动态误差进行检测,也要对不达标编码器进行误差溯源及修正。在实现对光电编码器高、低转速下的动态误差检测的同时,需要快速的定位光电编码器动态误差超标的原因,使生产者能够根据误差超标原因对编码器进行调校。为此,提出了光电编码器检测方法及评估方法,设计了小型光电编码器动态误差检测及评估系统。首先,从低、中、高频率方面对光电编码器误差组成分析,明确了各频率误差的产生原因;然后,提出了采用AR模型谱估计法对动态误差进行评估的方法,并根据误差评估结果给出误差产生因素判定;最后,设计了小型光电编码器动态误差评估系统,实现了对光电编码器的动态误差检测,并给出误差评估结果。所设计的检测系统工作转速范围为0.5~8 r/s,检测精度优于2;误差评估系统能够清晰的显示出动态误差在各频率下的均方值,使生产者能够轻易地找到不达标编码器的调校方法。该系统准确可靠、显示直观,为批量生产光电编码器提供了简单有效的检测评估手段     

GSSMP转动精度的测量与标定

为了更好地实现巨型可控科学反射镜原理演示验证平台（Giant Steerable Science Mirror Prototype,GSSMP）的指向功能,需要对GSSMP的转动精度进行测量与标定,利用激光跟踪仪对转台编码器进行标校,并通过激光跟踪仪完成角度测量。首先,基于角度测量原理进行了接触式测量和非接触式测量方式的单点精度标校,得到测量误差分别为23.7与0.71。通过公式推导验证,四个角反射器的使用能够消除6以及6的倍数谐波之外所有阶数的谐波,从而提高测量精度。最后,比较四个角反射器两种不同的排布方式的角度测量误差,得出均匀分布的误差为11.5,非均匀分布误差为9.04,而单个角反射器测量误差为23.7。通过激光跟踪仪对望远镜方位轴转动精度的测量,验证了所述理论的正确性与方法的可行性。研究结果对于30 m望远镜的工作进一步完成有着重要的意义,同时对于类似的转台精度的检测也有一定的指导意义。     

拍星残差数据相关性分析的大气折光差修正

靶场通常采用夜间静态拍星的方式检测光电经纬仪的静态测角总误差。受大气折射率变化的影响,俯仰方向测角数据通常采用大气折光差经验公式进行修正。不同地区和时间的大气环境差异使得该经验公式存在较大误差,导致拍星解算得到的俯仰方向测角误差偏大,且影响俯仰方向测角误差因素的进一步分离。为此,提出了一种基于多台光电经纬仪同步拍星数据相关性分析的大气折光差修正方法。基于经纬仪拍星方位角和俯仰角测量残差模型推导得到了大气折光差修正误差模型。根据该误差模型,利用分布在同一区域不同点位的多台光电经纬仪拍星俯仰角残差数据,采用最小二乘法拟合得到大气折光差的修正系数并修正俯仰角测量残差数据。实测数据表明：采用该方法对俯仰角测量残差进行大气折光差修正后,光电经纬仪俯仰角测角总误差显著降低,且由垂直轴倾斜误差修正错误引起的方位角和俯仰角残差特性得以显现。文中提出的方法无需使用探空气球等获取大气参数,即可对同一地域分布的多台光电经纬仪拍星俯仰角残差数据进行修正,修正后的数据可用于进一步分离其他误差因素,具有较强的工程应用价值。