基于陀螺仪技术的转动参数测量系统与陀螺全站仪定向测量方法的浅析与探讨.docx

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1、基于陀螺仪技术的转动参数测量系统伺服系统是姿态控制系统的核心执行部件，伺服系统执行机构的偏转方向和角度的正确性是影响产品试验成败的重要指标。本成果以实现极性测试自动化开发研究，极性测试过程中，判别人员只能目测观察伺服系统执行机构在其安装平面上的转动情况，存在以下不足：人员目视观察转动变化量困难。舵轴体积小，转动速度慢，转动幅度小，周围无明显参考物，目视获取舵轴转动变化量较困难。伺服系统执行机构位置分散，在不同参考面上，对判别人员能力要求高。伺服系统执行机构安装方式为不规则安装。极性测试过程中，多个同服系统执行机构以不同方向同时转动，判别人员需要对不同参考平面内多个同服系统执行机构的转动情况关联

2、判定，对判别人员的三维坐标转换能力等要求较高，容易发生判定不清的情况，直接影响产品测试正确性，甚至影响了产品试验的可靠性。二、测试仪方案设计极性自动判别系统由数据采集处理系统、中心控制稳定系统和角度信息采集系统三部分组成，主要实现舵偏数据的采集、数据转换处理和自动判定等功能。2.1 陀螺仪的选用陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对于惯性空间绕正交于自转轴的一个或两个轴的角度检测装置。本成果选用敏感精度和灵敏度较高的工业成熟技术陀螺仪，功能指标远大于被测何服系统执行机构转动的角度、速率以及精度的1.1 2数据采集通道设置四个伺服系统执行机构上均安装同型号陀螺仪，测试时，四个陀螺仪同时进行采集

3、，并将采集结果传输到中心控制系统，完成数据处理，在显示终端实时进行曲线数据显示，保证了极性判读的完整和准确。2.3 标准曲线模型设计极性自动判别系统，为了提高实用性和记录数据的可对比性，通过软件对陀螺仪进行了深度开发。为了突破陀螺仪安装要求的局限，根据陀螺仪工作原理和实际安装位置，通过安装姿态与运动极限姿态角度偏差的计算，X、丫、Z轴采集数据通过欧拉角公式运算转换成四元数输出转换，将计算得到的偏差范围.通过软件设置，进行相应的参数补偿，建立虚拟转动模型，满足陀螺仪现场使用需求，测试过程中，在采集Z轴角度输出变化量的同时，避免了X轴和Y轴产生的校链反应，从而得到了实际的伺服系统执行机构轨迹曲线。

4、中心控制器通过角度传感平衡稳定器对陀螺仪进行实时调节，保证了输出数据形成的曲线连续、稳定、欧拉角与四元数理论转化公式：sin(x2)x=sin(y2)sin(z2)cos(x2)+cos(y2)cos(z2)(z2)sin(x2)(y2)sin(x2)(y2) sin (x2)x=sin(y2)cos(z2)cos(x2)+cos(y2)sin(z2)sin(z2)sinx=sin(z2)cos(y2)cos(x2)+cosx=cos(z2)cos(y2)cos(x2)+sinq=（x,y,z.）w）通谩数学计算软件“MATLOB”进行欧拉角与四元数的转换。通过极性自动判别系统现场调试和数据分

5、析，原始设计曲线（见图2）完全吻合，可作为标准曲线数据自动判读依据。极性自动判别系统采用类似“人脸识别”原理，将采集的曲线与转动模型标准曲线进行对比（见图4）,实现伺服系统执行机构极性的自动判定。2.4 测试数据存储与处理极性自动判别系统实时显示采集数据曲线，并存储于系统中，可以分别进行四个通道数据回放，亦可通过存储介质将测试数据导出，作为原始数据另外进行备份保存和进一步分析，实现了舵偏数据的实时性和可追溯性。2.5 可靠性极性自动判别系统所用元器件均采用工业用成熟产品，核心元素主要有陀螺仪和软件，陀螺仪为工业成熟产品、生产标准和试验检测标准均符合GBZT191SJ208732016的要求，可

6、靠性较高。测试软件采用“模块化、组合化”思路，各通道、功能之间独立运行，避免相互干扰，提升了测试系统的可靠性。设计时贯彻以下准则：a）采用简化设计，减少元器件数量，使发生失效的可能性最小；b）采用优化设计、降额设计、密封设计等设计技术：c）采用通用化、模块化、系列化的设计思想；d）充分维承其它型号、工业产品的成熟技术和工艺；e）开展与人的因素有关的设计。三、存在的技术难点或关键技术3.1 突破安装位置局限性陀螺仪本身属性为惯性器件，对使用工况要求较高，如果安装超过允许范围.测试时产生的数据会发生耦合现象，影响测试信息的有效性。为了突破陀螺仪安装要求的局限，通过软件设计，根据陀螺仪工作原理和实际

7、安装位置，建立虚拟转动模型，通过安装姿态与运动极限姿态角度偏差的计算，x、2轴采集数据的转换，测试过程中，在采集Z轴角度输出变化量的同时，避免了X轴和Y轴产生的校链反应，从而得到了真实的问服系统执行机构转动轨迹曲线。3.2 测试数据自动比对程序通过分析测试数据，得出因产品个性差异产生的最大误差值、设置为比对判据范围，使标准曲线变成一条“带状”判据曲线，即测试曲线不超出“带状”曲线范围。可判定为极性测试合格，从而实现间服系统执行机构极性的自动判定。3.3 曲线“启动阈值”设置为了实现标准曲线具有通用性，通过软件设计“启动阈值”功能，即使操作人员在面板点击“启动记录”，只要极性测试设备未发“系统极

8、性”启动指令，测试仪面板就不会有曲线输出。只有当“系统极性”启动指令发出后，伺服系统执行机构达到“启动阈值才会输出伺服系统执行机构实时曲线。“启动阈值”的设置实现了测试曲线与标准曲线的可对比性。四、工艺措施及实施效果根据何服系统执行机构的机械机构和电气性能,利用步进电机、电机控制器、工艺间服系统执行机构模拟件等形成模拟环境，对极性自动判别系统进行功能性试验，共进行近30天的模拟实验，并根据试验过程和结果，对极性自动判别系统进行了调整和优化。在某产品测试期间，利用极性自动判别系统对多发产品的伺服系统执行机构动作进行了判定，判定结果与人工观察结果完全一致，充分证明了极性自动判别系统的实用性、准确性

9、、可靠性。陀螺全站仪定向测量方法的浅析与探讨摘要：简介陀螺全站仪定向真北原理、常用测量方法与数据处理。浅析陀螺全站仪定向观测逆转点法和中天法常见的优缺点；探讨逆转点法与中天法观测时加测时间点和摆幅，判定观测精度、提高观测精度和了解仪器情况。关键词：陀螺全站仪定向测量；逆转点法；中天法；探讨；观测精度一、概述陀螺全站仪是陀螺仪和全站仪结合在一起的仪器。由于它不受时间和环境的限制，同时观测简单方便和效率高，而且能保证较高的定向精度，所以它是一种先进的定向仪器，被广泛应用于矿山井下、地铁、隧道、地下管廊等各个工程的定向测量。陀螺仪的出现改变了传统的几何定向，并在加测陀螺边的导线测量、联系测量和检核方

10、位角等工程测量中得到广泛应用，减少导线误差积累，提高定向测量精度。二、原理陀螺仪有两个特性，定轴性和进动性。陀螺轴在不受外力作用时，它的方向始终指向初始恒定方位，所谓定轴性；陀螺轴在受外力作用时，将产生非常重要效应“进动”，进动性的结果使陀螺（如图IX轴）指向真北方向。陀螺仪的模型如图1采用悬挂带悬挂陀螺转子组成一个摆，并且将这个摆内置在一个圆柱体中组成悬挂式陀螺仪，它可以架设到全站仪上。如图2这个摆绕地球子午线摆动，其摆动（叫进动）可以通过一个放在该摆上的小镜来观察，并可在悬挂带无转矩的情况下，通过慢慢旋转全站仪进行跟踪它（跟踪方式）。两个逆转点的进动可以通常过全站仪水平度盘读出并且可计算出

11、进动中心即（真北方向）。当全站仪视准轴与进动中心一致时，仪器望远镜即照准真北方向。三、陀螺方位角、地理方位角和坐标方位角的关系陀螺仪轴与望远镜光轴及观测目镜分化板零分化线所代表的光轴通常不在同一竖直面中，所以假想的陀螺仪轴的稳定位置通常不与地理子午线重合，二者的夹角称为仪器常数,一般用表示。如果陀螺仪子午线位于地理子午线的东边,为正；反之，则为负。仪器常数可以在已知方位角的精密导线边或三角网边上直接测出来，如图3所示精密导线边CD之地理方位角为Ao.若在C点安置陀螺全站仪，通过陀螺运转和观测可求出CD边的陀螺方位角at,求出仪器常数：=Ao-ato如果已知仪器常数和测得陀螺方位角at,测定向边

12、的地理方位角Ao关系为为：Ao=at+o如图3所示地理方位角Ao和坐标方位角ao的关系为：Ao=（XOS0。子午线收敛角丫。的符号可由安装仪器点的位置来确定，即在中央子午线以东为正，以西为负，其值可根据安置仪器点的高斯平面坐标求得。需要求算的井下未知定向边，也就是要求出其坐标方位角ao,而不是地理方位角Ao,因此，ao=at-o四、陀螺定向测量的一般操作流程在地面已知边上采用二或三测回测量陀螺方位角，求得两个仪器常数1；在井下定向边上用二或三回测量陀螺方位角；返回地面后，要尽快在原已知边上再用二或三测回测量陀螺方位角，求得两个仪器常数42；和42差应值小于20%仪器和42平均数为本次观测仪器常

13、数；同一边任意两测回测量陀螺方位角的互差不得超过40；井下同一定向边二或三次独立陀螺全站仪定向平均值的中误差为10,其互差不得超过40；井上、下观测应由同一观测者进行，仪器在搬运时，要防止颠簸和震动；应在三天内完成。五、逆转点法和中天法浅析与探讨5.1 、逆转点法1、操作步骤。全站仪平稳精确跟踪逆转点（2个以上），大致测量出陀螺北方向，近似陀螺北偏差应小于60，；照准大致测量的陀螺北方向，下放陀螺，使其游檄平稳摆动，用逆转点法开始通过全站仪平稳的精确跟踪逆转点，至少跟踪5个逆转点al、a2.（如图5）,相邻摆动中值的互差不能超过20”，间隔摆动中值的互差不能超过30”；逆转点法测量完毕后，托起

14、陀螺使陀螺处于完全锁紧位置，利用全站仪自带程序计算出陀螺北方向，再进行配盘，转动望远镜测量测线的陀螺方位角；通过逆转位读数计算摆动中值，检验观测精度。（相邻摆动中值的互差不能超过20”，间隔摆动中值的互差不能超过30”）。（如图5）2、逆转点法优缺点。优点，全站仪跟踪游标在逆转位容易判断和在逆转位角度容易测量准确，是其操作过程简便；缺点，用转动全站仪（转动时会产生振动对游标产生影响）游标不平稳运行，对精度有影响。3、提高观测精度的措施。实际下放陀螺使其摆幅在510格之间平稳摆动，观测仪器应尽量平稳跟中游标，不能骤然跟踪，否则测量出来的陀螺北方向不准确。5.2 中天法1、中天法操作步骤。全站仪平

15、稳精确跟踪逆转点（2个以上），大致测量出陀螺北方向，近似陀螺北偏差应小于60，；下放陀螺使其摆幅在8-10格之间平稳摆动，用中天法开始观测；至少测量2个周期（如图6）,相邻时间差的互差不能超过0.4s,间隔时间差的互差不能超过0.6s,中天法测量完毕后，托起陀螺使陀螺处于完全锁紧位置，定出陀螺北方向，转动望远镜测量测线的陀螺方位角；通过K值、摆幅和时间读数计算摆动中值，检验观测精度。2、仪器常数K的测定3、在更换悬挂带后或者现测站与前测站纬度差较大时（超过50Okm距离）应当进行仪器常数的测定，一般在已知边实际测量和计算获得，测量计算出的K值与分划板刻度分化值、D摆幅和T所用时间有关。测量方法

16、如下，取真北方向东10-15（NI）用中天法测量时间差口和摆幅al,再取真北方向西10-15（N2）,用中天法测量时间差4t2和摆幅a2,K=（N2-N1）（al*tl-a2*t2）4、中天法优缺点优点：不用转动全站仪（转动时会产生振动对游标产生影响）保证游标平稳运行；缺点：得先精确定北方向，K随环境变化过大常需要实地测量计算，在游标经过中心位置速度过快，不易测量时间点，在测量时间上误差极大。5、提高观测精度的措施。K值应当实地测定。下放陀螺使其摆幅在8-10格之间平稳摆动，下放速度及摆幅每测回都要一致。5.3逆转点法与中天法改进1、逆转点法和中天法的结合。陀螺全站仪定向尽管可以使用逆转点法和

17、中天法都可以得到真北方向，但实测过程完全不同。为了保证定向精度使用中建议将两种方法测得的结果进行比较。上下应由同一个观测者用同一台仪器分别用两种方法观测，应先逆转点法测得的相对精确结果后再用中天法观测。两种方法有利有弊，应互相结合使用，这样才能为工程测量提供精确的方位角。2、逆转点法观测时加测时间点。逆转点法观测时（不影响原观测方法），在开始跟踪和结束跟踪可以用秒表精确时间点，这样可以利用时间、分划板刻度分化值和测得的角度，计算分析求出的陀螺方位角，判断仪器情况和观测精度。3、中天法观测加测摆幅。中天法观测（不影响原观测方法），在游标到达逆转位是精确读出分划板刻度（摆幅），这样可以利用时分划板刻度分化值和测得的时间，计算分析求出的陀螺方位角，判断仪器情况和观测精度。总结：逆转点法和中天法在观测过程中加测时间和摆幅的方法，可得到有用数据，可以计算分析和提高陀螺方位角的精确。目前陀螺全站仪定向主要用于隧道竖井联系测量和隧道掘进过程中导线测量。陀螺全站仪定测量可以提高导线精度。本文在原有方法的基础上，提出加测摆幅和时间点的观测方法，最终获得高精度坐标方位角。参考文献11于来法陀螺定向，解放军出版社，1987年，作者：于来法2索佳GPl陀螺仪说明书作者：卜飞