專利名稱：光學(xué)自準(zhǔn)直式動(dòng)態(tài)精密水平測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明涉及一種光學(xué)自準(zhǔn)直式動(dòng)態(tài)精密水平測(cè)量方法，所屬技術(shù)領(lǐng)域包括光學(xué)自準(zhǔn)直式測(cè)量、慣性導(dǎo)航技術(shù)、運(yùn)動(dòng)載體姿態(tài)測(cè)量、水平檢測(cè)技術(shù)、物體結(jié)構(gòu)變形測(cè)量等，尤其是同時(shí)適用于全靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)-準(zhǔn)動(dòng)態(tài)、全動(dòng)態(tài)情況下的實(shí)時(shí)測(cè)量。
背景技術(shù)：
水平誤差檢測(cè)工具作為一種通用檢測(cè)計(jì)量工具，在眾多領(lǐng)域都是具有非常廣泛的應(yīng)用，因其具體使用要求、使用環(huán)境不同，其性能指標(biāo)、設(shè)計(jì)原理千差萬(wàn)別。合像水平儀、電子水平儀等測(cè)量精度很高(測(cè)量誤差I(lǐng)")，但主要應(yīng)用在靜態(tài)環(huán)境下的精密水平測(cè)量。 基于慣性元件的導(dǎo)航設(shè)備可以對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的水平姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，但通常測(cè)量精度較低 (測(cè)量誤差彡10")。運(yùn)動(dòng)物體(如車輛、船舶、飛機(jī)等)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，主要包括三個(gè)方面的狀態(tài)變化 位置平移(前后、左右、上下)、姿態(tài)旋轉(zhuǎn)(航向、縱搖、橫搖)、結(jié)構(gòu)變形(艏撓、縱撓、橫扭)， 其中縱搖、橫搖、縱撓、橫扭四個(gè)分量與物體水平姿態(tài)信息有關(guān)。運(yùn)動(dòng)物體水平信息的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)精密測(cè)量是工程應(yīng)用上的一個(gè)難點(diǎn)問題。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)實(shí)問題為了解決現(xiàn)有測(cè)量方法難以滿足運(yùn)動(dòng)物體水平信息實(shí)時(shí)精密測(cè)量需求的問題，該發(fā)明提供一種光學(xué)自準(zhǔn)直式動(dòng)態(tài)精密水平測(cè)量方法，該方法具有測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高、 實(shí)時(shí)性能強(qiáng)的特點(diǎn)，且同時(shí)適用于全靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)-準(zhǔn)動(dòng)態(tài)、全動(dòng)態(tài)等測(cè)量環(huán)境。技術(shù)方案一測(cè)量原理與實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)精密水平測(cè)量關(guān)鍵需要解決三個(gè)主要問題測(cè)量范圍要足夠的大，以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)載體水平姿態(tài)變化范圍；測(cè)量精度要足夠的高，以滿足水平姿態(tài)精密測(cè)量需要；測(cè)量數(shù)據(jù)要實(shí)時(shí)輸出，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量要求。該方法的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)為測(cè)量范圍載體縱搖 ψ≥±22.5°載體橫搖 Θ≥±22.5°水平誤差載體縱搖 σ Ψ≤3 "(均方根值)載體橫搖 σθ≤3"(均方根值)采樣頻率f≥20Hz (對(duì)外實(shí)時(shí)輸出頻率)I水平測(cè)量基本原理(I)測(cè)量方法基本原理光學(xué)自準(zhǔn)直式動(dòng)態(tài)精密水平測(cè)量方法，主要利用液體重力自動(dòng)水平原理，以水銀表面(或液浮反射鏡面組合)作為水平測(cè)量的參考基準(zhǔn)，以光學(xué)精密測(cè)量工具(如自準(zhǔn)直式平行光管)作為測(cè)量手段，通過視頻跟蹤處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)被檢基面的姿態(tài)變化。自準(zhǔn)直式平行光管與液浮反射鏡面組合共同構(gòu)成水平誤差檢測(cè)工具。自準(zhǔn)直式水平測(cè)量基本原理如圖I所示。由于自準(zhǔn)直式精密平行光管的測(cè)量范圍通常較小，只能用于測(cè)量搖擺角度較小的運(yùn)動(dòng)載體水平姿態(tài)，也就是說，它只適合全靜態(tài)(或準(zhǔn)靜態(tài)-準(zhǔn)動(dòng)態(tài))條件下運(yùn)動(dòng)載體水平姿態(tài)精密測(cè)量。要實(shí)現(xiàn)全動(dòng)態(tài)(或準(zhǔn)動(dòng)態(tài)-準(zhǔn)靜態(tài))下的運(yùn)動(dòng)載體水平姿態(tài)測(cè)量，需在水平誤差檢測(cè)工具與運(yùn)動(dòng)載體被檢平面之間安裝相對(duì)大地水平基本保持穩(wěn)定的慣性同步復(fù)示平臺(tái)，為水平誤差檢測(cè)工具提供準(zhǔn)靜態(tài)的工作環(huán)境并作為水平測(cè)量的過渡基準(zhǔn)。(2)測(cè)量系統(tǒng)原理驗(yàn)證原理驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在某測(cè)量船?？看a頭期間進(jìn)行。因?yàn)榇霸诖a頭停泊時(shí)搖擺傾斜范圍較小，不會(huì)超出自準(zhǔn)直式平行光管的視場(chǎng)范圍，使得在沒有慣性同步復(fù)示平臺(tái)的情況下，也能夠驗(yàn)證光學(xué)水平測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理的正確性、可行性、有效性。碼頭試驗(yàn)利用船載慣導(dǎo)設(shè)備的姿態(tài)數(shù)據(jù)作為比對(duì)基準(zhǔn)，試驗(yàn)設(shè)備與慣導(dǎo)設(shè)備對(duì)船體在橫搖和縱搖兩個(gè)方向上的搖擺角度進(jìn)行了實(shí)時(shí)同步測(cè)量。試驗(yàn)研究器材組成主要包括萊卡經(jīng)緯儀(測(cè)角精度O. 2")、自準(zhǔn)直式測(cè)微平行光管(焦距300謹(jǐn)、口徑50謹(jǐn)、視場(chǎng)±22' ;C⑶型號(hào)S0NY、像元數(shù)量1280X960、像元尺寸3. 75 μ m、像元角度1. 25")、光管二維調(diào)整支架、水銀液浮反射鏡面(口徑80mm)、 時(shí)統(tǒng)同步模塊、主控微機(jī)及圖像采集處理軟件等部分。試驗(yàn)平臺(tái)與慣導(dǎo)平臺(tái)通過船體甲板固聯(lián)。(3)測(cè)量方法試驗(yàn)結(jié)果由于試驗(yàn)平臺(tái)(CCD)與慣導(dǎo)設(shè)備(INS)在碼頭船搖條件下無(wú)法進(jìn)行測(cè)量坐標(biāo)零點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)取齊，所以數(shù)據(jù)處理時(shí)主要進(jìn)行兩套設(shè)備相對(duì)變化量值的比較(差分?jǐn)?shù)據(jù)后幀數(shù)據(jù)-前幀數(shù)據(jù)；差分差值試驗(yàn)平臺(tái)差分?jǐn)?shù)據(jù)一慣導(dǎo)設(shè)備差分?jǐn)?shù)據(jù))。基本原理驗(yàn)證碼頭動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出光學(xué)水平測(cè)量系統(tǒng)與船載慣性導(dǎo)航設(shè)備的差分差值有σ < 2. O"(均方根值)；碼頭試驗(yàn)結(jié)果表明利用液體重力自動(dòng)水平原理，以當(dāng)?shù)卮蟮厮?水銀表面或液浮鏡面)作為絕對(duì)水平參考基準(zhǔn)，采用自準(zhǔn)直式水平誤差檢測(cè)工具實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體水平信息精密測(cè)量是正確、有效、可行的。光學(xué)水平測(cè)量系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)精度設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的能力σ < 3. O"(均方根值)。2水平測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法(I)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法在對(duì)工程應(yīng)用的深刻理解和綜合分析的基礎(chǔ)上，利用液體重力自水平原理，以當(dāng)?shù)卮蟮厮?水銀表面或液浮鏡面)作為水平姿態(tài)測(cè)量的絕對(duì)參考基準(zhǔn)，給出了采用“光學(xué)編碼精密測(cè)角+慣性同步復(fù)示平臺(tái)+水平誤差檢測(cè)工具”的實(shí)現(xiàn)方法。該方法以運(yùn)動(dòng)載體慣性導(dǎo)航姿態(tài)信息作為基礎(chǔ)支撐信息，以當(dāng)?shù)卮蟮氐乩硭阶鳛榻^對(duì)水平參考基準(zhǔn)，利用相對(duì)慣導(dǎo)地平坐標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定的復(fù)示平臺(tái)作為過渡基準(zhǔn)，通過光學(xué)編碼測(cè)角系統(tǒng)(適合較大角度動(dòng)態(tài)精密測(cè)量)、水平誤差檢測(cè)工具(適合較小角度靜態(tài)精密測(cè)量)進(jìn)行兩級(jí)精密測(cè)量，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)耦合的方式，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體被檢基面相對(duì)大地水平的實(shí)時(shí)跟蹤和精密測(cè)量，可以充分發(fā)揮不同類型測(cè)角元件的最大優(yōu)點(diǎn)。碼頭船舶原理驗(yàn)證試驗(yàn)表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的差分差值σ (2” (均方根值)。(2)測(cè)量設(shè)備組成原理系統(tǒng)組成主要包括探測(cè)裝置(信息檢測(cè)與采集輸出)、控制電路(信息處理與測(cè)量控制)、主監(jiān)控臺(tái)(顯示控制與信息交換)等三個(gè)部分。對(duì)外接口主要包括輸入接口(接收慣導(dǎo)姿態(tài)信息)、時(shí)碼終端(接收中心時(shí)間同步信息)、輸出接口(輸出水平姿態(tài)信息)等三個(gè)部分。測(cè)量設(shè)備結(jié)構(gòu)總體組成原理如圖6所示。測(cè)量設(shè)備電氣總體控制流程如圖7所示。探測(cè)裝置通過安裝基面與被檢基面固連，主要用于實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)載體被檢基面相對(duì)大地水平參考平面的變化情況，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)核心功能的關(guān)鍵部件。它的組成主要包括安裝基座(通過安裝基座與被檢基面連接)、慣性同步復(fù)示平臺(tái)(采用兩環(huán)、兩軸結(jié)構(gòu))、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(平臺(tái)橫搖驅(qū)動(dòng)電機(jī)、平臺(tái)縱搖驅(qū)動(dòng)電機(jī))、光學(xué)碼盤(橫搖測(cè)角光學(xué)碼盤、縱搖測(cè)角光學(xué)碼盤)、水平誤差檢測(cè)工具(自準(zhǔn)直式平行光管、面陣(XD、液浮反射鏡面組合)等?？刂齐娐分饕糜趯?shí)時(shí)測(cè)量信息接收、處理、發(fā)送，實(shí)時(shí)大地水平引導(dǎo)、捕獲、跟蹤，是系統(tǒng)內(nèi)部信息交換、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)控制的中心環(huán)節(jié)。它的組成主要包括伺服跟蹤控制系統(tǒng)(橫搖伺服跟蹤控制、縱搖伺服跟蹤控制)、平臺(tái)位置角度測(cè)量(橫搖編碼測(cè)角電路、 縱搖編碼測(cè)角電路)、電視圖像跟蹤處理(橫向水平誤差測(cè)量、縱向水平誤差測(cè)量)、數(shù)字通訊控制系統(tǒng)等。主監(jiān)控臺(tái)主要用于實(shí)時(shí)內(nèi)外信息交換、處理、顯示，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)控制， 是系統(tǒng)狀態(tài)控制和內(nèi)外信息處理的核心設(shè)備，主監(jiān)控臺(tái)置于主控機(jī)房實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。主監(jiān)控臺(tái)對(duì)內(nèi)主要完成實(shí)時(shí)測(cè)量信息的輸入和實(shí)時(shí)引導(dǎo)信息的輸出，對(duì)外主要完成中心時(shí)統(tǒng)同步信息、慣性導(dǎo)航船姿數(shù)據(jù)的輸入和對(duì)綜合信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的水平姿態(tài)信息輸出。 它的組成主要包括主控微機(jī)(硬件、軟件)、接口電路、時(shí)碼終端、供電電源等。(3)測(cè)量系統(tǒng)工作模式運(yùn)動(dòng)物體水平姿態(tài)測(cè)量方式是系統(tǒng)通過時(shí)碼終端接收中心時(shí)統(tǒng)的同步控制，主控微機(jī)接收慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)信息，主控微機(jī)發(fā)送引導(dǎo)信息給伺服跟蹤控制系統(tǒng)，伺服跟蹤控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使復(fù)示平臺(tái)在橫搖方向和縱搖方向精密跟蹤慣性平臺(tái)，復(fù)示平臺(tái)參考基面相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體被檢基面的角度數(shù)據(jù)由光學(xué)編碼測(cè)角系統(tǒng)完成(> ±22.5° )，復(fù)示平臺(tái)參考基面相對(duì)大地水平的角度誤差由水平誤差檢測(cè)工具完成
±12.5')，探測(cè)裝置輸出的角度數(shù)據(jù)和角度誤差經(jīng)控制電路由主監(jiān)控臺(tái)接收，主控微機(jī)對(duì)縱搖方向和橫搖方向測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)合成處理，最終得到測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)(運(yùn)動(dòng)物體被檢基面相對(duì)大地水平參考平面的夾角)，在探測(cè)裝置與慣性平臺(tái)剛性連接的情況下，該結(jié)果數(shù)據(jù)就是運(yùn)動(dòng)物體的橫搖角度和縱搖角度，可由綜合信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(或其它數(shù)據(jù)接口格式)提供各個(gè)相關(guān)用戶使用。運(yùn)動(dòng)物體結(jié)構(gòu)變形測(cè)量方式是由水平測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理可以看出，光學(xué)水平測(cè)量系統(tǒng)可以采用分布式測(cè)量，N套探測(cè)裝置和N套電控系統(tǒng)共用I套總控制臺(tái)。亦即 “N+N+1”模式。當(dāng)有一套測(cè)量系統(tǒng)(N= I)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)只能給出被檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)水平姿態(tài)信息(縱搖角度、橫搖角度)，當(dāng)有N套測(cè)量系統(tǒng)(N >2)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)不僅能給出被檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)水平姿態(tài)信息(縱搖角度、橫搖角度)，而且還能給出任意兩個(gè)被檢測(cè)點(diǎn)之間的載體結(jié)構(gòu)變形信息(縱撓變形、橫扭變形)。二關(guān)鍵模塊的選型設(shè)計(jì)關(guān)鍵模塊主要包括慣性同步復(fù)示平臺(tái)、水平誤差檢測(cè)工具等。I慣性同步復(fù)示平臺(tái)慣性同步復(fù)示平臺(tái)在慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的姿態(tài)信息的支持下，同步跟蹤當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系統(tǒng)，使復(fù)示平臺(tái)能夠相對(duì)慣性平臺(tái)保持穩(wěn)定，以便給水平誤差檢測(cè)工具提供一個(gè)很良好的準(zhǔn)靜態(tài)的工作環(huán)境。慣性同步復(fù)示平臺(tái)整體采用二環(huán)(縱搖穩(wěn)定環(huán)、橫搖穩(wěn)定環(huán))二軸(縱搖旋轉(zhuǎn)軸、 橫搖旋轉(zhuǎn)軸)結(jié)構(gòu)。在每個(gè)軸的軸端分別裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)(橫搖電機(jī)、縱搖電機(jī))和光學(xué)碼盤測(cè)角元件(橫搖測(cè)角、縱搖測(cè)角)，完成平臺(tái)位置驅(qū)動(dòng)和位置測(cè)量。(I)復(fù)示平臺(tái)主要指標(biāo)為了給水平誤差檢測(cè)工具提供一個(gè)很良好的準(zhǔn)靜態(tài)的工作環(huán)境，慣性同步復(fù)示平臺(tái)應(yīng)該穩(wěn)定跟蹤當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系統(tǒng)，準(zhǔn)確(系統(tǒng)誤差小)、平穩(wěn)(隨機(jī)誤差小)的復(fù)示慣導(dǎo)設(shè)備的慣性平臺(tái)。慣性同步復(fù)示平臺(tái)的主要參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)如下負(fù)載質(zhì)量:彡 12. 50Km
幾何尺寸:外環(huán)^ 500mm
內(nèi)環(huán)^ 250mm
測(cè)量范圍:橫向-28.50。 一+28.50。 (甲板)
縱向-28.50。 一+28.50。 (甲板)
測(cè)角元件:21位絕對(duì)式光電軸角編碼器(測(cè)角誤差< 1.0")
跟蹤方式:具有單桿跟蹤、電視跟蹤、數(shù)引跟蹤三種，各種跟蹤方式之間可以實(shí)現(xiàn)
無(wú)抖動(dòng)切換。跟蹤精度在工作角速度和工作角加速度工作條件下，在系統(tǒng)作數(shù)引跟蹤和電視跟蹤時(shí)，其縱向和橫向最大跟蹤誤差< ，隨機(jī)跟蹤誤差均方根值< 12"。(2)復(fù)示平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)慣性同步復(fù)示平臺(tái)整體采用二環(huán)(外環(huán)-縱向軸線-橫搖控制、內(nèi)環(huán)-橫向軸線-縱搖控制)二軸(外環(huán)-縱向軸線-橫搖控制、內(nèi)環(huán)-橫向軸線-縱搖控制)結(jié)構(gòu)。 在每個(gè)軸的兩端分別裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)(外環(huán)-縱向軸線-橫向搖擺驅(qū)動(dòng)電機(jī)、內(nèi)環(huán)-橫向軸線-縱向搖擺驅(qū)動(dòng)電機(jī))和光學(xué)碼盤測(cè)角元件(外環(huán)-縱向軸線-橫向搖擺測(cè)角元件、內(nèi)環(huán)-橫向軸線-縱向搖擺測(cè)角元件)，完成平臺(tái)位置驅(qū)動(dòng)和位置測(cè)量。水平誤差檢測(cè)工具將安裝在內(nèi)環(huán)平臺(tái)上面。慣性同步復(fù)示平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)組成原理如圖8所示。影響復(fù)示平臺(tái)跟蹤大地水平精度的因素主要包括慣導(dǎo)設(shè)備的姿態(tài)誤差、伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差、運(yùn)動(dòng)載體的結(jié)構(gòu)變形等。伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差雖然不會(huì)直接影響測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，但它可能間接的對(duì)系統(tǒng)造成影響。復(fù)示平臺(tái)應(yīng)該具有完善的操作維護(hù)功能和可靠的安全保護(hù)措施。為了便于設(shè)備安
6裝對(duì)準(zhǔn)和零值誤差標(biāo)定，需在兩軸軸端(安裝測(cè)角元件一端艉向、右舷)設(shè)置側(cè)反射鏡，并在軸端(安裝測(cè)角元件一端艉向、右舷)上部表面設(shè)置水平基準(zhǔn)檢測(cè)平臺(tái)。為了滿足航渡模式關(guān)機(jī)狀態(tài)的需要，應(yīng)該對(duì)兩環(huán)(內(nèi)環(huán)、外環(huán))分別設(shè)置鎖緊機(jī)構(gòu)。為了保證復(fù)示平臺(tái)穩(wěn)定、可靠的工作，復(fù)示平臺(tái)還應(yīng)采取減振措施，并設(shè)置限位保護(hù)功能。(3)復(fù)示平臺(tái)控制原理慣性同步復(fù)示平臺(tái)伺服跟蹤控制系統(tǒng)由縱搖伺服回路和橫搖伺服回路構(gòu)成，它們分別通過縱搖電機(jī)和橫搖電機(jī)驅(qū)動(dòng)復(fù)示平臺(tái)圍繞縱搖轉(zhuǎn)軸和橫搖轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，使復(fù)示平臺(tái)準(zhǔn)確穩(wěn)定的跟蹤慣導(dǎo)設(shè)備的慣性平臺(tái)。平臺(tái)縱搖伺服回路和平臺(tái)橫搖伺服回路兩套位置隨動(dòng)系統(tǒng)完全獨(dú)立工作，其結(jié)構(gòu)組成完全相同，伺服系統(tǒng)都由伺服控制器和功率級(jí)兩部分組成。伺服控制器用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)伺服系統(tǒng)的控制算法及控制功能。2水平誤差檢測(cè)工具水平誤差檢測(cè)工具由自準(zhǔn)直式平行光管和液浮反射鏡面組合構(gòu)成，是保證系統(tǒng)總體測(cè)量精度是否滿足要求的關(guān)鍵部件。它不僅具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍小的特點(diǎn)，而且通常對(duì)工作環(huán)境條件要求非?？量?，比較適合在靜態(tài)環(huán)境下工作。水平誤差檢測(cè)工具由自準(zhǔn)直式平行光管(含照明光源、星點(diǎn)目標(biāo)等)、光電探測(cè)接收器件(可見光面陣CCD)、液浮反射鏡面組合(含浮液容器、液浮鏡面等)、鏡面限位保護(hù)裝置(防鏡面受干擾運(yùn)動(dòng))等部件組成。(I)檢測(cè)工具主要指標(biāo)水平誤差檢測(cè)工具的主要參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)如下測(cè)量范圍縱向彡±12. 5'橫向彡 ±12.5'測(cè)角誤差縱向彡2. O"(均方根值)橫向彡2. O "(均方根值)自準(zhǔn)直式平行光管光學(xué)系統(tǒng)通光口徑(50±25)_光管焦距(300 500) mm探測(cè)器件面陣光電探測(cè)器件(可見光面陣(XD)液浮反射鏡面組合反射鏡面鏡面直徑80mm鏡體結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)的外部表面為光滑半球(直徑80mm)浮液物質(zhì)水銀(密度13. 6g/cm3)浮液容器容器結(jié)構(gòu)內(nèi)部表面光滑球面(直徑■.( (180 200)mm)保護(hù)裝置具有限位保護(hù)機(jī)構(gòu)(防止鏡面水平位移、防止鏡面水平旋轉(zhuǎn))(2)檢測(cè)工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平誤差檢測(cè)工具采用自準(zhǔn)直式平行光管，將光管光軸豎直向下的剛性安裝在慣性同步復(fù)示平臺(tái)上，在自準(zhǔn)直式平行光管與慣性同步復(fù)示平臺(tái)之間設(shè)置液浮反射鏡面組合，作為水平探測(cè)的參考基準(zhǔn)。利用自準(zhǔn)直式平行光管像面處安裝的可見光面陣CCD來采集圖像，實(shí)時(shí)檢測(cè)經(jīng)過液浮反射鏡面組合(代表絕對(duì)大地水平基準(zhǔn))反射得到的光管星點(diǎn)像點(diǎn)的位置偏移情況， 可以求得復(fù)示平臺(tái)相對(duì)大地水平的轉(zhuǎn)角偏移。液浮反射鏡面組合的鏡體結(jié)構(gòu)采用球形，可以使得浮體穩(wěn)心穩(wěn)定位于球心，這樣只要通過改變重心位置就可改變鏡體的搖擺特性，從而減少浮液波浪和外界干擾對(duì)它的影響。液浮容器選擇球形結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)一步采取措施提高反射鏡面的穩(wěn)性。水平誤差檢測(cè)工具總體結(jié)構(gòu)組成原理如圖9所示。(3)檢測(cè)工具測(cè)量原理根據(jù)流體力學(xué)、液體自水平、船舶原理等相關(guān)理論，在進(jìn)行專門設(shè)計(jì)的情況下，液浮鏡體反射鏡面能夠與當(dāng)?shù)亟^對(duì)大地水平保持一致，使液浮鏡體反射鏡面可以代表當(dāng)?shù)卮蟮厮疁?zhǔn)平面。依據(jù)幾何光學(xué)自準(zhǔn)直式成像原理，自準(zhǔn)直式平行光管的光軸與液浮鏡體反射鏡面法線平行時(shí)，光線仍按原路返回且星點(diǎn)分劃板星點(diǎn)成像在像面面陣CCD的中心位置， 光管光軸與返回光線的夾角是光管光軸偏離鏡面法線角度的2倍。當(dāng)自準(zhǔn)直式平行光管的光軸繞Xp軸(橫向軸線-縱搖軸線)旋轉(zhuǎn)傾角Vtv時(shí)，則光線與光軸成2 Vtv夾角返回，星點(diǎn)的像在像面相應(yīng)的產(chǎn)生一個(gè)位置偏移Sy。像面星點(diǎn)位移 Sy與光管光軸旋轉(zhuǎn)傾角Vtv的關(guān)系如下式所示
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)自準(zhǔn)直式動(dòng)態(tài)精密水平測(cè)量方法，測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由探測(cè)裝置、信息處理與控制電路、主監(jiān)控臺(tái)三個(gè)功能模塊組成，功能模塊之間通過線纜連接，其特征是探測(cè)裝置由水平誤差檢測(cè)工具和慣性同步復(fù)示平臺(tái)兩個(gè)關(guān)鍵部件組成，其中水平誤差檢測(cè)工具裝在慣性同步復(fù)示平臺(tái)之上，信息處理與控制電路由電視圖像跟蹤處理、縱搖伺服跟蹤控制、橫搖伺服跟蹤控制、平臺(tái)縱搖編碼測(cè)角、平臺(tái)橫搖編碼測(cè)角、通信控制六個(gè)主要電路模塊組成，主監(jiān)控臺(tái)由主控微機(jī)、時(shí)碼終端、供電電源三個(gè)功能模塊組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)自準(zhǔn)直式動(dòng)態(tài)精密水平測(cè)量方法，其特征是慣性同步復(fù)示平臺(tái)采用兩環(huán)(縱搖穩(wěn)定環(huán)、橫搖穩(wěn)定環(huán))、兩軸(縱搖旋轉(zhuǎn)軸、橫搖旋轉(zhuǎn)軸)結(jié)構(gòu)，兩軸垂直正交安裝，在每個(gè)轉(zhuǎn)軸上同時(shí)安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和測(cè)角元件，水平誤差檢測(cè)工具由自準(zhǔn)直式平行光管(含照明用光源、可見光面陣CCD、星點(diǎn)分劃板)和液浮反射鏡面組合(含球形內(nèi)腔浮液容器、球形浮體反射鏡面、鏡體限位保護(hù)機(jī)構(gòu))構(gòu)成，在復(fù)示平臺(tái)為水平時(shí)自準(zhǔn)直式平行光管的光軸與反射鏡面垂直正交。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)自準(zhǔn)直式動(dòng)態(tài)精密水平測(cè)量方法，其特征是數(shù)學(xué)模型包括水平測(cè)量數(shù)學(xué)模型(測(cè)量元素對(duì)測(cè)量結(jié)果的數(shù)學(xué)表達(dá))與水平測(cè)量誤差模型(單項(xiàng)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的修正分量)，具體如下若設(shè)由光學(xué)編碼測(cè)角系統(tǒng)測(cè)量得到的慣性同步復(fù)示平臺(tái)與運(yùn)動(dòng)物體被檢基面的夾角分別為V。。、，由自準(zhǔn)直式測(cè)量光管測(cè)量得到的慣性同步復(fù)示平臺(tái)與液浮鏡體反射鏡面 (當(dāng)?shù)卮蟮厮交鶞?zhǔn))的夾角分別為vtv、Qtv，則有水平測(cè)量數(shù)學(xué)模型地平坐標(biāo)的搖擺角度(規(guī)定左高為正，艏高為正)橫搖角度
全文摘要
一種光學(xué)自準(zhǔn)直式動(dòng)態(tài)精密水平測(cè)量方法，用于解決物體在全靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)-準(zhǔn)動(dòng)態(tài)、全動(dòng)態(tài)情況下水平信息精密測(cè)量的問題。利用液體自水平原理作為大地水平的參考基準(zhǔn)，采用自準(zhǔn)直式平行光管作為水平誤差檢測(cè)工具、慣性同步復(fù)示平臺(tái)作為動(dòng)態(tài)測(cè)量過渡基準(zhǔn)、光學(xué)編碼測(cè)角元件實(shí)現(xiàn)復(fù)示平臺(tái)位置測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由探測(cè)裝置、信息處理與控制電路、主監(jiān)控臺(tái)三個(gè)功能模塊經(jīng)線纜連接組成?？蔀檫\(yùn)動(dòng)載體(如車輛、船舶、飛機(jī)等)實(shí)時(shí)提供高精度的水平姿態(tài)信息，并可用于載體水平結(jié)構(gòu)變形測(cè)量、慣導(dǎo)水平精度鑒定等。
文檔編號(hào)G01C9/18GK102589522SQ201210047989
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者馮小勇 申請(qǐng)人:馮小勇