摘 要:介绍了一种对光电经纬仪进行检测的多功能检测架,并对其工作原理、主要功能、设计指标及其精度计算进行了介绍。与以往的检测架和动靶标相比,具有可模拟目标的视向运动、评检被测设备的动态测角定向误差及模拟目标的视向运动轨迹的特点,解决了以往在室内无法对仪器的动态测角定向误差进行测量的难题,大大提升了室内检测仪器的能力。经计算和检测,该设备的最终测角定向精度可以达到±2″。
1 引 言
经纬仪等一些精密测量设备在研制出来之后需要首先进行室内的检测,用平行光管模拟无限远处的目标,而检测架是为了将这些不同角度(方位、俯仰)的平行光管固定支撑起来而设计的支撑结构[1]。作为检测设备,其精度必然要比被检测设备的精度至少高一个数量级,为了对精密设备进行检测,检测架必须安装在独立的地基上,而且对平行光管的稳定提出了很高的要求,这样,检测架的结构设计非常重要,温度、气流和震动等都会对检测结构产生影响[2]。
以往的检测架只是作为不同角度的平行光管的定位装置,只能对经纬仪的静态精度进行检测,而跟踪精度只能靠运动靶标来检测;可编程运动靶标是一种在室内检测光电跟踪测量设备的装置[3],它也无法给出被检测仪器的动态测角定向误差。本设备既可以检测被检测设备的静态精度,同时也能检测被检设备的动态精度、成像清晰度、模拟空间运动目标及被测设备的跟踪性能,还可以对设备的动态测角定向精度进行检测,这是以前的检测架无法完成的任务。这样就可以大大提升室内的检测质量和检测能力。
2 设备的工作原理
视向(视角)运动是指运动目标在做任何相对位移运动时,观察者所看到的只是目标在视线方向上的变化。当两个运动方向的物体做任何复杂的三维运动时,它们的相对位置的变化关系除了距离变化之外,在视线上(观察者在一个运动物体上观看另一个运动物体)只有方位和俯仰指向位置的变化,这也是经纬仪测量被测目标的原理。因此本设备不直接模拟被测运动目标的轨迹、速度和加速度,而只模拟被测运动目标相对测量设备视向运动的轨迹、角速度和角加速度。如图1和图2所示当测量设备和被测目标均在地球上空周长上亿千米的圆上作圆周运动时,二者在相距可测的几百千米范围内各自在作方向不同、高度不同的近似直线运动。它的视向运动类似于正弦或余弦曲线,只有一个拐点(在180°方位内),拐点斜率主要取决于两者的高差和空间交叉角。
在此检测系统中,旋转臂带动目标平行光管绕A-A轴做360°转动,而可倾珩架带动旋转臂可绕B-B轴做部分转动,检测架结构示意图如图3所示。
2.1 视向运动模拟
(1)旋转B-B轴,当A-A轴与O-O轴同轴,即αB=0°时,平行光管相对被检测设备的视向运动是方位方向上的转动,如图4所示,平行光管在XOZ平面(水平面)内转动。
(2)当A-A轴与O-O轴夹角为90°,即αB=90°时(即图中A-A轴与坐标系Z轴平行),平行光管相对被测设备的视向运动是俯仰方向上的转动,如图5所示,平行光管在XOY平面(垂直面)内转动。
(3)当A-A轴与O-O轴的夹角0°<αB<90°时,平行光管的视向运动可以分解为相对被测设备的方位视向和俯仰视向运动,如图6所示。
2.2 视向运动的角速度和角加速度模拟
根据αB倾斜角大小的不同,即目标空间交叉角和高度的不同,可计算出测量设备的方位和俯仰及合成的视向指向角度、角速度、角加速度等参数。因为实际卫星环绕地球运动的角速度虽然是近似等速的,但二者的视向运动是不等速的,故平行光管的圆周运动的角速度和角加速度可根据需要进行精确的模拟。
2.3 面目标清晰度测量模拟
面目标平行光管用以模拟具有定量清晰度标准的被摄像目标的。它由鉴别率板、平行光管和照明光源等部分组成。图7表示了WT1005-62规定的鉴别率图案形式。该图案的特点有:直观性能好,可以分析不同(四个)方向上的成像质量。用此鉴别率板可以直接测出被测仪器的成像清晰度,以此对仪器的成像质量进行评检。
2.4 动态测角精度检测
动态测角精度检测是由计算机控制旋转臂来做规定的精密运动的,并首先模拟被测目标的视向运动情况,然后用被测仪器对其进行跟踪测量。由于设备装有高精度轴角编码器和时统设备,可以同步入和检测架编码器得出设备本身的准确(作为真值)位置及运动特征,与被测仪器测量出来的目标结果比较可获得仪器的动态测角精度。
2.5 高仰角跟踪测量试验模拟
以前的运动靶标与被测仪器的角度是一定的,大约为65°左右。本设备可以转动可倾斜珩架,使目标平行光管运转到90°的高仰角,可进行被测设备在作野外试验前的室内模拟。
2.6 动态跟踪性能模拟与检测
本设备是利用高精度轴角编码器和高速同步记录系统来测量比对被测设备的跟踪性能的,主要是跟踪它的平稳性。
3 设备的研制[4,5]
3.1设备的主要功能
为满足精密跟踪测量设备在室内检测项目的要求,本设备的设计具有如下的主要功能:
(1)模拟无穷远的目标;
(2)模拟运动目标的视向运动轨迹(方位角为-90°~+90°);
(3)模拟目标的视向运动的角速度;
(4)模拟目标的视向运动的角加速度;
(5)评检被测设备的动态成像质量———成像清晰度;
(6)评检被测设备的动态测角精度;
(7)评检被测设备的跟踪性能等参数。
3.2设备的系统组成
该设备的系统组成由以下几个部分组成:
(1)目标平行光管。点目标平行光管为被检测设备跟踪电视提供目标讯号;面目标平行光管为被检测设备提供有定量清晰度量值的模拟讯号。
(2)旋转机械臂机构。该机构用于安装并带动平行光管以被测量设备为中心作圆周运动,该机构由旋转臂、力矩电机、测速机、轴角编码器、导电环和轴承等部分组成。其中旋转臂的结构强度和刚度影响整体的动态测角误差,其重量对其影响也非常大。故从强度、重量和经济这三个方面考虑之后,最终选择铸铝方形壳结构,这样旋转臂强度没有变,较轻的旋转臂可减小力矩电机的负载。
(3)可倾珩架。可倾珩架用于安装旋转机械臂机构,并可以绕B-B轴转动和调整A-A轴(旋转机械臂机构回转轴)与O-O轴的(被测跟踪转台的垂直转动轴)倾斜角。该机构由大横梁组、可倾斜支架组、转动轴组、平衡锤组、立柱架组、调平螺钉组及地基板等组件组成。其结构图如图3所示。
(4)电控系统。电控系统由驱动控制器、时统、主控计算机、监视器、电源、操纵台等部分组成。软件由如下几个部分组成:
①旋转臂的角速度和角加速度控制软件;
②测角精度计算和评检软件;
③自检和操作软件。
4 动态测角精度计算
本设备中的旋转臂的角速度运动范围为0.5°~60°/s,角加速度范围为0°~45°/s2。影响检测架的动态测角精度的主要误差包括:轴角编码器误差;轴系晃动误差;同步采样角度误差及珩架和旋转机械臂等的稳定性。其中珩架和旋转机械臂的稳定性是设计的难点,其变形大小对于整体动态测角精度影响最大。
在不同角速度和角加速度条件下的设计要求指标如表1所示。
经计算和分析各部分的精度,通过不断改进设计结构,各部分的精度都能满足设计要求,最终达到了动态精度要求。
本设备拟采用27位轴角编码器,其角分辨率为0.0096″≈0.01″,经专业检测人员检测,其测角精度优于±1.0″;轴系采用P4A级的轴承,由以下公式可计算出轴系晃动误差:
式中K1ia和K21ia为组装好的轴系内圈的径向跳动量,查表得K1ia=0.004mm,K21ia=0.006mm;ρ″为角秒转换系数,ρ″=2.063×105;L =630mm为轴系长度。
在角速度为45°/s,采样最小精度时间为5×10-6s时,其采样精度σ电=0·81″。
运用ANSYS有限元分析软件对可倾珩架的各部分进行了分析,珩架和旋转机械臂的稳定性计算结果如表2所示。
最终得出的在不同角加速度情况下,珩架和旋转臂等由于力矩而产生的动态变形误差及最终检测架的动态测角定向精度如表3所示。从表1与表3的对比中可以看出,在不同的角速度和角加速度下,最终的动态测角误差都小于设计的预计指标值,在8°/s2的最小角加速度下,设备总的动态测角误差也达到了所设计的±2″的精度要求。
5 结 论
与以往的检测架及动靶标相比较,本设备具有功能强大、模拟目标范围大、精度高等特点。本文比较详细地介绍了此种检测设备的原理、设备的结构组成及设备功能。此设备解决了室内对光电仪器的动态测角定向误差无法检测和难以模拟规则运动目标的运动轨迹的难题,使得室内对光电跟踪测量设备的检测能力有了很大的提高,使得光电仪器的所有检测指标都可以在室内完成,填补了国内在室内检测中动态测角定向误差无法检测的空白。从计算和检测的结果不难看出:如果在小的角加速度下,可以保证±2″的高精度检测。
参考文献:
[1]罗海银,刘利生,李安,等.导弹航天测控通信技术词典[M].北京:国防工业出版社,2001.
[2]张立颖,王文革,薛艳,等. T型检测架的设计与研究[J].长春理工大学学报,2005,28(6):34—35.
[3]张波,贺庚贤,沈湘衡.可编程动态旋转靶标标定方法[J].光学精密工程,2003,11(2):176—179.
[4]光学仪器设计手册[M].北京:国防工业出版社,1972.
[5]何照才,胡保安.光电测量[M].北京:国防工业出版社,2002.
收稿日期:2009-03-10;收到修改稿日期:2009-04-10 E-mail:aman-1983@163.com
作者简介:刘满林(1983-),男,陕西省人,中国科学院西安光学精密机械研究所硕士研究生,主要从事光学精密仪器结构设计及有限元分析的研究。
