[發明專利]基于慣性和單讀數頭的圓光柵自校準方法及裝置

在審

• 申請號: 202310346448.8
• 申請日: 2023-04-03
• 公開（公告）號: CN116380147A
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 王笑一;肖龍遠;鄭坤磊;趙呈祥;劉明康;姚天陽;孫秀照
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: G01D18/00
• 分類號: G01D18/00;G01B11/26
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙) 41120
• 代理人: 吳佳

本發明提供了基于慣性和單讀數頭的圓光柵自校準方法及裝置，根據大慣量飛輪帶來的平穩轉速、編碼器的脈沖寬度測量和圓周封閉原則，采集圓光柵相鄰刻度線先后出現的時間間隔，建立圓光柵誤差補償模型，將圓光柵的轉動時間轉換為圓光柵的實際旋轉角度，進而得到圓光柵編碼器測角誤差的補償值。本發明提出的技術方案的校準精度不依賴于標準器，可達到高于常見標準器的校準精度，相對于傳統技術方案，本發明提出的技術方案成本較低，且本發明還可應用于航天衛星、特種機器人等關鍵極端場合下的圓光柵校準。

技術領域

本發明屬于精密測量技術領域，具體涉及一種基于讀數頭的圓光柵自校準方法及裝置。

背景技術

圓光柵是一種常用的角度測量用編碼器，具有分辨率高、體積小、安裝方便、響應速度快等優點，被廣泛應用于航空航天、智能機器人、高檔數控機床、高精度坐標測量機等領域。而隨著科技發展，各種儀器設備對于測角精度的要求越來越高，對圓光柵的測角精度也提出了更高的要求；

圓光柵系統通常由圓光柵和讀數頭組成。圓光柵系統的測角誤差主要來源于圓光柵的刻線誤差和安裝誤差(包括偏心、傾斜、圓光柵環變形)等。為了提高圓光柵的測量精度，對圓光柵進行校準是常用的有效手段。

圓光柵校準方法可分為借助標準器或其他儀器的一般方法(非自校準方法)和自校準方法兩種。一種常見的圓光柵校準方法要用到精密多棱體和自準直儀，此時，校準精度受限于多棱體的制造精度和標定精度，校準過程復雜、對環境要求高。另一種常見的圓光柵校準方法需要用到激光干涉儀等更高精度等級的測量儀器，難以實現無人操作的遠程在機校準。以上兩種方法都屬于非自校準方法。

目前，圓光柵自校準方法一般是基于多讀數頭實現的，常見方法為：在圓光柵周圍均勻分布n個讀數頭，計算這n個讀數頭讀數的平均值作為最終的測量值。這種方法原理簡單，能夠去除誤差曲線中除n的整數倍頻次以外的諧波成分對讀數精度的影響；

此外，也有用2*3或3*4等特殊排布方式的多個讀數頭進行圓光柵自校準的研究，可以在一定程度上減少自校準所需要的讀數頭的數量，但這類方法中使用的讀數頭的數量仍較多，通常超過4個。這類自校準方法也存在一定不足：(1)讀數頭的數量相對較多，因此成本較高，使用的讀數頭數量越多，自校準系統的成本就越高；

(2)測角系統的精度受讀數頭數量的影響，讀數頭數量的減少會導致測角系統的測角精度降低。

發明內容

為解決現有技術存在的問題，本發明提出基于慣性和單讀數頭的圓光柵自校準方法與基于慣性和單讀數頭的圓光柵自校準裝置，其原理是根據大慣量飛輪帶來的平穩轉速、編碼器的脈沖寬度測量和圓周封閉原則，采集圓光柵相鄰刻度線先后出現的時間間隔，建立圓光柵誤差補償模型，將圓光柵的轉動時間轉換為圓光柵的實際旋轉角度，進而得到圓光柵編碼器測角誤差的補償值。本發明可應用于航天衛星、特種機器人等關鍵極端場合下的圓光柵校準，本發明也可用于磁柵、鋼柵、時柵等角位移傳感器的校準。

本說明書的一個或多個實施例提供了一種基于慣性和單讀數頭的圓光柵自校準方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：讀數頭固定不動，圓光柵自由旋轉k*360°，k≥4，期間共測得到k*m個圓光柵相鄰刻度線先后出現的時間間隔，記為g₁,g₂,...,g_km，采用矩陣記法記為G＝{g₁,g₂,...,g_km}，其中m為圓光柵一周的刻線總數，g₁為第m條刻線和第1條刻線先后出現的時間間隔，g₂為第1條刻線和第2條刻線先后出現的時間間隔，以此類推，g_i為第i-1條刻線和第i條刻線先后出現的時間間隔；