[发明专利]一种应用微型惯性测量组合进行三维位置测量的方法

说明书

本发明属于精密计量技术领域，特别涉及微型惯性测量组合的应用技术。

在工业生产和科学实验中，常常需要进行三维位置测量，如工件的加工、零件的精确安装等等。对于小型工件，用一般的测量工具就可以完成三维位置的测量，但是对大型工件，普通的测量方法往往行不通。例如，在飞机机翼的制造中需要标定机翼上各点的位置，飞机的机翼长几十米，具有复杂的曲面结构，用一般的测量工具和测量方法准确地标定出机翼上各点的三维位置是一件很困难的事情。激光测距的方法可以精确地完成大距离的测量，但是该方法只适用于一维方向测量，无法满足三维测量的需要。国外解决这一问题的方法是三坐标测量机，并且通过多年的研究，已经由机械式三坐标测量机发展到计算机数控(CNC)三坐标测量机。较为成功的应用是在德国的MTU涡轮发动机制造厂，在一个计量中心的控制下，四台Zeiss公司的三坐标测量机组合在一起，承担了整个自动化车间生产的28种复杂精密零件的计量。然而，它的突出缺点是体积庞大、设备复杂、成本太高，因此不适合推广应用。

本发明的目的在于为克服上述方法的不足之处，提出了一种全新的三维位置测量方法，满足大尺寸三维测量的需要，由该方法设计出的三维位置测量系统具有可靠性高、成本低、操作方便等优点。

本发明提出一种应用微型惯性测量组合进行三维位置测量的方法，其特征在于，包括由三维位置标定测量头和计算机系统组成测量装置；所说的三维位置标定测量头内封装微型惯性测量组合，微型惯性测量组合由六个微传感器组成，该测量头的下端是一个测量探针；具体测量步骤如下：

1)先用探针对准测量基点P0，然后移动测量头用探针对准被测量点P1，陀螺仪敏感并输出测量头三个轴的转动角速率，加速度计敏感并输出测量头三个轴方向的加速度；

2)计算机系统通过数据线采样传感器的输出，通过数据处理得到P1点相对基点P0的三维位置；

3)计算机系统通过数据线采样传感器的输出，通过数据处理得到P1点相对基点P0的三维位置：

4)测量完P1点后，测量头移回并对准基点P0，计算机初始化，再移动测量头对准下一个测量点P2，计算机重复上述过程的数据处理得到P2点的位置，以此类推即可完成任意曲面上多个测量点的三维位置的标定，其结果由计算机输出到显示器上。所说的计算机数据处理可包括以下步骤；    

1)用二阶角速度提取微陀螺输出的角速度信号，同时采样微加速度计输出的加速度信号；

2)对微陀螺和微加速度计输出的信号进行闭环误差补偿；

3)采用经过误差补偿的数据，通过四元数微分方程用四阶龙格-库塔法求出测量头坐标系的姿态角；

4)把沿测量头坐标系方向的加速度信号分解成沿地理坐标系方向的加速度分量；

5)对地理坐标系内的加速度矢量的三个分量进行两次数值积分，分别得到测量头的运动速度和三维位置。

本发明的测量原理如下：

该方法的理论基础是捷联式惯性导航原理。惯性导航系统的核心部件是惯性测量组合，它由惯性加速度计和陀螺构成。普通的惯性测量组合体积庞大、重量大，只能用于飞行器、舰船的导航。根据本发明应用的工作环境，得出它与捷联惯性导航系统具有不同的适用条件，因而采用了与捷联惯性导航系统不同的测量方法，：

其一、本发明选用由微加工技术制造的微加速度计和微陀螺构成微型惯性测量组合，因而，测量部件一测量头具有体积小、重量轻的特点，可以方便地完成三维位置测量。

其二、本发明工作距离小、时间短。本发明的工作距离为几米到十几米，对一个点的测量时间为几秒钟，远远小于捷联惯性导航系统的工作范围。因而，工作距离引起的纬度变化可以忽略，这个条件可以使误差微分方程由六个减少到五个。由于工作时间与引起的误差是平方和立方的关系，因而，减少测量时间可以大大提高测量精度。

其三、本发明环境干扰和噪声小。捷联惯性导航中的惯性测量组合固定在飞行器上，传感器工作在高速运动、高频振动的环境中，随机干扰和噪声非常大，有用信号必须通过滤波才能使用。相比之下，工作在普通环境中传感器受到的干扰和噪声就很小。

其四、微型惯性测量头的运动速度、加速度和转动的角速度小。该测量头的运动速率为5m/s到10m/s，加速度小于2g，它们远远小于惯性导航的飞机或导弹，因而误差分析以该系统的静基座误差为主。另外，由于传感器的测量范围减小，使得传感器的标度因子可以取得很小。