专利名称：三维正交方向传感器几何误差的修正方法
技术领域：
本发明涉及一种三维正交方向传感器几何误差的修正方法。
背景技术：
由三个测量轴互相垂直正交的方向传感器基本构成了一个三维方向测量仪，传感器被安装在测量仪器的定位体上面，要求传感器的測量轴与仪器的坐标轴保持一致，仪器的測量精度主要取决于传感器的精度和传感器的几何位置精度。由于零部件的加工制造、安装调整等エ序总会导致产生传感器的几何位置误差，会使得传感器的測量轴和仪器的坐标轴出现不一致的情况，这样就造成了仪器的测量误差。为了达到比较高的測量精度，目前一般是通过提高零部件的加工和安装精度来实现，从而导致了加工和安装工作的难度和成本都大幅度提高，但是即便如此，能保证的仪器測量 精度也只能达到<±2°，而要达到<±1.0°以上，仍然是极其困难的。此外，当仪器工作一定时间之后，一般情况下传感器测量轴和仪器坐标轴的几何位置关系都会发生ー些变化，当这些变化影响了仪器的測量精度，就只能通过重新安装调整传感器来解决。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了ー种不需要提高零部件的加工和安装精度来实现的三維正交方向传感器几何误差的修正方法，该方法通过测定传感器测量轴和仪器测量轴的不一致误差，来实现对几何误差的修正。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下三維正交方向传感器几何误差的修正方法，包括以下步骤SI、測定传感器测量轴与仪器测量轴之间不一致所产生的误差，得到传感器在仪器坐标系里面的方向误差矢量，再将方向误差矢量単位化为方向误差单位矢量X轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量为(Ax，Bx, Cx)；Y轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量为(Ay，By, Cy)；Z轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量为(Az，Bz, Cz)；S2、通过传感器直接測量被测矢量，传感器測量得到的三个矢量分量如下X轴传感器测量的矢量分量是Rx ；Y轴传感器测量的矢量分量是Ry ；Z轴传感器测量的矢量分量是Rz ；S3、在仪器坐标系中定义在步骤S2中传感器直接测得的三个矢量分量，根据步骤Si计算的方向误差单位矢量，将传感器直接测得的三个矢量分量转换成仪器坐标系下的矢
量分量:X轴传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量是(AxRx, BxRx, CxRx)；Y轴传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量是(AyRy, ByRy, CyRy)；
Z轴传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量是(AzRz, BzRz, CzRz)；S4、在仪器坐标系里面建立三个传感器測量矢量分量的法平面，三个法平面分别经过三个传感器測量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量的端点，三个法平面方程的表达式如下X轴传感器测量矢量分量的法平面方程AxRx (X-AxRx) +BxRx (Y-BxRx) +CxRx (Z-CxRx)=0 ；Y轴传感器測量矢量分量的法平面方程AyRy (X-AyRy) +ByRy (Y-ByRy) +CyRy (Z-CyRy)=0 ；Z轴传感器测量矢量分量的法平面方程AzRz (X-AzRz) +BzRz (Y-BzRz) +CzRz (Z-CzRz)=0 ；S5、根据方向误差单位矢量的特性Ax2+Bx2+Cx2=1，Ay2+By2+Cy2=l, Az2+Bz2+Cz2=l, 求解三个法平面方程，得到三个法平面的交点坐标(χ，γ，ζ)作为被测矢量在仪器坐标系里面的方向坐标。作为本发明优选的技术方案，所述步骤SI包括步骤a.将仪器置于已知的标准矢量场之中，分别将所述仪器的三个互相正交的坐标轴方向与已知的标准矢量方向重合，分别记录传感器对标准矢量的测量值，得到仪器X轴与标准矢量方向重合时X、Y、Z轴传感器的測量值是Mxx、Myx, Mzx,仪器Y轴与标准矢量方向重合时X、Y、Z轴传感器的測量值是Mxy、Myy、Mzy,仪器Z轴与标准矢量方向重合时X、Y、Z轴传感器的测量值是Mxz、Myz、Mzz ；b.根据步骤a所记录的传感器对标准矢量的測量值，得到X轴传感器在仪器坐标系中的方向误差矢量为(Mxx，Mxy, Mxz)、Y轴传感器在仪器坐标系中的方向误差矢量为(Myx, Myy, Myz)> Z轴传感器在仪器坐标系中的方向误差矢量为(Mzx, Mzy, Mzz),再分别单位化为X轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量(Ax，Bx，Cx)、Y轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量(Ay，By, Cy)、Z轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量(Az, Bz, CzX可见，与现有技术相比，本发明的技术方案是以精确测定传感器测量轴和仪器测量轴之间不一致所产生的误差为条件，把传感器的測量分量在仪器坐标系里做定义，建立測量分矢量的三个法平面方程，再求解三个法平面的交点坐标，从而得到基于仪器坐标系的高精度矢量测量值。这个方法能够把存在几何位置误差传感器的直接測量值进行计算修正，得到基于仪器坐标系的精确测量值，避免了直接测量误差，仪器的測量精度将主要取决于传感器的精度和传感器几何位置的測量精度，仪器测量精度能保证达到< ±0.5° ;由于这个方法是通过修正计算得到高精度测量值的，那么只要实现对传感器的稳固安装即可，不再需要很高的零部件加工精度和仪器安装精度。此外，本发明方法可以用于仪器精度的恢复，当仪器工作了一定时间之后，如果传感器测量轴和仪器坐标轴的几何位置关系发生了变化，影响了仪器的測量精度，那么就重新测量确定传感器测量轴与仪器测量轴之间不一致所产生的误差，并据此重新调整修正计算的參数即可。


图I是本发明的修正流程图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进ー步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例如图I所述，本发明对三維正交方向传感器几何误差进行修正，包括如下步骤SI、測定传感器测量轴与仪器测量轴之间不一致所产生的误差，得到传感器在仪器坐标系里面的方向误差矢量，再将方向误差矢量単位化为方向误差单位矢量a.将主要由传感器所构成的方向测量仪器置于已知的标准矢量场之中，分别将所述仪器的三个互相正交的坐标轴方向与已知的标准矢量方向重合，分别记录传感器对标准 矢量的测量值，就得到三组共九个数据，分别为仪器X轴与标准矢量方向重合时X、Y、Z轴传感器的測量值是MXX、Myx、Mzx,仪器Y轴与标准矢量方向重合时X、Y、Z轴传感器的測量值是Mxy、Myy、Mzy，仪器Z轴与标准矢量方向重合时X、Y、Z轴传感器的測量值是MXz、Myz、Mzz,如下表I所示
Γ 与标准矢量方向重合的仪器坐标轴 __仪器X轴 I 仪器Y轴 「 仪器Z轴—X轴传感器测量值__Mxx__Mxy__Mxz_
Y轴传感器测量值MyxMyyMyz
Z轴传感器测量值fMzxIMzy「 Mzz表Ib.根据上面的三组九个数据，可以得到三个传感器在仪器坐标系里面的方位误差矢量，并据此计算得到方向误差单位矢量；其中，X轴传感器在仪器坐标系中的方向误差矢量为(Mxx，Mxy, Mxz)，Y轴传感器在仪器坐标系中的方向误差矢量为(Myx，Myy, Myz)，Z轴传感器在仪器坐标系中的方向误差矢量为(Mzx，Mzy, Mzz), X轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量为(Ax，Bx, Cx), Y轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量为(Ay，By, Cy), Z轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量为(Az，Bz, Cz)，具体如下表2所示
—在仪器坐标系中的方位误差矢量方位误差单位矢量
X轴传感器(Mxx, Mxy, Mxz)(Αχ, Bx, Cx)
Y轴传感器(Myx, Myy, Myz)(Ay, By, Cy)
Z轴传■器(Mzx, Mzy, Mzz)(Az, Bzj Cz)表 2S2、通过传感器直接測量被测矢量，传感器測量得到的三个矢量分量表示如下X轴传感器测量的矢量分量是Rx ；Y轴传感器测量的矢量分量是Ry ；Z轴传感器测量的矢量分量是Rz。S3、在仪器坐标系中定义在步骤S2中传感器直接测得的三个矢量分量，从而将传感器直接测得的三个矢量分量转换成仪器坐标系下的矢量分量
X轴传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量是(AxRx, BxRx, CxRx)；Y轴传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量是(AyRy, ByRy, CyRy)；Z轴传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量是(AzRz, BzRz, CzRz)；S4、在仪器坐标系里面建立三个传感器測量矢量分量的法平面，三个法平面分别经过三个传感器測量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量的端点，三个法平面方程的表达式如下X轴传感器测量矢量分量的法平面方程AxRx (XAxRx) +BxRx (Y-BxRx) +CxRx (Z-CxRx)=0 ；
Y轴传感器测量矢量分量的法平面方程AyRy (XAyRy) +ByRy (Y-ByRy) +CyRy (Z-CyRy)=0 ；Z轴传感器测量矢量分量的法平面方程AzRz (XAzRz) +BzRz (Y-BzRz) +CzRz (Z-CzRz)=0 ；根据单位矢量的特性,Ax2+Bx2+Cx2=1，Ay2+By2+Cy2=l，Az2+Bz2+Cz2=l，简化之后三个法平面方程的表达式如下X轴传感器测量矢量分量的法平面方程AXX+BXY+CXZ=RX ；Y轴传感器測量矢量分量的法平面方程AyX+ByY+CyZ=Ry ；Z轴传感器测量矢量分量的法平面方程AZX+BZY+CZZ=RZ ；S5、求解三个法平面方程的交点坐标，即求解下列方程组
-AxX+BxY+CxZ=RxI AyX+ByY+CyZ=Ry
AzX+BzY+CzZ=Rz对上面的方程组进行求解，得到三个法平面的交点坐标(X，Y，Z)，这也就是被测矢量在仪器坐标系里面的方向坐标。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置換方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.三维正交方向传感器几何误差的修正方法，其特征在于，包括以下步骤 51、测定传感器测量轴与仪器测量轴之间不一致所产生的误差，得到传感器在仪器坐标系里面的方向误差矢量，再将方向误差矢量单位化为方向误差单位矢量 X轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量为(Ax，Bx, Cx)； Y轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量为(Ay，By, Cy)； Z轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量为(Az，Bz，Cz)； 52、通过传感器直接测量被测矢量，传感器测量得到的三个矢量分量如下 X轴传感器测量的矢量分量是Rx ; Y轴传感器测量的矢量分量是Ry ； Z轴传感器测量的矢量分量是Rz ； 53、在仪器坐标系中定义在步骤S2中传感器直接测得的三个矢量分量，根据步骤SI计算的方向误差单位矢量，将传感器直接测得的三个矢量分量转换成仪器坐标系下的矢量分量 X轴传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量是(AxRx, BxRx, CxRx)； Y轴传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量是(AyRy, ByRy, CyRy)； Z轴传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量是(AzRz, BzRz, CzRz)； 54、在仪器坐标系里面建立三个传感器测量矢量分量的法平面，三个法平面分别经过三个传感器测量矢量分量在仪器坐标系下的矢量分量的端点，三个法平面方程的表达式如下 X轴传感器测量矢量分量的法平面方程=AxRx (XAxRx) +BxRx (Y-BxRx) +CxRx (Z-CxRx) =O ； Y轴传感器测量矢量分量的法平面方程=AyRy (X-AyRy) +ByRy (Y-ByRy) +CyRy (Z-CyRy) =0 ； Z轴传感器测量矢量分量的法平面方程AzRz (XAzRz) +BzRz (Y-BzRz) +CzRz (Z-CzRz)=0 ； 55、根据单位矢量的特性Ax2+Bx2+Cx2=1，Ay2+By2+Cy2=l,Az2+Bz2+Cz2=l，求解三个法平面方程，得到三个法平面的交点坐标(X，Y，Z)作为被测矢量在仪器坐标系里面的方向坐标。
2.根据权利要求I所述的三维正交方向传感器几何误差的修正方法，其特征在于，所述步骤SI包括步骤 a.将仪器置于已知的标准矢量场之中，分别将所述仪器的三个互相正交的坐标轴方向与已知的标准矢量方向重合，分别记录传感器对标准矢量的测量值，得到仪器X轴与标准矢量方向重合时X、Y、Z轴传感器的测量值是Mxx、Myx, Mzx,仪器Y轴与标准矢量方向重合时X、Y、Z轴传感器的测量值是Mxy、Myy、Mzy，仪器Z轴与标准矢量方向重合时X、Y、Z轴传感器的测量值是Mxz、Myz、Mzz ； b.根据步骤a所记录的传感器对标准矢量的测量值，得到X轴传感器在仪器坐标系中的方向误差矢量为(Mxx，Mxy, Mxz)、Y轴传感器在仪器坐标系中的方向误差矢量为(Myx，Myy, Myz)> Z轴传感器在仪器坐标系中的方向误差矢量为(Mzx, Mzy, Mzz),再分别单位化为X轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量(Ax，Bx，Cx)、Y轴传感器在仪器坐标系中的方向 误差单位矢量(Ay，By, Cy),Z轴传感器在仪器坐标系中的方向误差单位矢量(Az，Bz, Cz)ο
全文摘要
本发明公开了三维正交方向传感器几何误差的修正方法，该方法以测定传感器测量轴和仪器测量轴的不一致误差为条件，把传感器的测量矢量分量在仪器坐标系里做定义，建立测量矢量分量的三个法平面方程，再求解三个法平面的交点坐标，从而得到基于仪器坐标系的高精度矢量测量值。本发明能够把存在几何位置误差传感器的直接测量值进行计算修正，得到基于仪器坐标系的精确测量值，避免了直接测量误差；由于是通过修正计算得到高精度测量值的，那么只要实现对传感器的稳固安装即可，不再需要很高的零部件加工精度和仪器安装精度。
文档编号G01C25/00GK102840870SQ20121035204
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者代春生, 刘海, 熊陵, 王小虎 申请人:中天启明石油技术有限公司