专利名称：确定角度误差的方法和装置以及该装置的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种确定角度误差的方法和装置以及该装置的应用。
(2)背景技术作为举例说明本发明而对本发明没有任何限制作用的一个例子，下面将结合跟踪装置，例如具有感应器或效应器的跟踪装置，就本发明所要解决的问题进行叙述。该跟踪装置设置在可移动的安装面例如汽车或船的甲板上。所述感应器可以是一录影装置，效应器可以是大炮武器的武器炮管，录影装置的主光轴和/或武器炮管的芯轴可以认为至少近似主轴。感应器和/或效应器的移动方式使它的方位和/或其主轴的方位始终与相对于感应器和/或效应器移动的外部物体的位置相关，故感应器和/或效应器会随着物体移动；就感应器而言，这意味着它始终直接指向移动目标，对于武器炮管的效应器，这通常意味着它始终指向物体在后来会到达的一点，以使自武器炮管射出的子弹击中在该点上的物体。
感应器和/或效应器与接收器刚性连接，它们与接收器一起基本上形成一个实际功能块。接收器通过仰角轴线与托架可转动地连接；通过接收器绕仰角轴线相对托架转动基本上可设定感应器和/或效应器的仰角；假设主轴在静止位置成水平方向。托架通过滚动轴与托架底座可转动地连接；滚动移动的效应可通过托架绕滚动轴相对托架底座作转动而得到补偿，以使仰角轴线保持水平或只短暂地轻微偏离水平方向；例如，滚动轴与仰角轴线垂直，与横轴成60°的角度。托架底座通过横轴直接或间接与汽车和/或船的甲板可转动地连接；通过托架底座绕横轴的旋转基本上可设定感应器和/或效应器的横向角；横轴在静止位置至少是接近垂直对齐或一直线的。
上述各旋转轴的方向和/或角度是人们试图维持的理论值。这些方向和/或角度的实际值通常会偏离理论值。由于相对移动通常不会准确地连续地发生，而是分布发生的，所以偏差基本上基于可容许的制造和安装公差，如果步级较小，则偏差还基于移动过程中跟踪装置各个元件重心相对位置的变化。偏差和/或几何误差的结果使感应器和/或效应器主轴的实际方向与理论和/或所希望的方向通常偏离一空间-角度误差。换句话说，在绕旋转轴转动过程中，具体角度的实际变化偏离这些角度的预定变化。本发明的预定变化由编码器装置提供。实际变化与预定变化的偏差称为角度误差。角度误差会影响功能块的结果，例如会影响感应器测量物体的精度。
角度误差一般都是在工厂的测试过程中例如质检范围中确定的。各个跟踪装置和/或各种跟踪装置类型的角度误差通常也各不相同，所以角度误差至少部分描述各个跟踪装置。为此，角度误差被存储起来。
角度误差不应超过某些极限值。它们可以通过硬件和/或设备进行再加工和/或安装修正、或者通过软件例如在分析感应器系统的结果时考虑已确定的角度误差而得到补偿。
不论是否只存储角度误差或者是否对它们进行补偿，都必须测量角度误差。
迄今为止要测量这样一些角度误差，一般要进行一系列测量。为此，先进行水准测量，然后从一根轴到另一根轴，即从横轴到滚动轴，再到仰角轴线逐步测量。这种测量主要使用光学测量装置，如自动瞄准仪、经纬仪、反射镜、角度仪，水平仪以及倾斜仪。此外，还需要多种适配器、夹持器、托架和等效重量等等。需要多种设备、需要不同的分辨率和测量精度不同、以及需要加工得非常精确都是常规测量方法的缺点。不过，它的最大缺点还是因为实际上无法避免一系列测量和连接误差，所以测量误差会累积起来。
(3)发明内容所以，本发明的目的是提供一种确定角度误差的方法，利用该方法可以避免常规方法的缺点；提供一种确定角度误差的装置，实施所述方法以消除有关问题；以及提供建议这种装置的应用。
根据本发明的一种确定感应器或效应器主轴的空间角度的实际变化和预定变化的方法，所述感应器或效应器与接收器连接，所述接收器可直接绕第一旋转轴转动，并可间接绕至少另一根旋转轴转动，其特点是，包括把具有至少两根测量轴的光电角度测量设备与接收器连接；进行旋转轴中第一轴的确定步骤，其中在旋转步骤进行绕该第一旋转轴转动，同时防止绕至少另一根旋转轴作任何转动，在每一个旋转步骤后用角度测量设备检测主轴的空间角度的第一实际变化，并加以存储；以及通过编码器装置提供主轴的空间角度的第一预定变化并加以存储。
根据本发明另一方面的一种确定感应器或效应器主轴的空间角度的预定变化和实际变化的装置，所述感应器或效应器与接收器连接，所述接收器可直接绕第一旋转轴转动，并可间接绕至少另一根旋转轴转动，所述装置具有编码器装置，用于在接收器转动过程中提供感应器和/或效应器主轴的空间角度的预定变化，其特点是，所述装置设有光电角度测量设备，它可与接收器连接，具有至少两根测量轴，所述测量设备用于在只绕其中一根旋转轴转动过程中检测主轴的空间角度的实际变化；及一存储器，用于存储预定变化和相关的实际变化。
根据本发明又一方面的所述装置的应用，其特点是托架底座通过托架与接收器连接，该托架底座直接或间接与一可移动的安装面相连接；或者接收器、托架、及托架底座都是跟踪装置的零件，以在于通过主轴的关系使跟踪装置与外部物体的位置对准。
本发明基于使用至少具有双轴，最好具有三轴的光电角度测量设备例如激光陀螺仪，不论在何种情况下，它们是在空间不需要有固定方向、而且始终只显示各个角度变化的角度测量设备。安装角度测量设备和/或激光陀螺仪而不安装感应器和/或效应器，或者除了安装感应器和/或效应器外，还安装角度测量设备和/或激光陀螺仪，通常是为了暂时进行测量步骤，以便使测量轴与主轴尽可能重合，如果需要，尽可能平行。也可作其他安装配置，但需要转换坐标，以便可理解地分析结果。功能块包括接收器和感应器或效应器和/或角度测量设备。
通过使用在空间不需要有固定方向的角度测量设备例如激光陀螺仪，特别是无需进行水平测量，新的测量与常规测量相比大为简化，而且精度更高。在接收器由于绕横轴、滚动轴以及仰角轴线转动而作移动的过程中，角度测量设备始终辨认出主轴角度的实际变化。利用每次只绕三根旋转轴中一根移动，可以确定主轴的角度和/或相对位置的实际变化。所进行的移动与跟踪装置在使用中完成的移动完全一样。
以这种新方式进行的测量十分精确，而且再现性或重复性很高。因为它是一种端点对端点的测量，所以也不存在由于连接而引起的误差。
安装角度测量设备和/或激光陀螺仪可能需要一些适配器零件。重要的是质量和重心比不要因为安装角度测量设备和/或激光陀螺仪而发生显著变化；当角度测量设备和/或激光陀螺仪的质量相对较小时，除了空间关系外，只考虑效应器功能块和安装；如果安装的是角度测量设备和/或激光陀螺仪而不是感应器和/或效应器，若其质量远比感应器和/或效应器的质量小，就要加上补偿的等效质量。
若配置是使角度测量设备相对于感应器和/或效应器主轴处于一个精确已知的位置，那么误差测量步骤的结果是唯一决定性的；而配置最好是使光电角度测量设备测量轴的有关测量轴正好对应主轴，这一点必须在实际测量角度误差之前得到证实。为此，可进行绕仰角轴线的移动。如果有关测量轴确实与主轴重合，在绕仰角轴线转动过程中对仰角轴线有一个法平面。如果有关测量轴与主轴不重合，它在绕仰角轴线转动过程中有一个圆锥面，其顶点是测量轴和仰角轴线的交点。在这样的情况下必须进行修正，除非圆锥面的夹角接近180°。用硬件或者软件都可以进行修正，一般最好用软件进行修正。
经修正后，测量实际误差。为此，每次绕三根旋转轴的中的一根即绕仰角轴线或绕滚动轴或绕横轴作转动，同时防止绕其余两根旋转轴转动。转动要一步一步进行。每一个转动步骤后，由编码器装置提供角度的预定变化，由光电角度测量设备和/或激光陀螺仪提供相应的实际变化。在存储器中把预定变化及相应的实际变化存储起来。
在狭义上，现在已完成了实际误差的测量。接下来是分析测量结果。
误差测量结果，即各个角度实际变化和预定变化，如上文所述存储在存储器中，误差测量结果只是用来表征各个跟踪装置的特征。
通常，装置配有数据处理系统和/或与这样一个系统相连接。利用数据处理系统的计算机，使用误差测量结果可以生成一矩阵。
通常，用计算机计算角度误差，即角度的实际变化和预定变化之间的差是用计算机计算的。
这些角度误差或者可以只作存储，或者可以作为补偿的基础。补偿可以用硬件或软件来进行。
可以借助软件进行补偿，以便生成经验误差函数，由这些经验误差函数又可以生成误差数学函数，使用跟踪装置时要考虑这些误差函数以便作出控制。
通常只有在角度误差超过某些预定极限值时才会进行补偿，特别是硬件补偿。为此，可以用计算机比较业经确定的角度误差与预定极限值。
数据处理系统配备一打印机，以便把与本发明的方法有关的数据打印出来。
数据处理系统最好配备显示器。
另外，数据处理系统还可以带有一输入器，以便完全或部分控制这种新方法，输入器通常与显示器结合使用。
本发明特别用于确定跟踪装置的感应器和/或效应器主轴的角度误差，功能块，更准确地说是感应器和/或效应器的接收器，可以直接绕仰角轴线转动，并可以间接绕滚动轴和横轴转动。在这种情形下，感应器可以是录影装置，如电视摄影机，效应器可以是武器炮管，跟踪装置的安装面可以是例如汽车或船的可移动的表面，特别是汽车或船的甲板。
装置可以相对其定位装置独立存在，和/或与外部定位装置分开。然而，例如借助PSD装置它可以与外部定位装置连接。
以下在供举例说明本发明的实施例的基础上结合附图对本发明作详细叙述。
(4)


图1所示为具有本发明第一装置的跟踪装置的简单示意图；以及图2所示为图1所示并具有本发明第二装置的跟踪装置的简单示意图。
(5)
具体实施例方式
图1所示的安装面1上设置了跟踪装置2。跟踪装置2使用时基本上包括一功能块4，具体地说，包括一感应器或效应器或角度测量设备5，以及托架6与托架底座8。功能块是不属于本发明发明范围的一个组件。
功能块4具有接收器4.1。若准备使用跟踪装置2时，它连接在具有主轴e的感应器或效应器的接收器4.1处。为了进行本发明的测试方法，使具有三轴的角度测量设备5暂时与接收器4.1连接，此时，其中一根测量轴至少与主轴e的方向重合；在接收器4.1移动过程中所述测量轴与其预定方向的偏差对应接收器4.1在同一个移动的过程中主轴e的偏差。
功能块4和/或接收器4.1通过仰角轴线l与托架6可转动地连接，而且可以相对托架6沿着旋转上平面L作转动。在图1所示的配置中，仰角轴线l与图1的平面垂直，旋转上平面L与图1的平面平行，所以仰角轴线l在图中显示为一个点。在此所述的实施例中，仰角轴线l在静止状态时是水平的。通过绕仰角轴线l转动基本上可设定主轴e的仰角l。
以下将解释在安装角度测量设备5期间和/或之后如何确定角度测量设备5的位置和方位，以及如何补偿与理想和/或所希望的位置和/或方位的偏差。如上所述，使用跟踪装置5时用接收器4.1代替所用的感应器或效应器与角度测量设备5连接。如果角度测量设备5的重量远低于感应器或效应器，就必须在一合适的位置另外设置等效重量对其进行补偿。接着，如上所述通过绕仰角轴线l转动检查主测量轴的位置和方位是否偏离主轴e，以及偏离多少。用硬件再加工和/或更精确地安装角度测量设备5可以补偿此偏差。不过，由于在建立和/或分析本发明方法的结果的过程中存储和考虑了此偏差，所以也可以通过软件进行补偿。
托架6通过滚动轴b与托架底座8可转动地连接，可以相对托架底座8沿着旋转中心平面B转动。理论上，滚动轴b与仰角轴线l垂直。绕滚动轴b进行转动可以补偿滚动角b，在安装面1是移动的情况下，滚动角b通常会连续改变。
托架底座8通过横轴a直接或间接可转动地设在安装面1上，可以相对安装面1沿着旋转下平面A转动。在本实施例中，横轴a与滚动轴b成一个理论固定角度j，并且在静止状态时，横轴a是垂直的。通过绕横轴a转动基本上可设定功能块4和/或主轴e的横向角a。
需要注意的是，由于假设安装面1的移动不是水平的，所以在本实施例中功能块4和/或主轴e的绝对仰角和横向角不是由仰角l和/或横向角a唯一确定的。
跟踪装置2为每个旋转平面L、B和A各设一个编码器装置10。编码器装置10每次从零位开始，在绕其中一根旋转轴转动，即绕仰角轴线l或者绕滚动轴b或者横轴a转动，同时防止绕其余两根轴作转动的过程中提供主轴e的空间角度的预定变化De*。在旋转步骤中进行转动，每一个旋转步骤后固定相应的预定变化De*。
同时，在每一个旋转步骤后用角度测量设备5测量主轴e的空间角度的实际变化De。
在不同确定步骤过程中获得的预定变化De*和相关的实际变化De以表格形式加以存储，也可以进行分析。
为此，把角度测量设备5和编码器装置10与数据处理系统12，本实施例为一个合适的手提计算机连接起来。数据处理系统12具有存储器12.1，用于存储预定变化和实际变化，可能还会存储与本发明的方法有关的其他数据。数据处理系统12也设有计算器12.2；计算器12.2用于在实际变化和预定变化的基础上生成多维矩阵，把各个旋转方向和旋转步骤考虑在内。这个矩阵表示被测试的各个跟踪装置和/或它与其所希望的理想结构配置的几何偏差。此外，数据处理系统还有一显示器12.3，用于显示表格中的数据和/或与本发明的方法有关的图形。最后，数据处理系统12设有输入器12.4。输入器12.4通常与显示器12.3结合，既用于分析确定步骤的结果，又用于控制本发明的整个方法。打印机12.5用于把与新方法有关的数据打印出来。
结合图1所述的配置操作时不需要外部参考点。若打算与外部装置互联，可以用图2所示的配置。原则上图2所示的配置与图1的配置的构成是完全一样的，相同或对应的零件在图中都以相同的编号表示。此外，图2所示的配置设有PSD装置，有了PSD装置就可以与外部参考系统连接。PSD装置基本上包括一与接收器连接的PSD激光发射器20.1、一PSD接收器20.2、以及一PSD电子系统20.3。
权利要求
1.一种确定感应器或效应器主轴(e)的空间角度的实际变化(De)和预定变化(De*)的方法，所述感应器或效应器与接收器(4.1)连接，所述接收器(4.1)可直接绕第一旋转轴(1)转动，并可间接绕至少另一根旋转轴(b，a)转动，其特征在于，包括把具有至少两根测量轴的光电角度测量设备(5)与接收器(4.1)连接；进行旋转轴(1，b，a)中第一轴的确定步骤，其中在旋转步骤进行绕该第一旋转轴(1，b，a)转动，同时防止绕至少另一根旋转轴作任何转动，在每一个旋转步骤后用角度测量设备(5)检测主轴(e)的空间角度的第一实际变化(De)，并加以存储；以及通过编码器装置(10)提供主轴(e)的空间角度的第一预定变化(De*)并加以存储。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于进行至少另一根旋转轴(1，b，a)的确定步骤，其中在旋转步骤进行绕该至少另一根旋转轴(1，b，a)转动，同时防止绕第一旋转轴及其他旋转轴作任何转动，在每一个旋转步骤后用角度测量设备(5)检测效应器主轴(e)的空间角度的第二实际变化(De)，并加以存储；以及通过编码器装置(10)提供效应器主轴(e)的空间角度的第二预定变化(De*)并加以存储。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于确定和存储角度误差，即实际变化(De)与相关的预定变化(De*)之差，用例如检测到的角度误差形成和寄存矩阵。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于确定角度误差后进行比较，其中比较角度误差与预设的极限值，预设的极限值大于或等于0°。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于如果角度误差比预选的极限值大，就对至少部分角度误差进行补偿。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于角度误差的补偿包括改变引起角度误差的至少一个组件的执行和/或安装。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于补偿角度误差后，进行一个或多个以上确定步骤和比较，若需要，每次比较后进行补偿角度误差的另一些措施。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于用计算机进行补偿至少部分角度误差。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于在进行第一确定步骤之前，确定角度测量设备(5)的主测量轴与主轴(e)的空间轴向偏差，及进行补偿该轴向偏差的措施。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于补偿轴向的偏差包括改变光电角度测量设备(5)的定位。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于用计算机进行补偿轴向偏差，同时确定该角度的实际变化。
12.如权利要求1至11其中任一项所述的方法，其特征在于所述方法至少是半自动进行的，但借助输入器(12.4)，最好连同显示器(12.3)也可以用手工进行。
13.如权利要求1至12其中任一项所述的方法，其特征在于数据存储在存储器(12.2)中和/或用打印机(12.5)把数据打印出来。
14.如权利要求1至12其中任一项所述的方法，其特征在于利用PSD装置(20)可与外部系统连接。
15.一种确定感应器或效应器主轴(e)的空间角度的预定变化(De*)和实际变化(De)的装置，所述感应器或效应器与接收器(4.1)连接，所述接收器(4.1)可直接绕第一旋转轴(l，b，a)转动，并可间接绕至少另一根旋转轴(l)转动，所述装置具有编码器装置(10)，用于在接收器(4.1)转动过程中提供感应器和/或效应器主轴(e)的空间角度的预定变化(De*)，其特征在于，所述装置设有光电角度测量设备(5)，它可与接收器(4.1)连接，具有至少两根测量轴，所述测量设备用于在只绕其中一根旋转轴(l，b，a)转动过程中检测主轴(e)的空间角度的实际变化(De)；及一存储器(12.2)，用于存储预定变化(De*)和相关的实际变化(De)。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于光电角度测量设备(5)总共有三根最好是互相正交的测量轴，光电角度测量设备(5)最好与接收器(4.1)连接成在常规制造和安装精度范围内，使其中一根测量轴至少与主轴(e)的方向重合。
17.如权利要求15至16其中任一项所述的装置，其特征在于角度测量设备(5)是激光陀螺仪。
18.如权利要求15至17其中任一项所述的装置，其特征在于所述装置还设有数据处理系统(12)，该系统配有计算器(12.1)，用于计算角度误差，即由角度测量设备(5)确定的实际变化(De)与由编码器装置(10)提供的预定变化(De*)之差。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于采用计算器(12.1)以确定计算的角度误差与预定的极限值之间的角度误差之差。
20.如权利要求17至19其中任一项所述的装置，其特征在于采用计算器以在实际变化与预定变化的基础上产生一矩阵。
21.如权利要求17至20其中任一项所述的装置，其特征在于数据处理系统(12)设有打印机，以便把至少部分确定的数据打印出来。
22.如权利要求17至21其中一项所述的装置，其特征在于数据处理系统(12)设有输入器，以便控制编码器装置(10)和/或角度测量设备(5)和/或数据处理系统(12)的功能。
23.如权利要求15至22其中任一项所述的装置，其特征在于所述装置与外部定位装置分开。
24.如权利要求15至23其中任一项所述的装置，其特征在于采用PSD装置(20)以把所述装置与外部定位装置相连接。
25.如权利要求15至24其中任一项所述装置的应用，其特征在于托架底座(8)通过托架(6)与接收器(4.1)连接，该托架底座直接或间接与一可移动的安装面(1)相连接。
26.如权利要求15至24其中任一项所述装置的应用，其特征在于接收器(4.1)、托架(6)、及托架底座(8)都是跟踪装置(5)的零件，以在于通过主轴(e)的关系使跟踪装置(2)与外部物体的位置对准。
27.如权利要求26所述的应用，其特征在于跟踪装置(5)是光学跟踪装置，主轴(e)是形成感应器的录影装置主轴。
28.如权利要求26所述的应用，其特征在于跟踪装置(5)是大炮武器，主轴(e)是形成效应器的武器炮管主轴。
全文摘要
本发明揭示一种方法和装置，该装置用于确定与接收器(4.1)连接的感应器或效应器主轴(e)的空间角度的实际变化和预定变化。接收器(4.1)直接绕第一旋转轴(l)转动，以及可以间接绕至少另一根旋转轴(b，a)转动。具有至少两根测量轴的光电角度测量设备(5)与接收器(4.1)连接。对于第一旋转轴(l，b，a)，进行绕该第一旋转轴(l，b，a)转动，同时防止绕其他旋转轴作任何转动。在每一个旋转步骤后，用角度测量设备(5)检测主轴(e)的空间角度的第一实际变化并加以存储，通过编码器装置(10)提供和存储主轴(e)的空间角度的第一预定变化。使用装置时，托架底座(8)通过托架(6)与接收器(4.1)连接，该托架底座直接或间接与一可移动的安装面(1)相连接。
文档编号G01D5/12GK1469103SQ03149450
公开日2004年1月21日 申请日期2003年6月16日 优先权日2002年6月14日
发明者G·施奈德, G 施奈德 申请人:厄利康肯特维斯股份公司