一种基于双轴伺服结构的重力仪及其调平和测量方法与流程

本发明涉及重力测量，特别是涉及一种基于双轴伺服结构的重力仪及其调平和测量方法。

背景技术：

1、重力仪，是确定重力加速度的测量设备，用于测量地球重力场中的重力信息，是目前测绘领域研究热门技术之一。

2、目前，重力仪包含两类：第一类采用人工方式通过框架调平实现重力信息敏感，第二类采用陀螺仪+加速度计通过惯性导航技术实现数字调平进行重力测量，以上两种形式的重力仪中，前者操作复杂，无法全自动化工作，后者由于加入了角速度敏感器导致体积大、成本高，目前，缺少一种低成本、易操作、体积小的重力仪。

3、鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明针对传统的重力仪操作效率低、成本高、体积大的的技术问题提供一种解决方案。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于双轴伺服结构的重力仪，包括：

4、双轴伺服机构；双轴伺服结构包括轴系框架、伺服电机和制动器，伺服电机和制动器分别设于轴系框架的两端；

5、加速度计组件；加速度计组件设于轴系框架内部，加速度计组件分别与伺服电机和制动器轴系连接；以及，

6、含有解算芯片的外围电路板；外围电路板分别与伺服电机、制动器和加速度计组件通信连接；其中，

7、伺服电机用于加速度计组件的旋转驱动，制动器用于加速度计组件的制动。

8、优选的，所述加速度计组件包括由敏感轴互相垂直的三个加速度计和一块if转换模块组成。

9、优选的，还包括读数头，读数头设于轴系框架上并与加速度计组件通信连接；其中，读数头用于读取加速度计组件的旋转角度。

10、优选的，所述加速度计组件的旋转角度为0-360°。

11、第二方面，本发明提供一种基于双轴伺服结构的重力仪的调平方法，使用第一方面所述的重力仪，包括：

12、将双轴伺服机构轴系归零；

13、使用加速度计组件计算地坪倾斜；

14、利用地坪倾斜进行两个方向物理调平；

15、在两个方向物理调平后，利用制动器限制加速度计组件旋转；

16、使用加速度计组件进行剩余倾斜测量完成数字调平。

17、优选的，所述使用加速度计组件计算地坪倾斜，包括：

18、通过加速度计输出计算加速度计组件的俯仰与横滚状态，计算方式为：

19、

20、

21、其中，θ为俯仰角，ψ为横滚角，为fx、fy、fz分别为加速度计在x、y、z轴向的输出比力。

22、优选的，所述利用地坪倾斜进行两个方向物理调平，包括：

23、通过伺服电机将转动轴调整-ψ和-θ，完成两个方向上的物理调平。

24、优选的，所述使用加速度计组件进行剩余倾斜测量完成数字调平,包括：

25、在物理调平后，计算加速度计组件残余倾斜状况，计算方式为：

26、

27、

28、其中，θ′为残余俯仰角，ψ′为残余横滚角，fx、fy、fz分别为加速度计在x、y、z轴向的输出比力；

29、通过计算得到的残余俯仰、横滚角对重力测量结果进行数字平台补偿。

30、优选的，所述通过计算得到的残余俯仰、横滚角对重力测量结果进行数字平台补偿，计算方式为：

31、g＝fzcos(θ′)cos(ψ′)+fy sin(θ′)+fxsin(ψ′)

32、其中，g为重力值。

33、第三方面，本发明提供一种基于双轴伺服结构的重力仪的测量方法，使用第一方面所述的重力仪，包括：

34、在得到重力测量指令后，使用加速度计组件进行地坪倾斜测量；

35、测量完成后将地坪倾斜信息反馈至双轴伺服机构；双轴伺服机构通过地坪倾斜信息完成两个方向物理调平；

36、物理调平后制动器限制加速度计组件旋转；

37、加速度计组件进行剩余方向数字姿态解算与数字调平；

38、加速度计组件将的重力信息发送至解算芯片进行数据处理解算。

39、针对现有技术中的不足，本发明所能取得的有益效果为：

40、本发明仅使用加速度计组件完成重力测量，降低了重力仪成本，简化了伺服结构，缩减了重力仪的体积。

41、本发明通过物理平台调平与数字平台补偿的方式进行组合调平，提高了测量准确性，简化了重力仪操作流程，能实现一键式操作。

42、整体而言，本发明具有精度高、成本低、效率高、体积小以及人机友好等特点。

技术特征：

1.一种基于双轴伺服结构的重力仪，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于双轴伺服结构的重力仪，其特征在于，所述加速度计组件包括由敏感轴互相垂直的三个加速度计和一块if转换模块组成。

3.根据权利要求2所述的基于双轴伺服结构的重力仪，其特征在于，还包括读数头，读数头设于轴系框架上并与加速度计组件通信连接；其中，读数头用于读取加速度计组件的旋转角度。

4.根据权利要求3所述的基于双轴伺服结构的重力仪，其特征在于，所述加速度计组件的旋转角度为0-360°。

5.一种基于双轴伺服结构的重力仪的调平方法，其特征在于，使用权利要求1-4任一所述的重力仪，包括：

6.根据权利要求5所述的基于双轴伺服结构的重力仪的调平方法，其特征在于，所述使用加速度计组件计算地坪倾斜，包括：

7.根据权利要求6所述的基于双轴伺服结构的重力仪的调平方法，其特征在于，所述利用地坪倾斜进行两个方向物理调平，包括：

8.根据权利要求7所述的基于双轴伺服结构的重力仪的调平方法，其特征在于，所述使用加速度计组件进行剩余倾斜测量完成数字调平,包括：

9.根据权利要求8所述的基于双轴伺服结构的重力仪的调平方法，其特征在于，所述通过计算得到的残余俯仰、横滚角对重力测量结果进行数字平台补偿，计算方式为：

10.一种基于双轴伺服结构的重力仪的测量方法，其特征在于，使用权利要求1-4任一所述的重力仪，包括：

技术总结
本发明涉及重力测量技术领域，本发明提供一种基于双轴伺服结构的重力仪及其调平和测量方法，其中，调平方法包括：将双轴伺服机构轴系归零；使用加速度计组件计算地坪倾斜；利用地坪倾斜进行两个方向物理调平；在两个方向物理调平后，利用制动器限制加速度计组件旋转；使用加速度计组件进行剩余倾斜测量完成数字调平。本发明通过物理平台调平与数字平台补偿的方式进行组合调平，提高了测量准确性，简化了重力仪操作流程，能实现一键式操作，整体具有精度高、成本低、效率高、体积小以及人机友好等特点。

技术研发人员：吴明强,冷悦,廖世康,刘元峰
受保护的技术使用者：华中光电技术研究所（中国船舶集团有限公司第七一七研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13