動力調諧陀螺儀角位移測試中的數據處理技術*

羅 云 陳維義 沈 遠

（海軍工程大學兵器工程系1） 武漢 430033）（中國人民解放軍第四八零五工廠軍械修理廠2） 上海 200439）

1 引言

炮控系統是影響火炮武器系統精度的重要組成部分［1］，因此在火炮武器系統定型試驗和修理后驗收試驗中，炮控系統性能試驗是非常重要的內容，其中包括：火炮漂移速度測試、火炮穩定精度測試、最大調炮速度測試、最小瞄準速度測試、超回量測試等［2］。對這些指標的測試，其核心是對火炮的角位移測試［3］。火炮的角位移獲取后，這些參數就可通過對其處理、計算來獲得。目前對炮控系統的性能參數測試的方法還是操作繁瑣、費時費力的手工靶板測試方法，自動化程度不高，太過于落后，這對于武器系統的發展是不利的。文獻［3］介紹了CCD＋坐標靶、激光器＋PSD光學測量靶、CCD＋點光源、激光（光纖）陀螺、電測法五種角位移測試方法并比較了各自的優劣，以光纖陀螺作為測角傳感器為首選方案。本文以此為參考，采用與光纖陀螺相似的動力調諧陀螺為測角傳感器，研制了一套角位移測試系統，并對數據處理技術作了詳細探討。

2 系統組成及工作原理

測試系統的原理框圖如圖1所示，分為下位機數據采集濾波發送模塊和上位機數據接收處理模塊。其中陀螺儀為西安航天長城的HT-A3高精度動力調諧陀螺儀；下位機以ADI公司的ADSPBF532［4］為核心構成的嵌入式最小系統，外圍配置信號調理電路和A／D采集電路，對雙軸陀螺儀的角速度信號實時進行調理、采集、濾波、信號處理與發送；上位機采用可靠性高的軍用筆記本，主要完成數據的接收、角速度的實時數值積分、角速度和角位移的實時曲線顯示、數據保存、離線數據分析等功能。

在角位移測量的基礎上，就可以完成各種火控性能參數的計算與分析。根據測試系統得到的各項結果與炮控系統的戰術技術指標要求進行對比，來評判炮控系統綜合性能是否合格。

圖1 系統組成框圖

3 角位移測量原理及誤差分析

動力調諧陀螺儀（DTG）是一種雙自由度的非液浮、干式彈性支撐、機電性的擾性陀螺儀［5～6］，用于敏感慣性空間的角速度。把陀螺儀安裝在火炮身管上就能檢測出火炮在方位和高低向的運動，其輸出為電壓信號，利用比例因子，可以轉化為相應的角速度。對角速度進行實時梯形數值積分，就可以實時輸出火炮在方位和高低向所移動的角位移。

圖2 原始的電壓信號

圖3 原始角速度信號

4 在線實時數據處理方法

處理的方法要根據具體的應用來定。如果只是離線處理，由于樣本數據已知，則可以對樣本數據求均值后，利用樣本數據減去均值就能消除其角速度的零點偏移對角位移的影響。如果是在線實時處理，則樣本數據未知，無法求其均值，因此就不能利用離線處理的方法。下面就在線實時處理進行討論其相關方法。

4.1 一次平均法求零點

首先對先前所采集的數據進行統計求均值得相應的角速度零點，然后后續的角速度零點減去一次平均法求到的零點，再對兩者之差進行數值積分。相比直接對角速度信號直接數值積分，該法能大大減小角速度零點在數值積分時對角位移的影響。然而，隨著積分時間的增加，由于角速度零點之差使積分帶來的角位移仍會越來越大。圖4的虛線就是采用一次均值求零點的數值積分所得到的角位移，從圖中可知，當時間為990s時，一次均值求零點的數值積分所得到的角位移漂移為了－5.5539°，如果積分時間更長，則角位移的漂移也會更大，其精度不能滿足本系統的需求，必須尋找其它的數據處理方法。

4.2 零點漸變算法［9～10］

圖4 陀螺儀靜止時零點積分漂移曲線1

圖5 零點漸變算法的流程框圖

該算法的基本思想是：用多次平均法代替一次平均法求零點。實現的流程框圖如圖5所示。首先在陀螺靜止時連續采集8個樣本值作為初始基準零點，然后再次采集角速度值，并與初始基準零點進行比較，如果差值小于某個閾值，則說明陀螺仍處于靜止狀態，此時采用新的零點樣本，否則仍采用舊零點樣本，在此基礎上計算新的基準零點，并取代初始基準零點。本系統設定閾值為0.0133°／s。對該算法進行仿真，并與一次均值求零點進行比較，其結果如圖6所示，實線為一次均值求零點的數值積分所得到的角位移，而虛線為零點漸變算法的數值積分所到的角位移。從圖中可知，當積分時間為990s時，前者的漂移為－5.5539°，后者的漂移為0.0061°。從零點漸變算法的數值積分漂移曲線放大圖可以看出其變化趨勢為：隨著時間的增加，其漂移的絕對值會逐漸增大。因此，雖然后者的值較小，在短時間內滿足系統要求，但其變化趨勢不能忽視，因此提出了改進零點漸變算法。

4.3 改進零點漸變算法

改進零點漸變算法的目的是使零點積分漂移絕對值不隨著時間的增加而增加，而是在零附近來回波動。基于該目的，給出了實現的基本方法：對角速度零點進行判斷是否在上文提到的閾值內，如果是則認為陀螺靜止，否則認為陀螺在運動。陀螺靜止時使角速度零點樣本交替改變符號來避免角速度恒為正或負，從而使零點積分漂移不會隨著時間而單向增大。對該算法進行仿真，并與零點漸變算法進行比較，其結果如圖7所示，實線為零點漸變算法的數值積分所到的角位移，虛線為改進零點漸變算法的數值積分所得到的角位移。從圖中可知，隨著積分時間增加，后者不會單向增加，而是在零附近波動，從而使得精度大大提高。當積分時間為990s時，前者的漂移為0.0061°，后者的漂移為0.0004°。

圖6 陀螺儀靜止時零點積分漂移曲線2

圖7 陀螺儀靜止時零點積分漂移曲線3

圖8 陀螺儀靜止時零點積分漂移曲線4

5 實驗結果分析

靜態實驗是指陀螺靜止時測試角位移測試系統的輸出，其測試結果如圖8所示。從圖中可以看出，角位移漂移在零附近波動，在3991s時，實際的角位移漂移為0.0004°。可以看出，陀螺長時間內靜止時角位移漂移也非常小，完全滿足系統的精度要求。

動態實驗是指陀螺儀運動時測試角位移測試系統的輸出。將陀螺儀固定在高精度雙軸轉臺2ST-520上，使轉臺在高低和方位運動，同時記錄角位移測試系統所測的角位移和轉臺所測試的相對角位移。兩者對比就可以得出角位移測試系統的測角精度。表1給出了在方位向角位移測試系統與轉臺的測試結果，由表中的數據可以得出，系統的測量精度在0.48%以內。考慮本系統主要是用于小角度測量，故精度完全滿足要求。

表1 角位移測試系統與轉臺的測試結果

6 結語

在炮控系統性能參數測試中，對角位移的測試是關鍵，本文首先分析了基于動力調諧陀螺儀的角位移測量原理，針對陀螺靜止時角速度零點積分漂移大的問題，提出了改進零點漸變算法，使系統的精度得以提高。該測試系統具有通用性好、使用簡單、測角精度高等優點，不僅可以用于坦克炮控系統性能參數測試，而且還可以用于艦載炮控系統的測試，因而具有比較好的推廣應用前景。

［1］臧克茂，馬曉軍，李長兵.現代坦克炮控系統［M］.北京：國防工業出版社，2003：5～11

［2］王春忠，楊忠國，榮明.基于陀螺儀的坦克炮控穩定精度檢測儀設計［J］.傳感器與微系統，2009，28（1）：85～87

［3］郝赤，趙克定，許宏光，等.炮控系統性能試驗中角位移量的幾種測量方法［J］.火力與指揮控制，2004（12）：103～106

［4］Analog Devices.Blackfin Embedded Processer，ADSPBF531／ADSP-BF532／ADSP-BF533［DB／OL］.［2011.01］.www.analog.com

［5］鄒達明.動力調諧陀螺儀漂移測試與建模研究［D］.哈爾濱工程大學碩士論文，2004，3：1～3

［6］范世珣.動力調諧陀螺儀的數字換技術研究［D］.國防科學技術大學碩士論文，2006，11：1～2

［7］Analog Devices.16-Bit，1LSB，1MSPS Differential ADC，AD7677［EB／OL］.［2002.07］.www.analog.com

［8］羅云，孫春生，王昌平.基于ADuC834單片機的高精度電壓監測系統［J］.儀表技術與傳感器，2007（10）：50～52

［9］蔡軍.基于光纖陀螺儀的軌道不平順檢測系統的研制［D］.南昌大學碩士論文，2007，6：40～43

［10］朱洪濤，蔡軍，王志勇.基于光纖陀螺儀的軌道不平順檢測系統［J］.微計算機信息，2007（23）：268～269