基于功能的慣性平臺機內測試技術

邵伯川，侯書銘，姜 偉

(第二炮兵工程大學 304 室，西安 710025)

慣性平臺系統是很多飛行器的主要導航設備，它負責測量載體的姿態信息和視加速度。作為一種高精密的機電一體化設備，其測試設備系統復雜，對操作人員的要求高，測試效率不高。近些年發展起來的基于PXI，VXI 等的自動化測試設備雖然在一定程度上減少了對人員的要求，提高了測試效率，但它不能滿足為系統提供實時監測的能力。機內測試是目前復雜系統測試發展的一個重要方向，它能使系統擺脫復雜的外部測試設備并提供系統的關鍵參數實時監控能力。如何充分利用平臺自身所能提供的信息，添加少量的軟硬件，使其具有自檢測能力，是擺脫復雜測試設備并解決測量成本和測量時間矛盾的一個重要的研究方向［1］。

1 平臺式慣導系統原理

平臺式慣導系統主要由穩定平臺、框架、安放在平臺上的加速度計和框架軸上的角度傳感器構成。穩定平臺是通過慣性測量角度傳感器構成。穩定平臺是通過慣性測量元件和穩定控制回路，使平臺臺體與外部相對隔離、使其方位保持在慣性空間中不變或按一定的規律改變。加速度計通過內部敏感器件和外圍電路把在平臺臺體個方向的加速度轉換成電量。角度傳感器測量各軸相對轉過的角度，通過變換獲得載體的姿態信息。

2 測試需求及原則

測試的目的主要是完成平臺各項功能的故障診斷，主要包括各項功能測試和精度測試內容。其具體的項目包括電源電壓和頻率測試、測溫電阻阻值檢查、電流測試、框架角傳感器輸出檢查、回路功能檢查、開關量測試、陀螺漂移測試、加速度計參數測試等。

根據機內測試的要求，要充分利用系統本身所能提供的信息，力求簡潔，即無附加零零部件或盡量少零件的情況下實現機內測試［1］，并考慮增加部件自身的測試和使增加部分對原系統的影響降到最小。

3 測試原理

3.1 穩定回路測試分析

平臺穩定回路工作原理如圖1 所示，當平臺受到干擾力矩Mf的時候，臺體以角速度α 轉動，陀螺儀敏感到角速度α，并輸出與角速度成比例的信號，經濾波整形后送給前置放大器變成直流電壓，在經前置放大、校正網絡、功率放大等環節驅動框架力矩電機轉動，產生一個與干擾力矩大小相等，方向相反的力矩抵消掉Mf，從而使平臺穩定在慣性空間。平臺還具有修正回路的工作模式，具體的原理是給平臺一個指角速度β，將直流角速度換算成施矩電流，輸入陀螺的力矩器，通過穩定回路，平臺臺體將以一定的角速度跟蹤指令角速度。

圖1 穩定回路工作原理

在平臺設計時，由于慣性器件需要一定的加溫時間，在未穩定之前加入回路會使回路不穩定甚至損壞慣性器件，在圖1 中的位置2 加一個繼電器開關來保證陀螺啟動好后才閉合回路。在加溫完成之前，把位置2 作為輸入點進行激勵，多極旋轉變壓器的輸出作為響應，建立正常狀態下的輸入輸出表征函數，通過不同的激勵信號可以檢測系統中除慣性器件外部件的故障。

加溫好以后，可以給陀螺儀加電啟動，通過測量陀螺轉子電機的電流來判斷陀螺好壞。回路穩定后，對陀螺力矩電機施加指令角速度電流，通過框架角輸出量作為觀測量判斷修正功能是否正常。若正常，則轉入精度測試。

3.2 精度測試分析

平臺系統的精度主要指陀螺漂移、加速度計零位和脈沖當量等的測試。由于不利用外部轉臺，無法提供精密的基準，我們考慮利用內部傳感器的解析冗余關系來驗證慣性器件的精度。

三軸平臺系統中加速度計的精度要高于陀螺儀，我們通過用加速度計信息來調平，框架角的輸出信息鎖定，把平臺鎖定到一定的位置上進行陀螺儀誤差系數的標定。引起平臺漂移的主要原因是陀螺儀輸出軸上的干擾力矩所導致的陀螺儀漂移。陀螺的漂移通過伺服回路的作用，使框架力矩電機產生不穩定力矩而導致平臺臺體相對于框架軸產生角運動。因此，對平臺靜基座條件下的測試，實際上是確定陀螺儀的漂移系數。

在重力場中，若忽略二次項，則陀螺儀在靜態位置的輸出模型可簡化為

其中:WP是陀螺輸出角速度;K0為零次項漂移;K11、K12分別為沿陀螺儀輸入軸和輸出軸的一次項漂移系數;g1、g2分別是當地重力沿陀螺輸入輸出軸上的分量;Ω 為測試點地速沿陀螺輸入軸上的分量。

在機內測試時，由于不借助外部轉臺，我們采用力矩反饋法閉環測漂的方法對平臺漂移量進行測試。具體的原理為:給陀螺力矩器施加一個指令角速度Ws，當力矩器產生的力矩與干擾力矩MT平衡時，陀螺儀輸出為零。

指令角速度Ws與輸入電流的關系:

其中:KT為陀螺儀力矩系數;IT為輸入電流;H 為陀螺儀轉動慣量。由于當地的地速是已知的，只要找到陀螺輸入軸方向同地理北向的夾角，經過多位置的轉動，就可以獲得多個類似方程(1)的式子，很容易解得各個誤差項的系數［2］。

加速度計的測試原理與陀螺儀類似，多采用正負倒置的方法，其轉動角度由框架角傳感器提供。

4 測試方案與實現

4.1 系統總體結構

通過對測試需求及原理的分析，系統要完成的是要想完成平臺慣導系統的自測試必須給平臺引入MCU 來控制激勵、采集和分析來完成測試任務。某單軸液浮陀螺構成的三軸平臺的測試方案如圖2 所示。

圖2 測試方案

測試系統分為3 級，頂級為處理器及外圍芯片的自測試［3］，第2 級為功能測試，最低級為系統慣性器件精度測試。頂級自測試采用邊界掃描等完成所添加軟硬件的自測試;第2 級完成系統基本功能的判斷，尤其是在加溫系統非慣性部件的測試，以便于后面的精度測試;最后利用控制器，給陀螺力矩器加調寬電流激勵，控制框架轉動到不同的位置，完成陀螺儀和加速度計的精度測試，即分離出誤差系數。都符合要求的話即完成測試，通過控制器分析故障部位，進行容錯或者隔離。

4.2 硬件設計與實現

測試系統包括信號調理電路、恒流電路、通道選擇電路、AD、DA、FPGA、DSP 等，采用PFGA 加DSP 的結構，DSP 選用TMS320F28335 是TI 公司的32 位浮點型控制專用數字信號處理器，具有運算速度快、低功耗等特點，主要完成信號處理和控制信號的產生。FPGA 模塊采用Altera 公司生產的Cyclone III 系列中的EP3C25 芯片，主要完成外圍信號的獲取，如加速度計的脈沖計數，PWM 調寬波形的產生，框架角信息的獲取、與外部總線的接口設計。

為保證測溫電阻值的高精度測量，電阻值采用恒流激勵測電壓的方法對其進行測試，并利用四線接法。為了保證系統的可靠性，在系統中內置一個標準電阻，通過標準電阻的阻值來判斷測量系統的精度。AD 采用回采基準源電壓的方式來完成自檢。進行各項測試的過程中，測溫電阻的值通過FPGA 里的控制器巡回獲得，并在FPGA 里完成門限比較，若不正常則在DSP 的中斷輸入引腳上產生一個中斷信號。

陀螺的施矩利用由FPGA 產生的調寬脈沖來實現，由于FPGA 輸出的電壓較小，加放大驅動后送入極性開關，通過兩對極性開關的開合來完成對力矩器的正反施矩。開關的轉換時間是影響精度的另一個原因，其轉換時間將影響到施矩電流脈沖邊沿的波形，因此要盡量選擇導通和閉合時間短，漏電流小的極性開關。由于對施矩電流的要求很高，采用LM339 產生穩壓基準，利用低漂移的放大器AD8510 組成雙反饋網絡來保證電流的高精度和高穩定性。

4.3 系統軟件與實現

該系統的軟件設計主要完成包括信號采集、控制算法、數據的分析計算、故障診斷及與外部總線接口等。根據測試要求，利用Verilog 和C 語言分別完成了PFGA 和DSP 的相關程序，其軟件設計流程如圖4 所示。

圖3 系統原理

圖4 軟件設計流程

5 結束語

針對現有平臺測試復雜，在認真分析系統工作原理的基礎上，根據機內測試原則設計了本測試方案。系統添加的DSP+FPGA 利用了導航裝置的配置［5］，通過擴展，還可以完成系統的邊界掃描測試控制器的設計，拖過精確地激勵電流還可以完成平臺的自對準工作［6-7］，且添加部分都設計了自檢測能力，因此這個機內測試設計符合BIT 技術的要求，有一定的工程應用價值。

［1］陳光軍，趙大煒，任章.慣性儀表自檢測技術研究［J］.機電產品開發與創新，2003(4):23-25.

［2］秦永元.慣性導航技術［M］.北京:科學出版社，2005.

［3］邱曉天，呂克洪，張豐言.某陀螺地平儀自檢測系統設計［J］.測試技術學報，2010，24(1):89-92.

［4］李飛飛，蘇延川，王鵬.基于DSP 的FPGA 配置方法研究與實現［J］.現代電子技術，2011，34(24):60-62.

［5］楊侃.基于DSP 和FPGA 的導航計算機硬件電路設計［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2009.

［6］楊華波，蔡洪，張士峰，李華濱.高精度慣性平臺連續自標定自對準技術［J］.宇航學報，2006，27(4):600-605.

［7］韓文廣，王秀森，宋偉.基于MultiGen Creator 的慣性平臺三維建模的關鍵技術［J］.兵工自動化，2011(12):20-22.