某導彈自動駕駛儀的自動測試系統實現

謝 侃，吉亞平

(上海航天控制技術研究所，上海 201109)

某導彈自動駕駛儀的自動測試系統實現

謝 侃，吉亞平

(上海航天控制技術研究所，上海 201109)

為了更準確地獲得某型號導彈自動駕駛儀產品批產驗收測試的電性能結果，并有效降低型號批產任務的測試成本，緩解交付時間緊而測試人員不足的矛盾，介紹了一種自動駕駛儀產品自動測試系統的實現方法。該自動測試系統以測試計算機和自動測試軟件為核心，采用轉臺支架機構和壓縮空氣模擬導彈飛行環境，使用高穩定性程控電源提供產品工作所需的電壓和電流，自動完成產品測試狀態控制、信號采集處理等過程。與傳統的簡易設備和測試方法相比，自動測試系統的轉臺支架控制、信號采集電路以及自動測試軟件采用模塊化設計，其控制精度更高、配置更合理，具有測試結果精度高、一致性好、測試效率高的優點。結果證明，該非標設備能自動保存和輸出產品測試結果，從而減少測試人員的數量、縮短每批次產品的測試時間。該自動測試系統的實現與應用具有一定的軍事與經濟意義。

自動測試系統； 導彈； 自動駕駛儀； 轉臺支架； 模塊化設計； 非標設備； 批量測試； LabVIEW

0 引言

現代導彈自動駕駛儀由姿態敏感元件、電子處理單元和舵系統組成，其功能主要是維持導彈在飛行過程中的穩定性，為制導系統提供合適的彈體動態響應，降低導引系統對導彈參數變化和各種干擾的敏感性。自動駕駛儀是導彈控制系統的重要組成部分，其性能直接影響導彈自控終點的散布，最終關系到導彈飛行的成敗[1]。

隨著計算機技術的發展，自動測試技術顯示出一系列優點，如測試速度快、精度高、一致性好、效率高等[2]。因此，在導彈自動駕駛儀的批產測試中使用計算機自動測試系統的需求亦越來越迫切。本文主要介紹了一種自動駕駛儀的測試原理、系統組成和實現過程等。

1 測試原理

某型號導彈為正在服役產品，是已批產化項目導彈。每批次產品出廠交付前，必須完成自動駕駛儀整件的調試與驗收測試，并保證其性能指標的正確性和穩定性。

對自動駕駛儀產品進行驗收測試時，除了確保產品基本機械性能參數和外觀等滿足要求外，更重要的是確保產品研制與批產驗收的電性能指標滿足嚴格的項目指標要求。這些電性能指標包括產品的穩定工作電壓、穩定工作電流、產品舵控信號波形和產品舵偏信號的合力分解系數等。

自動駕駛儀外殼為圓柱形，彈軸中心線與舵面中心線、翼面中心線成空間正交關系，其中舵面可繞舵面中心線旋轉。產品舵控信號是由電子處理單元根據彈體飛行狀態產生的舵系統控制信息，舵控信號用于驅動舵面的旋轉，可通過自動駕駛儀電氣插座中引出。舵偏信號由自動駕駛儀舵面繞其中心線偏轉的軌跡反映，采用光電傳感器，可以將舵面偏轉軌跡轉化為高低電平信號。自動駕駛儀產品外形示意圖如圖1所示。

圖1 自動駕駛儀產品外形示意圖

產品電源用于提供自動駕駛儀正常工作時的電壓和電流。轉臺支架用于實現模擬導彈飛行狀態，其中：通過轉臺的旋轉實現彈體飛行過程中姿態角速度的模擬；通過支架的旋轉實現模擬導彈繞彈軸自旋轉狀態。外部氣源可以提供自動駕駛儀舵面克服舵力矩負載正常運動時的壓縮空氣。自動駕駛儀測試原理框圖如圖2所示。

圖2 自動駕駛儀測試原理框圖

在完全模擬導彈飛行模式的環境下，通過采集被測自動駕駛儀輸出的產品舵控信號解算產品波形信息，通過采集舵偏光電傳感器信號獲取舵面偏轉的高低電平信息，再利用合力分解器單機解算產品舵偏信號合力分解系數。

現在常用的簡易測試臺由直流電源、轉臺支架系統、氣體管路、示波器、萬用表與合力分解器單機組成，其中示波器、萬用表與合力分解器單機組成信號采集系統。在控制轉臺支架達到預定轉速、外部氣源提供產品工作時的壓縮空氣后，即產品處于測試環境，通過萬用表采集產品電源的電壓電流信號；通過示波器直接顯示自動駕駛儀的舵控信號，可獲取舵控信號的頻率幅值等信息；再通過合力分解器單機采集舵偏傳感器輸出信息，解算出該套產品的舵偏合力分解系數。

舵控信號的波形信息與舵偏信號的合力分解系數測試結果，除了與室內溫濕度以及人為誤差有關，更主要的是受到轉臺支架的轉速、壓縮空氣的壓力、示波器與合力分解器的采集精度的影響。簡易測試臺一般為早期研制產品，轉臺支架控制精度較低，導致測試結果隨機性較大，一致性差；合力分解器單機由模擬器件構建，測試結果精度不高。隨著測試技術與計算機軟硬件的發展，研制測試精度高、自動化程度高的測試儀器已成為可能。

2 系統組成

2.1 自動測試系統組成與測試原理

采用測試計算機為核心的自動駕駛儀自動測試系統，可實現產品的自動測試過程。自動測試系統由測試計算機、轉臺支架模塊、適配器電路、電源模塊以及電纜系統組成。自動駕駛儀自動測試系統原理框圖如圖3所示。

圖3 自動測試系統原理框圖

在測試系統中，測試計算機包括多功能板卡和自動測試軟件。其中：多功能板卡用于實現模擬數字信號的采集以及系統控制指令的輸出；自動測試軟件用于實現測試系統的自動控制流程、測試數據處理與保存以及人機操作界面功能，自動測試軟件是自動測試系統實現自動化測試的關鍵。轉臺支架模塊由轉臺、支架、下位機以及轉臺支架控制軟件組成，裝載控制軟件的下位機是轉臺支架模塊的控制中心，轉臺和支架等執行機構能按照控制軟件指令進行旋轉，用于對導彈運行姿態的模擬；支架上設有舵偏信號編碼器，用于產生舵偏信號。適配器電路可將產品模擬信號和狀態信號轉換成測試計算機多功能板卡可以采集的匹配信號，并實現向下傳輸自動測試控制指令的功能。外部氣源通過管路為被測自動駕駛儀提供壓縮空氣，管路上設置電磁閥控制。電源模塊由直流電源組合而成，其主要功能是為產品提供工作電壓和電流，為測試設備和測試計算機等部分提供電源。電纜系統實現模塊之間的信號通路。

系統啟動后，測試計算機中的測試軟件自動控制電源模塊，為產品提供正常測試所需的工作電源。通過與轉臺支架模塊下位機之間的相互通信，測試軟件自動設置轉臺和支架的角速度并完成對轉臺、支架執行機構的發控指令。測試計算機與測試軟件實時接收轉臺支架的角速度與角度位置信息，并對其進行監視，等待轉臺和支架達到預定的角速度后，自動測試軟件控制繼電器、電磁閥等為被測產品提供壓縮空氣，此時產品處于信號測試狀態。通過多功能板卡連續采集適配器電路傳輸的產品電源信號、舵控信號和舵偏信號，測試計算機自動獲取并解算被測產品的電壓、電流、舵控信號波形信息和舵偏信號的合力分解系數等電性能參數。

2.2 自動測試系統主要模塊

2.2.1 轉臺支架模塊

轉臺支架模塊采用下位機控制模式，下位機發送轉臺支架電機的控制信號，回采轉臺支架反饋信號形成閉環控制，以精確控制轉臺支架角速度和偏置角度。其原理框圖如圖4所示。

圖4 轉臺與支架控制系統原理框圖

控制軟件采用VxWorks 嵌入式強實時操作系統設計[3]，實現實時多任務運行，具有軟件模塊集成度高、相對獨立性強、能充分利用CPU資源等優點，特別適合用于控制電機等靈敏性高的執行器。采用16 bit D/A轉換器向電機驅動器發送指令信號，使用高精度編碼器進行反饋采集。與傳統的使用模擬電路進行電機控制相比，這種控制模式和軟硬件資源的利用使控制精度有了很大的提高[4]。

轉臺和支架機械結構用于模擬彈體飛行過程中姿態角速度功能和彈體旋轉功能。轉臺臺體和支架本體結構采用三維CAD設計工具SolidWorks軟件實現，SolidWorks軟件具有零件設計、裝配體和裝配圖三大模塊，提供了從設計、性能分析到優化設計的全部流程。利用SolidWorks軟件的插件COSMOS/Motion對結構框與結構體進行運動仿真，并對仿真輸出的運動曲線進行分析[5]，獲取了設計方案。在轉臺臺體與支架本體內安裝導電滑環，用于被測產品電信號的傳輸。支架通過夾裝結構和四個爪子固定被測產品；夾裝結構內部使用尼龍零件，外部使用螺旋連接零件，在確保結構體與產品絕緣的同時，不影響同軸度要求。其中，固定舵面的爪子上設有舵偏信號編碼器，將舵面運動軌跡轉化成連續模擬電信號，即可得到舵面每一時刻的偏轉位置。支架與產品連接示意圖如圖5所示。

圖5 支架與產品連接示意圖

2.2.2 電源模塊

電源模塊由產品電源轉換器和設備電源轉換器組成，將外部220 V交流電壓轉換成供給產品的±20 V/3 A直流電源和設備自用電源。

為實現產品電源的自動控制過程，產品電源轉換器選用高穩定性程控電源。該程控電源可以實現20 V/100 W兩路電壓輸出，最大輸出直流電流達5 A。另外，該電源帶有LAN和USB接口，能夠進行遠程編程。自動測試軟件可以通過遠程控制，實現電源打開、輸出、斷電以及電源狀態采集等多種功能。與傳統簡易設備電源相比，該電源輸出電源紋波更小，穩定性、可靠性更高。

2.2.3 測試計算機

在測試計算機上安裝多功能板卡和自動測試軟件，它是整個測試系統的核心組成部分。

多功能板卡具有AI通道、可配置DIO通道等資源。AI通道用于實現產品信號和其他模擬信號的采集，其采樣速率高達250 kHz。可配置DIO通道用于實現產品通斷電、電磁閥開關等功能控制與狀態監視，通過配置文件形式由測試軟件進行自動控制數字量的輸出與接收。

自動測試軟件可以自動完成產品電源通斷電控制、狀態控制與監視、信號采集與處理以及測試結果顯示等過程[6]。自動測試系統軟件的主要功能模塊包括程控電源控制、狀態控制、狀態回采監視、轉臺與支架遠程控制、數據采集與處理以及生成測試報表等[7]。軟件采用LabVIEW圖形化編程平臺開發，LabVIEW提供了豐富的圖形控件，采用圖形化編程可以方便地創建用戶界面[8]。

2.2.4 適配器電路

適配器電路主要用于產品信號的濾波、整形、隔離。該電路對信號進行AI通道配置以及對測試計算機控制信號的放大與輸出[9-10]，并將控制信號分配到各執行機構。適配器電路使用自研電路印制板實現，自研電路具有多功能板卡DIO通道驅動器和繼電器元件，用于控制電源線干路或其他線路的通斷[11]；自研電路使用隔離運算放大器對電源傳感器輸出信號進行采集，以防止電源干擾；使用跟隨放大器將舵偏編碼器信號配置整形為可以連續采集的模擬信號。另外，適配器電路還包括保護、狀態指示等輔助電路，用于提高測試系統的安全性和可操作性。

2.2.5 電纜系統

自動測試系統的轉臺支架模塊、電源模塊、適配器電路以及測試計算機之間通過電纜進行連接，電纜系統包括產品電纜、控制電纜和通信電纜。其中，產品電纜包括電源線路和產品信號線路，它用于連接測試計算機與轉臺的電纜插座；而在轉臺支架內部，通過導電滑環實現被測產品與電纜插座連接。設備控制電纜實現下位機與轉臺支架控制電線路的連接，以及轉臺支架直流電機、電機編碼器的閉環控制。另外，系統還包括通信電纜，其連接在測試計算機與程控電源、下位機之間，實現自動測試軟件遠程控制功能。

3 自動測試的實現

自動駕駛儀自動測試系統可以實現一鍵式測試，自動模擬產品測試狀態環境，自動采集產品電壓電流、舵控信號、舵偏信號等被測信號，并對有效信息進行處理與保存[12]。打開自動測試軟件后，首先進行硬件初始化，并進入自動測試軟件界面。其中硬件初始化程序包括硬件資源配置、程控電源控制與轉臺支架加載等步驟。

輸入被測產品編號并點擊測試軟件界面上的“開始測試”按鈕，自動測試軟件將進入自動測試子程序，并按照子程序中規定的測試步驟依次執行以下操作：產品通電、轉臺支架控制、通壓縮空氣、產品信號采集、測試數據處理、斷電斷氣釋放硬件、數據保存。自動測試子程序執行完畢后，即完成對被測產品的測試過程。測試人員可以更換被測自動駕駛儀產品，再次輸入產品的編號并點擊“開始測試”按鈕，即再次進入自動測試子程序。完成產品測試任務后，操作員關閉軟件操作界面，退出測試程序。

針對該系統具有在信號連續采集過程中還要進行實時控制的特點，使用LabVIEW平臺對生產者/消費者架構模式進行程序設計[13-14]，使測試軟件設計響應更快、執行效率更高。此外，自動測試軟件還具有人機界面友好、操作簡單、可靠性和安全性高的優點[15]。

4 結束語

本文提出的自動駕駛儀自動測試系統，是計算機技術與測控技術相結合的非標機電一體化產物。與傳統測試設備相比，自動測試系統的機械結構設計合理、硬件資源配置高、測試流程簡單直觀，能自動完成所有測試過程，具有測試結果精度高、一致性好、操作簡便、效率高的優點。自動測試系統有效地降低了生產測試成本、提高了測試效率，大大緩解了產品批產階段任務工作量集中、交付時間緊迫、測試人員不足的矛盾。

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Realization of the Automatic Test System for A Missile Autopilot

XIE Kan，JI Yaping

(Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology,Shanghai 201109,China)

In order to accurately acquire results of electrical properties of the batch acceptance test for a certain type of missile autopilot,and availably reduce the testing cost and relieve the contradiction of the tight delivery time and insufficient testers,a realization method of the automatic test system for missile autopilot is introduced.In this system,with the test computer and auto-testing software as the core,and the turntable bracket and compressed air are adopted to simulate the flight environment of the missile.The voltage and current needed for the product are provided by highly stable programmable controlled power supply; the test state control, signal acquisition and processing of the product are completed automatically.Comparing with the traditional simple equipment and test method,the modular design is adopted for turntable bracket control,signal acquisition circuit and automatic test software of this automatic test system,thus the control accuracy is higher,the configuration is more reasonable; so the test is highly accurate,with good consistency and high efficiency,etc. The results prove that this non-standard equipment can automatically save and output the test results of electrical properties, and reduce the number of testers and time of test. The implementation and application of this automatic test system possesses certain military and economic significance.

Automatic test system;Missile; Autopilot; Turntable bracket; Modular design; Non-standard equipment; Batch test; LabVIEW

謝侃(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事非標設備的設計、開發與研制工作。E-mail：xiejixk@163.com。

TH39;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706018

修改稿收到日期:2016-12-08