慣性測量組件標定與測試系統(tǒng)研制

張夢夢，徐志躍，張秀磊

（北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191）

慣性測量組件是慣導系統(tǒng)的重要組成部分，不僅可以控制物體的飛行軌跡，還能夠把物體在飛行過程中的加速度、加速度、姿態(tài)、俯仰角等信息傳遞給物體的其他部件[1-3]。慣性測量組件主要由陀螺和加速度計組成，其中陀螺用來測量角速度信息，加速度計用來測量加速度信息。慣行測量組件在導航系統(tǒng)中有很大的優(yōu)勢，它不受環(huán)境等外在條件影響，準確度很高。它的缺點是測量誤差會隨著時間積累。因此就需要對慣性測量組件的誤差因數(shù)進行標定，這就需要專門的標定系統(tǒng)來完成這個功能。但是現(xiàn)有的標定系統(tǒng)有效率低，操作復雜，只能測某一種固定型號的產(chǎn)品的弊端[4-6]。本測控系統(tǒng)為提高測試效率，簡化操作步驟，設(shè)計了可以同時測兩個產(chǎn)品的軟硬件平臺，且針對多種型號產(chǎn)品，使平臺有更高的通用性。

1 標定方法

本系統(tǒng)選用工程上應(yīng)用很廣的速率標定以及位置標定法對被測產(chǎn)品進行誤差標定。位置標定法利用多位置對消原理，3個加速計計輪流指天地[7]，能夠?qū)铀俣扔嫷恼`差因數(shù)進行標定，還能夠標定陀螺的零漂。速率標定是一種動態(tài)標定，主要是對陀螺的誤差因數(shù)進行標定，讓三軸轉(zhuǎn)臺分別繞著X軸、Y軸及Z軸順時針和逆時針方向轉(zhuǎn)，用來消除地球自轉(zhuǎn)角速率和漂移產(chǎn)生的影響[8]。加速度計安裝產(chǎn)生的誤差還受轉(zhuǎn)臺的精度影響，準確標定慣性測量組件誤差參數(shù)主要依賴于高精度速率位置轉(zhuǎn)臺[9-11]，通常要求測試設(shè)備的精度比被測器件的精度高一個數(shù)量級，此系統(tǒng)所測試的產(chǎn)品精度較高，所選用的轉(zhuǎn)臺精度高于慣測組件精度1個量級以上，滿足被測產(chǎn)品的精度要求。測控系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺三軸的位置以及轉(zhuǎn)臺的速率來完成對被測產(chǎn)品的靜態(tài)位置及動態(tài)速率標定。

2 硬件組成

2.1 總體組成

根據(jù)被測產(chǎn)品的測試要求及選定的標定方法設(shè)計了整個測試系統(tǒng)。慣性測量組件標定與測試系統(tǒng)主要由三軸轉(zhuǎn)臺臺體及轉(zhuǎn)臺控制單元、信號調(diào)理單元、產(chǎn)品測控單元、產(chǎn)品夾具和高低溫箱等組成，用來在全溫狀態(tài)下對慣性測量分組件進行誤差標定和精度測試工作，組成原理框圖如圖1所示。

圖1 總體組成

三軸轉(zhuǎn)臺外框軸為速率、位置軸，中框、內(nèi)框為位置軸。轉(zhuǎn)臺的三軸框架置于高低溫箱之內(nèi)，外框驅(qū)動軸置于高低溫箱外，外框架4路用來收發(fā)產(chǎn)品2的信號。測控軟件控制422通用板卡對脈沖調(diào)理卡發(fā)送指令并接收數(shù)據(jù)，控制PCI-6143板卡進行電壓電流采集，以及產(chǎn)品上電及斷電，并通過工控機上的232串口與轉(zhuǎn)臺通信，控制轉(zhuǎn)臺位置及速率。NI PCI-6143數(shù)據(jù)采集卡每通道都有專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能滿足采集精度要求，并有數(shù)字I/O線，可以控制產(chǎn)品上電斷電。

2.2 脈沖計數(shù)卡設(shè)計

脈沖計數(shù)卡主要組成器件有74ABT244、ADuM1400、EP1C3T144。74ABT244具有八路緩沖器，3態(tài)輸出線路驅(qū)動器，如圖2中所示，驅(qū)動緩沖陣列主要由74ABT244組成。調(diào)理部分主要由ADuM1400組成，ADuM1400是4通道數(shù)字隔離芯片，是一種磁偶隔離芯片，傳輸速率最高可達90 Mbps，在多通道高速情況下，磁偶比光耦更具有性價比。每個通道都包含：一個輸入緩沖器，一個編碼器（內(nèi)置刷新發(fā)生器），一個隔離變壓器，一通過高低溫箱底部的圓孔以剛性隔熱的方式與速率軸連接。外框軸、中框軸、內(nèi)框軸間的相對位置通過框架的設(shè)計和安裝保證。產(chǎn)品測控部分由工控機，RS422通用板卡，NI PCI-6143數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)字萬用表以及測試軟件組成。信號調(diào)理包括產(chǎn)品脈沖信號調(diào)理以及電源調(diào)理部分，脈沖計數(shù)卡對產(chǎn)品發(fā)出的12路脈沖調(diào)理并計數(shù)，然后把12路脈沖數(shù)傳給RS422通用板卡[12-14]。RS422通用板卡為自研板卡，有4個通道。其中第1和第2路用來收發(fā)產(chǎn)品1的信號，第3和第4個解碼器（內(nèi)置看門狗定時器）和一個輸出緩沖器。SC28L202是IMPAC系列數(shù)據(jù)通信器件的成員。它是一個高性能的2路UART，其功能特性和編程特性緊密匹配，它在一個單芯片的封裝中提供了2個全雙工異步接收器/發(fā)送器通道。該器件的每個通道的工作模式和數(shù)據(jù)格式可以獨立編程。此板卡中該芯片用做RS422板卡的通信接口。FPGA芯片選用ALTERA公司Cyclone系列的EP1C3T144。FPGA程序主要分為3個模塊：讀溫度模塊，脈沖計數(shù)模塊，與422通信模塊。

圖2 脈沖計數(shù)卡布局圖

3 測控軟件設(shè)計

本系統(tǒng)基于VC++6.0采用MFC框架編程，軟件有友好的用戶交互界面，操作簡便，可以選擇手動測試或者自動測試模式，實時顯示測試數(shù)據(jù)并自動處理測試結(jié)果并存入文件中。軟件主要包括電壓電流監(jiān)控線程，動態(tài)測試線程，靜態(tài)測試線程，溫度監(jiān)控線程，轉(zhuǎn)臺控制以及算法解算部分。電壓電流監(jiān)控線程主要控制NI-6143板卡采集電壓電流，當電壓電流超出范圍及時給產(chǎn)品下電。溫度監(jiān)控線程實時監(jiān)控產(chǎn)品內(nèi)部溫度，并存儲溫度數(shù)據(jù)，也能監(jiān)控產(chǎn)品外部的溫度。轉(zhuǎn)臺控制及算法解算部分與靜態(tài)及動態(tài)線程配合完成整個測試。

3.1 靜態(tài)測試

靜態(tài)測試控制轉(zhuǎn)臺外框，中框，內(nèi)框到對應(yīng)的位置，并可以軟件設(shè)置脈沖計數(shù)周期，主要流程圖如圖3所示。靜態(tài)測試轉(zhuǎn)臺有六個位置點[15]，程序先判斷測試的是哪個位置，根據(jù)不同的位置，給轉(zhuǎn)臺下發(fā)不同的位置指令，然后根據(jù)轉(zhuǎn)臺返回的數(shù)據(jù)判斷轉(zhuǎn)臺是否轉(zhuǎn)到位置，如果轉(zhuǎn)到指定位置，就復位RS422板卡，對RS422板卡寫設(shè)置計數(shù)周期數(shù)據(jù)，脈沖計數(shù)卡會接收RS422板卡的指令，計數(shù)相應(yīng)周期的脈沖，等到設(shè)定的周期到了以后，RS422板卡接收脈沖計數(shù)卡傳上來的脈沖數(shù)據(jù)，脈沖數(shù)據(jù)包括6路，分別為加速度計和陀螺的X、Y、Z方向的脈沖和。算法處理部分根據(jù)收到的脈沖和算出相關(guān)的標定因數(shù)，其中包括加速度計的非線性，非正交性及陀螺零偏因數(shù)。程序把解算后的數(shù)據(jù)顯示到主界面上，靜態(tài)測試線程結(jié)束。

圖3 靜態(tài)測試流程圖

3.2 動態(tài)測試

動態(tài)測試中框內(nèi)框有3個位置點，中框內(nèi)框固定在某一位置，外框按設(shè)定的速率轉(zhuǎn)動。動態(tài)測試與靜態(tài)測試有個不同的地方，靜態(tài)測試的周期由422板卡下發(fā)給脈沖計數(shù)卡，而動態(tài)測試轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)一圈的時間由脈沖計數(shù)卡采集轉(zhuǎn)臺的周脈沖實現(xiàn)，轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出一個周脈沖，根據(jù)采集到的兩次周脈沖的時間間隔確定轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)一圈所用的精確時間。動態(tài)主要流程圖如圖4所示：動態(tài)測試是否到位，如果沒有到位就結(jié)束動態(tài)測試程序，如果到正確位置，先復位422板卡，然后下發(fā)轉(zhuǎn)臺速率指令；再判斷轉(zhuǎn)臺外框轉(zhuǎn)動速率是否到位[16]。如果速率到達指定速率就開始動態(tài)測試脈沖計數(shù)，根據(jù)收到的脈沖數(shù)解算陀螺的刻度因數(shù)誤差，并顯示收到的脈沖數(shù)及解算的標定因數(shù)。測完一個速率點再判斷是否所有速率點都測完，如果沒有測完，再發(fā)送下一個轉(zhuǎn)臺速率點給轉(zhuǎn)臺，開始下個速率點的測試。測完所有的速率點后，在根據(jù)所有速率點的測試數(shù)據(jù)算出最終測試數(shù)據(jù)。然后存儲數(shù)據(jù)退出測試流程。

3.3 測試數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的存儲和讀取擬采用CStdioFile類的控制中框及內(nèi)框到正確的位置，先判斷轉(zhuǎn)臺WriteString（）和ReadString（）等成員函數(shù)封裝成適用于各項測試數(shù)據(jù)保存格式的文檔讀寫函數(shù)，方便每次測試結(jié)束后的數(shù)據(jù)存儲，以及測試過程中對已有文檔中數(shù)據(jù)的讀取。生成Excel測試報表需要對Microsoft.Off ice.Core和Microsoft.Office.Interop.Excel這兩個Microsoft.office進行二次封閉，生成ExcelOperation類庫，簡化對excel表格的操作過程。類庫主要有構(gòu)造函數(shù) ExcelOpera-tionCC（），打開函數(shù)Open（），寫入函數(shù)Write（）和關(guān)閉函數(shù)Close（）。與標定算法相關(guān)的函數(shù)封裝成一個名為CPublic的類。該類中主要函數(shù)如下：

CalcDynamicInfo（int nCnt，int CurrPos）是計算動態(tài)測試數(shù)據(jù)的函數(shù)，CalcStaticInfo（int nCnt，int CurrPos）；是計算靜態(tài)測試數(shù)據(jù)的函數(shù)；Thread_StaProc（LPVOID lParam）是靜態(tài)線程的主函數(shù)；Thread_DycProc（LPVOID lParam）；是動態(tài)測試線程的主函數(shù)；Thread_Tempra（LPVOID lParam）；是溫度監(jiān)控線程函數(shù)，通過該類中的函數(shù)實現(xiàn)了軟件的最主要的功能。

圖4 動態(tài)測試流程

4 結(jié)論

對本系統(tǒng)對慣測組件各路脈沖計數(shù)的結(jié)果與相同產(chǎn)品在原有測控設(shè)備上各路脈沖數(shù)做對比，本系統(tǒng)脈沖計數(shù)誤差在正常范圍內(nèi)，滿足測試精度要求，并能夠正確算出加速度計和陀螺的各項標定因數(shù)。本系統(tǒng)比起傳統(tǒng)設(shè)備有更高的測試精度，測試效率也有很大提高，可以滿足多種型號被測產(chǎn)品的

不同測試要求，軟件也具有更好的通用性，操作簡單方便，能實時顯示各路脈沖數(shù)及標定后的參數(shù)以及數(shù)據(jù)實時存儲。經(jīng)過長時間的測試證明該系統(tǒng)軟件及硬件可以穩(wěn)定可靠運行。

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