基于任務的微機電慣性系統規模化測試技術研究

信光成，蘇長青，熊志偉，李 豐，丁德甫，黃 琛

(九江精密測試技術研究所，九江 332000)

0 引言

微機電慣性系統在尺寸、質量、功耗、環境適應性等方面具備傳統慣性系統無可比擬的優勢。隨著微慣性技術的發展和無人機、智能彈藥等實戰裝備應用需求的不斷提升，微機電慣性系統應用領域不斷擴展，用量持續增長，傳統的慣性測試模式受測試周期長、測試效率低、測試成本高等弊端的影響，已經無法滿足微機電慣性系統的大規模應用帶來的測試需求。

基于任務的微機電慣性系統規模化測試技術，是將慣性測試技術、并行測試技術、飛行仿真技術、復合環境模擬技術、自動化測試技術等進行交叉與融合。它將原來的微機電慣性系統串行、靜態、半自動測試提升到了并行、動態、復合環境、全自動化測試，并在此基礎上形成了一整套微機電慣性系統開放式測試體系，包括硬件、軟件、接口、測試程序等，形成了微機電慣性系統測試全過程、一站式服務。

1 研究現狀

慣性測試方法貫穿于慣性系統研制生產始末，直接關系到導航和制導的精度,意義重大，牽涉多個專業技術領域,難度頗大，世界各大國均將其作為高新關鍵技術堅持不懈地努力攻關[1]。

2010年美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)啟動了定位、導航和授時微技術(Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing，Micro-PNT)項目(見圖1)，總體目標是突破微陀螺技術(零偏穩定性優于0.01(°)/h，動態范圍15000(°)/s)，并在微尺度上進行系統集成，形成體積約8mm3、質量約2g、功耗低于1W的微型自主定位導航授時系統[2-4]。2016年3月，美國DARPA微系統技術辦公室選定諾格公司開發的基于微機電系統(Micro-Electro-Mech-anical System，MEMS)的新一代慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)，旨在通過集成先進的MEMS慣性傳感器，開發低成本、小尺寸、低功耗的小型化導航級IMU。與之前相比較，該IMU更輕、更小，而且還可用于全球定位系統(Global Positioning System，GPS)拒止和高對抗環境[5-7]。以上2個項目都明確將微機電慣性系統測試作為單獨的研究內容進行重點攻關[8-9]。

圖1 微PNT概念圖Fig.1 Schematic of micro PNT

在測試體系方面，美國NxTest體系結構是信息共享和交互的結構,能夠滿足測試系統內部各組件間、不同測試系統之間、測試系統與外部環境間、被測對象間信息的共享與無縫交互，便于形成并行測試。這個方面，美國的試驗與訓練使能體系結構(Test and Training Enabling Architecture，TENA)系統比較先進。它是美軍在高層體系結構(High Level Architecture，HLA)的基礎上提出的, 并且對其進一步擴展, 提供了更多特定的功能來滿足試驗與訓練的需要，其目的是滿足未來試驗與訓練領域的更廣泛的需求。TENA被設計使用大規模、分布式的、實時的綜合環境來進行遠程試驗和仿真, 包括完整的試驗、訓練、仿真和高性能計算技術, 使得分布在不同地區的設備能夠統一使用一個體系架構來進行資源的共享和管理[10]。美國空軍關注作戰環境與測試的關系，提出了基于能力的試驗和評估(Capabilities-Based Test and Evaluation，CBTE)，將作戰能力與測試緊密聯系起來，確保測試來源于作戰環境[11]，這些為基于任務的測試體系建立進行了有意義的嘗試。

在微機電慣性系統規模化測試方面，國外研究的熱點主要研究集中在并行測試、復合環境測試與全測試流程的解決方案。

ACUTRONIC公司為Kongsberg公司運動參考單元(Motion Reference Unit，MRU)研制的規模化生產測試系統，可以實現批量MRU角速度、角加速度、線加速度、溫度激勵與測試。澳大利亞Sensor Dynamics AG公司在其生產慣性MEMS器件的過程中也采用了批量測試技術與設備，可以對批量微機電慣性系統進行測試、標定與溫度補償，提高了生產效率。芬蘭AFORE公司開發了APOLLON系列產品，主要由溫箱、雙軸轉臺、測試機以及數據處理軟件組成，可以實現微機電慣性器件、微機電慣性系統全天候(24/7)規模化測試，形成一站式測試解決方案。意大利SPEA公司，專門針對微機電慣性傳感器批量測試研制的TestCells，可以實現33000片/h的測試速率，大幅提高了微慣性器件測試效率。德國Multi-test公司的InGyro產品，不僅可以進行微機電慣性器件批量測試，而且實現了批量測試六軸(三軸陀螺、三軸加速度計)、九軸(三軸陀螺、三軸加速度計、三軸磁強計)慣性測量單元能力。

以上分析可以看出，國外憑借完備的測試體系與先進的測試技術，已經在微機電慣性系統測試領域實現了批量自動化測試，其測試設備、測試方法與數據處理的完美結合，實現了微機電慣性系統規模化測試一站式解決方案，大幅提高了微機電慣性系統規模化制造效率。

國內微機電慣性系統測試主要是微機電慣性系統研制生產單位在傳統慣性測試系統的基礎上進行了初步的適應性改進。一方面，由于缺乏專業的微機電慣性系統測試解決方案供應；另一方面，由于缺乏對微機電慣性系統測試體系的深入研究，在測試效率、測試成本方面與國外還存在較大差距。國外典型微機電慣性系統測試解決方案如表1所示。

表1 國外典型微機電慣性系統測試解決方案

2 發展趨勢

基于任務的微機電慣性系統規模化測試技術，采用批量、并行、自動化測試理念，在并行測試程序的控制下同時對多個被測對象進行測試。相比傳統慣性系統串行測試技術, 它以測試任務為中心，通過對系統資源的優化利用，可以大幅度提高測試效率及測試質量, 提高測試資源利用率, 降低整個裝備測試成本。目前，主要的發展趨勢如下[12]：

(1)先進、完善的測試體系

根據常用的實際測試，需要定義一個標準化的核心標準測試體系, 針對不同型號產品和不同地點的實際測試系統都基于該核心測試體系進行測試。一方面, 該核心測試體系應該可以通過軟件編程自定義其實際功能; 另一方面, 核心測試體系還需具有針對具體應用進行擴展的能力。考慮到這兩方面因素, 核心測試體系最理想的表現形式是基于任務的模塊化軟硬件平臺。

(2)多通道測試

微慣性技術變革已經對慣性測試行業產生巨大影響, 其中2個關鍵技術趨勢尤為突出, 其一是規模化制造技術,其二是高效率測試技術。這2個技術趨勢都要求微機電慣性系統能夠實現并行測試, 這就需要可配置的多通道測試系統。這樣的系統可以在同一設備上并行測試多個被測試件和多個測試項目。

(3)高速傳輸與計算

隨著測試需求的日益復雜和數據量的增長, 批量并行自動化測試系統需要更強的處理能力, 高速傳輸與計算能力應具有高吞吐量點對點拓撲結構、低延遲、能夠提供用戶自定義處理節點這三大特性。

(4)實時測試

實時測試提高了測試的穩定性和可靠性。一個典型的實時測試是硬件在回路測試,在微機電慣性系統測試項目中包括各種形式的設計仿真、驗證以及系統測試, 常常涉及各種工具之間的轉換。如果在開發和測試過程中可以重復利用模型和其他組件將顯著提升產品開發效率。實時測試軟件就提供了這種可重復使用模型和測試任務的能力, 包括需求跟蹤、激勵模型、測試順序以及分析程序, 貫穿整個產品設計流程。除了提高效率、降低成本, 在設計流程的所有階段使用相同測試軟件還可以最大程度保證從最初的產品定義到最終系統測試的連續性與一致性，最大限度降低事后處理帶來的各種弊端。

(5)可重復配的測試儀器

新一代測試系統要求軟件、硬件均應具有可重復配置能力，體現其靈活性及可自定義等特性。研發工程師和測試工程師均可以將自己的測試方法部署到測試儀器中所嵌入的處理器上,隨時完成被測件的測試。

3 測試體系

慣性測試方法，核心就是研究選用合理的測試設備及其組合，對慣性系統進行測試，并對測試數據進行分析處理，得到正確的測試結果。通常情況下，測試方法應該涵蓋三大基本功能，即：信號的測量與控制、數據的分析與處理，測試結果的計算與輸出。

基于任務的微機電慣性系統規模化測試技術的目的是進一步提高自動測試系統的結構通用性、設計復用性、儀器互換性、軟件移植性和系統之間的互操作性, 提升測試裝備資源的利用率, 關鍵在于對自動化測試系統的體系結構進行深入的研究, 構建一種通用的、標準的測試體系結構。

基于任務的測試體系結構(見圖2)主要包括：測試設備、測試程序集和測試程序開發環境3個部分的開放式體系結構。其中測試程序集包括測試軟件、接口適配器、測試文檔3個部分。所謂開放式體系結構，就是以測試需求為導向，根據測試需求，在測試環境下開發測試軟件、編寫測試腳本、選擇測試設備、分選測試接口，最后在軟件與硬件的配合下，自動化完成測試。

圖2 基于任務的微機電慣性系統測試體系Fig.2 Task-based MEMS inertial system testing system

4 測試解決方案

某批次微機電慣性系統，在完成基本的組裝和電氣調試以后，需要進行標定、溫度補償、飛行仿真試驗。根據基于任務的微機電慣性系統規模化測試技術要求，以測試任務為中心，搭建批量測試體系，技術方案如下。

4.1 測試設備

測試設備部分，主要是將傳統慣性測試用的轉臺、溫箱、數據采集設備等進行集成優化，集成為一套系統。同時根據微機電慣性系統的特點研究設計一種合理的工裝，方便批量被測試件的安裝與供電。

在環境模擬方面，采用U-T型雙軸轉臺，內框安裝溫控箱，一方面保證批量被測試系統便于安裝；另一方確保被測試系統得到有效的運動激勵和溫度激勵。

多路數據采集方面，采用對采集的通道數據進行標簽標號的方法，保證采集數據的通道正確，然后利用FIFO緩沖隊列的方式將數據進行緩沖存儲(見圖3)。

圖3 多路數據采集方式Fig.3 Multichannel data acquisition

硬件采用ARM+FPGA的方式進行微機電慣性系統的數據采集和傳輸，數據采集單元可同時進行多路微機電慣性系統的信號采集，采集后的數據通過并行總線發送給ARM處理器，數據打包處理后通過以太網接口傳輸給上位機，如圖4所示。

圖4 數據采集板功能框圖Fig.4 Functional block diagram of data acquisition board

4.2 測試方法

從微機電慣性系統的原理、組成結構、信號輸出形式、誤差特性等方面入手，建立合理的微機電慣性系統誤差數學模型，作為批量測試的基礎。微機電慣性系統精度較低，采用傳統的測試方法，測試設備必須對北、調平，嚴重影響了微機電慣性系統的測試效率。因此，這里研究探索了一種免對北調平的批量測試方法[13-17]。

根據對微機電慣性系統誤差特性的分析，建立如下誤差數學模型：

(1)

其中：NGi為陀螺i的輸出；KGi為陀螺i的標度因數；D0i為陀螺i的零偏；Dxi、Dyi、Dzi為由Ax、Ay、Az引起的與加速度有關的誤差系數；cos(Gi,X)、cos(Gi,Y)、cos(Gi,Z)為陀螺敏感軸與組合坐標系各軸的方向余弦；NAi為加速度計的輸出；KAi為加速度計的標度因數；K0i為加速度計的零偏；cos(Ai,X)、cos(Ai,Y)、cos(Ai,Z)為加速度計敏感軸與組合坐標系各軸的方向余弦。

根據所建立的誤差數學模型，采用六位置二十四點法，將微慣性測量單元的3個正交坐標軸分別朝上和朝下進行東、西、南、北4個位置的實驗以及不同輸入角速度的速率實驗。

圖5 基于正交坐標系的批量安裝夾具Fig.5 Batch install fixtures based on orthogonal coordinate system

將慣性微系統的X、Y、Z三軸分別向上、向下共六位置繞鉛垂線東、南、西、北轉1圈作為4點采樣以求其均值(6位置24點)。對慣性微系統的加速度計而言，記錄加速度計在每個位置的靜態輸出，并記：

N(x+,i)為X軸向上的4點位置輸出；

N(y+,i)為Y軸向上的4點位置輸出；

N(z+,i)為Z軸向上的4點位置輸出；

N(x-,i)為X軸向下的4點位置輸出；

N(y-,i)為Y軸向下的4點位置輸出；

N(z-,i)為Z軸向下的4點位置輸出。

這里，(i=1，2，3，4)。

分別對每個位置的4點求平均，即：

(2)

對慣性MEMS陀螺而言，通過慣性測試設備，在每個位置提供±5(°)/s、±10(°)/s、±20(°)/s、±50(°)/s、±100(°)/s的均勻角速度，記錄陀螺的輸出并對每個數據求均值，并記：

N(x+,k)為X軸在角速率點ωk正轉的均值；

N(x-,k)為X軸在角速率點ωk反轉的均值；

N(y+,k)為Y軸在角速率點ωk正轉的均值；

N(y-,k)為Y軸在角速率點ωk反轉的均值；

N(z+,k)為Z軸在角速率點ωk正轉的均值；

N(z-,k)為Z軸在角速率點ωk反轉的均值。

定義：

(3)

其中，N的前3列為3軸加速度計在6個位置的輸出，后面3列為3軸陀螺在6個位置的輸出。

則單次試驗加速度計標定參數可按照如下進行計算：

設：

(4)

則有：

Ni=AK

(5)

Ni為N中加速度計的第i列。采用最小二乘法，計算K。

式中：

(6)

其中，g為當地重力。

同理，慣性MEMS陀螺標定參數可按照如下進行計算：

計算ωk角速率點上的一次項系數：

(7)

(8)

其中，Ni為N中陀螺部分的第i列。ωie為地球相對慣性系的角速度。

則有

Ni=AD

(9)

采用最小二乘法，可以計算出D。

研究設計批量慣性微系統專用安裝巢板與測試最優路徑，選擇合適的慣性測試設備，進行批量測試。基于最小二乘法對批量慣性微系統輸出數據進行處理，研究開發專用誤差分離軟件，實現數據處理的自動化運行。

采用基于正交坐標系的安裝夾具，采用測試轉臺的位置、速率功能，在保證安裝精度的前提下，可以實現正交安裝矩陣6個面多點的批量慣性微系統激勵信號感應，便于一次性批量標定。首先，設定一個中心位置點的微慣性系統為基準測試目標，將其X、Y、Z三軸按照東、北、天方向放置，然后按照Z軸正向→Z軸負向→Y軸正向→Y軸負向→X軸正向→Z軸負向的測試路徑，分別進行位置測試和速率測試。位置測試，主要是根據慣性微系統的輸出信號，對微機械加速度計的各項誤差系數、微機械陀螺的零偏及其與加速度相關的誤差項系數進行誤差分離。速率測試主要是對微機械陀螺的標度因數以及安裝誤差進行誤差分離。根據研究設計的旋轉正交安裝矩陣，對慣性微系統批量安裝夾具上的安裝點進行分類編號，安裝點數目多，數據量大。為了提高數據處理效率，研究設計了最小二乘誤差分離算法，采用模塊化設計思路編寫數據處理軟件，實現批量、分選誤差分離的目的。

針對溫度、溫度梯度以及溫度變化率對微機電慣性系統性能的影響，設計采用高分辨率溫控設備，對批量慣性微系統進行溫度測試，得到溫度誤差系數，為微機電慣性系統溫度補償做準備。

根據誤差補償原理，建立微機電慣性系統的誤差補償模型如下：

(10)

其中：N為微機電慣性系統的實際輸出；F為微機電慣性系統在溫度作用下的輸出；θ為微機電慣性系統溫度誤差系數。X為溫度矩陣；β為溫度誤差系數矩陣；n為試驗溫度點數；m為溫度誤差模型的階數。

根據測試任務，確定溫度點數n以及溫度點，反復進行試驗驗證，確定β、m，為誤差補償做好準備。

4.3 測試軟件

基于任務的微機電慣性系統規模化測試技術，測試軟件是優化測試體系、實現自動化測試、批量數據處理的關鍵。

通過測試軟件，用戶根據測試要求，選取多個標準測試項目模塊形成測試任務。同時，用戶可對模塊中的測試參數進行調整，測試任務定制完成后，啟動測試。測試系統按照測試任務制定的測試項目順序，依次完成測試項目，在進行每項測試項目時，軟件根據測試項目要求，自動設定轉臺、溫箱、測試裝置控制參數，采集并存儲測試數據，完成數據處理，并將測試結果以數據或圖表的方式發送至對應測試產品的結果匯總表中。

測試軟件采用模塊化設計方法，從下而上搭建完整的測試流程。測試流程由測試項目集合而成，測試項目由測試命令集合而成，測試流程結構如圖6所示。

圖6 測試軟件流程結構Fig.6 Test software process structure

5 結論

本文在分析微機電慣性系統本身特點以及微機電慣性系統測試帶來新挑戰的基礎上，對基于任務的微機電慣性系統規模化測試技術進行了研究，結論如下：

1)微機電慣性系統規模化測試是當今慣性技術的研究熱點；

2)微機電慣性系統規模化測試的發展趨勢是批量、并行、自動化測試；

3)本文以測試任務為中心，構建了微機電慣性系統規模化測試的測試體系，并對技術方案進行了論證；

4)本文的研究成果可以提高微機電慣性系統的測試效率，降低測試成本，進而提高微機電慣性系統的制造效率，為微機電慣性系統的批量應用做好支撐。