搖擺臺運動特性校準技術研究

楊華 曾驍

摘 要：本文以多自由度搖擺試驗系統為研究對象，通過研究其工作原理，研究實現以多自由度搖擺試驗系統的角位置參數、角速率參數校準，以及目標信號模擬器的位置參數的校準方法，并開發基于VC++軟件平臺的半實物仿真系統現場校準軟件，采用無線通訊技術，實現半實物仿真系統的校準數據無線傳輸到上位機上進行數據處理，最終實現半實物仿真三軸轉臺的自動化校準。

關鍵詞：轉臺;角位置;角速率;目標信號模擬器

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0048-02

0 引言

多自由度運動平臺是綜合控制技術、傳感器檢測技術、計算機技術和機械技術等多種科學技術為一體的綜合性仿真和測試設備，搖擺試驗系統作為多自由度運動平臺中的主要設備，可模擬出各種空間運動姿態，廣泛應用到各種模擬器的試驗中去，主要用來模擬飛行器、艦船、車輛的運動姿態，如飛行模擬試驗、艦船模擬試驗、直升機升降模擬試驗、戰車模擬試驗、空間宇宙飛船模擬試驗及路面模擬試驗，還可實現多自由度的運動仿真，其性能的優劣直接關系到試驗結果的可靠性。按照驅動軸系可分為單軸、三軸、六自由度搖擺試驗系統。

目前，搖擺試驗系統大多數無測試信號輸出端，動態指標校準一直是搖擺試驗系統的校準瓶頸，現場校準多進行靜態指標的校準，而動態技術指標采用制造商的反饋軟件進行校準，而反饋軟件的測試信號不能真實的反饋搖擺試驗系統的實際運動狀態，在高頻搖擺狀態下失真較大，其可信度就降低了。這樣校準存在一定的缺陷：（1）靜態校準而動態使用，校準狀態與實際使用狀態有很大區別。校準是采用靜態校準，而使用是動態使用，存在“靜標動用”的問題，校準狀態和使用狀態不一致，從而導致量值失真，在進行型號模擬試驗時存在一定的風險;（2）在試驗過程中，試驗系統自身并不能保證系統的反饋與搖擺試驗系統的真實技術指標完全吻合，這就需要對整個試驗系統進行校準，并根據校準結果控制參數進行修正，真正模擬型號系統的試驗狀態。因此，為保障搖擺試驗系統測試數據的準確可靠，專門對該系統提出了現場、在線、綜合校準的需求。

1 多自由度運動平臺的結構和工作原理

多自由度運動平臺以搖擺試驗系統為主，由工控機、控制軟件、伺服機構、反饋單元、工作臺等組成。其結構如圖1所示。

搖擺試驗系統中工控機提供人機對話界面，當設定某一試驗狀態，將通過工控機將控制指令發送給控制軟軟件，控制軟件通過計算，將控制指令轉換為某自由度的位移量，并將位移量的傳輸給該自由度的伺服機構，控制工作臺移動相應的位移，反饋單元實時反饋位移的移動量，當移動量達到設定位置時，控制軟件將停止指令傳輸給伺服機構使工作臺停止運動，完成設定的該試驗狀態。

2 多自由度運動平臺的校準

本文以搖擺試驗系統為研究對象，校準裝置主要由四部分組成：

（1）線加速度的校準，擬采用振動加速度測量系統再加工必要的工裝組成線加速度校準系統，實現對搖擺試驗系統加速度的校準。

（2）線位移參數的校準，采用激光干涉儀、激光跟蹤儀再加工必要的工裝組成線位移校準系統，實現對搖擺試驗系統線位移的校準。

（3）角位移參數的校準，采用激光跟蹤儀和高精度測角元件來滿足不同的校準環境，通過相應的數據采集分析電路組成高精度動態角度校準系統，實現對搖擺試驗系統的角位置、角速度及角加速度的校準。

（4）時頻信號參數的校準，擬采用激光跟蹤儀自帶的時鐘信號和測角系統自帶的高穩晶振組成時頻信號校準系統，實現對搖擺試驗系統時頻信號的校準。通過對時頻信號結合工作臺面的位置分析，實現對波形失真度的校準。

2.1 加速度的校準

線加速度校準擬采用我所原有的BK振動測試系統，添加必要的低頻振動加速度傳感器實現對搖擺試驗系統的線加速度的校準。新購5個低頻振動加速度傳感器，可以實現搖擺試驗系統橫向振動比、線加速度均勻性的校準。

2.2 線位移參數的校準

搖擺試驗系統對型號進行位移或振幅測試時，主要是通過對搖擺試驗系統施加設定的加速度值和線位移幅值，并依據被測型號的實際反饋來判定其是否達到設計要求，是測試系統重要的技術指標之一。因此，需研究校準方法，編制校準軟件，實現線位移參數的校準，校準框圖如圖2所示。

搖擺試驗系統工控機和伺服控制系統輸出線位移加載信號，由工作臺轉化為實際線位移輸出，通過連接工裝將實際產生的線位移傳遞給激光跟蹤儀和加速度計，經數據采集分析裝置處理后，與工作臺輸出的實際位移和加速度比較，完成校準。

2.3 角位移參數的校準

搖擺試驗系統在進行測試時，工作臺的角位置、角速度、角加速度是十分重要的參數，是評價導引頭、慣性部件性能的重要依據。因此，為確保測試系統所測數據的真實性，應該對搖擺試驗系統的角參數進行在線、動態校準，被校準對象為搖擺試驗系統，如圖3所示。

測角裝置是搖擺試驗系統校準的關鍵，它的結構和技術指標對整套校準裝置有著直接的影響。角位移測量裝置主要有兩種方式，高精度測角時則采用由：一是測角元件、二是細分盒、三是計數接口組成的測角裝置，低精度時采用激光跟蹤儀進行角位置的校準。

搖擺試驗系統高精度角位置校準裝置，主要由測角裝置、時基電路、校準工裝、數據采集和處理系統、數據測試分析軟件等部分組成，它通過工裝安裝到工作臺上與工作臺隨動，當工作臺轉動時，時基電路立即開始計時，同時測角裝置實時記錄搖擺角度，通過數據采集與處理系統記錄和分析數據，得到角位置、角速度和角加速度的技術指標，再通過與系統參數指標進行比較，實現對搖擺試驗系統角位置參數的校準。

搖擺試驗系統低精度角位置校準裝置，主要由激光跟蹤儀、數據處理系統和分析軟件組成，它通過工裝安裝到工作臺上與工作臺隨動，當工作臺轉動時，時基電路立即開始計時，同時測角裝置實時記錄搖擺角度，通過數據采集與處理系統記錄和分析數據，得到角位置、角速度和角加速度的技術指標，再通過與系統參數指標進行比較，實現對搖擺試驗系統角位置參數的校準。

2.4 時頻信號的校準

GJB150.23軍用設備環境試驗方法傾斜和搖擺試驗對搖擺周期提出了明確的技術要求，由于其搖擺頻率不高，目前在校準時多采用秒表進行校準，校準誤差較大，可信度不高。本項目擬研制包含晶振和相應外圍電路構成時頻信號校準系統，對搖擺試驗系統時頻信號進行校準，從而實現對搖擺試驗系統搖擺周期的校準。

3 校準裝置的組建

本項目擬采用NI公司的編程平臺，設計組建適用于搖擺試驗系統現場校準的專用校準裝置。校準裝置主要包括高精度線位移校準裝置、角位移校準裝置、頻率校準裝置等設備及相應的數據控制、采集分析系統以及相應的校準軟件。

依據試驗大綱及相關標準的試驗要求，以及試驗系統技術指標，本項目研建的校準裝置將具備以下功能和特點：

（1）具有波形失真度的校準功能;（2）具有動、靜態線加速度、角線位移的校準功能;（3）具有動、靜態角位置、角速率、角加速度的校準功能;（4）具有多個采集通道，實時多參數采集記錄功能，以保證校準結果的準確性和采集數據的完整性;（5）具有集成化程度高、攜帶方便的特點。

4 校準軟件的編制

由于搖擺試驗系統現場校準裝置中，大部分校準工作均需編制相應校準軟件分析計算出結果，與搖擺試驗系統測量數據進行比較完成校準，這對校準軟件的實用及可靠性提出較高要求。另外，隨著被校搖擺試驗系統需校準參數有增多趨勢，因此該軟件還應具備再開發功能，同時保證擴展及移植性較好，以確保及時滿足校準需求。

本項目擬采用基于美國NI公司的LabVIEW軟件平臺研發搖擺試驗系統現場校準軟件。該軟件平臺為虛擬儀器平臺，即通過軟件的編寫，實現對硬件功能的控制，可在有限的硬件上實現更多的擴展功能，且后續開發方便，可持續使用率高，可滿足本項目對校準軟件編制的需求。

5 結語

本文以搖擺臺為研究對象，研究多自由度運動平臺的校準方法，并開發LabVIEW軟件平臺研發多自由度運動平臺現場校準軟件，采用無線通訊技術，實現半實物仿真系統的校準數據無線傳輸到上位機上進行數據處理，最終實現半實物仿真三軸轉臺的自動化校準。

參考文獻

[1] 孟士超，李彥征，等.慣性平臺姿態在高精度搖擺臺上的標校方法[J].中國慣性技術學報，2009（04）：56-58.

[2] 曹利.轉臺校準系統的研制[J].計量技術，2004（12）：98-100.