基于功能的慣性平臺(tái)機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù)

邵伯川，侯書銘，姜 偉

(第二炮兵工程大學(xué) 304 室，西安 710025)

慣性平臺(tái)系統(tǒng)是很多飛行器的主要導(dǎo)航設(shè)備，它負(fù)責(zé)測(cè)量載體的姿態(tài)信息和視加速度。作為一種高精密的機(jī)電一體化設(shè)備，其測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)操作人員的要求高，測(cè)試效率不高。近些年發(fā)展起來(lái)的基于PXI，VXI 等的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備雖然在一定程度上減少了對(duì)人員的要求，提高了測(cè)試效率，但它不能滿足為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力。機(jī)內(nèi)測(cè)試是目前復(fù)雜系統(tǒng)測(cè)試發(fā)展的一個(gè)重要方向，它能使系統(tǒng)擺脫復(fù)雜的外部測(cè)試設(shè)備并提供系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。如何充分利用平臺(tái)自身所能提供的信息，添加少量的軟硬件，使其具有自檢測(cè)能力，是擺脫復(fù)雜測(cè)試設(shè)備并解決測(cè)量成本和測(cè)量時(shí)間矛盾的一個(gè)重要的研究方向［1］。

1 平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)原理

平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)主要由穩(wěn)定平臺(tái)、框架、安放在平臺(tái)上的加速度計(jì)和框架軸上的角度傳感器構(gòu)成。穩(wěn)定平臺(tái)是通過(guò)慣性測(cè)量角度傳感器構(gòu)成。穩(wěn)定平臺(tái)是通過(guò)慣性測(cè)量元件和穩(wěn)定控制回路，使平臺(tái)臺(tái)體與外部相對(duì)隔離、使其方位保持在慣性空間中不變或按一定的規(guī)律改變。加速度計(jì)通過(guò)內(nèi)部敏感器件和外圍電路把在平臺(tái)臺(tái)體個(gè)方向的加速度轉(zhuǎn)換成電量。角度傳感器測(cè)量各軸相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，通過(guò)變換獲得載體的姿態(tài)信息。

2 測(cè)試需求及原則

測(cè)試的目的主要是完成平臺(tái)各項(xiàng)功能的故障診斷，主要包括各項(xiàng)功能測(cè)試和精度測(cè)試內(nèi)容。其具體的項(xiàng)目包括電源電壓和頻率測(cè)試、測(cè)溫電阻阻值檢查、電流測(cè)試、框架角傳感器輸出檢查、回路功能檢查、開關(guān)量測(cè)試、陀螺漂移測(cè)試、加速度計(jì)參數(shù)測(cè)試等。

根據(jù)機(jī)內(nèi)測(cè)試的要求，要充分利用系統(tǒng)本身所能提供的信息，力求簡(jiǎn)潔，即無(wú)附加零零部件或盡量少零件的情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)測(cè)試［1］，并考慮增加部件自身的測(cè)試和使增加部分對(duì)原系統(tǒng)的影響降到最小。

3 測(cè)試原理

3.1 穩(wěn)定回路測(cè)試分析

平臺(tái)穩(wěn)定回路工作原理如圖1 所示，當(dāng)平臺(tái)受到干擾力矩Mf的時(shí)候，臺(tái)體以角速度α 轉(zhuǎn)動(dòng)，陀螺儀敏感到角速度α，并輸出與角速度成比例的信號(hào)，經(jīng)濾波整形后送給前置放大器變成直流電壓，在經(jīng)前置放大、校正網(wǎng)絡(luò)、功率放大等環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)框架力矩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)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(tái)穩(wěn)定在慣性空間。平臺(tái)還具有修正回路的工作模式，具體的原理是給平臺(tái)一個(gè)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(guò)穩(wěn)定回路，平臺(tái)臺(tái)體將以一定的角速度跟蹤指令角速度。

圖1 穩(wěn)定回路工作原理

在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，由于慣性器件需要一定的加溫時(shí)間，在未穩(wěn)定之前加入回路會(huì)使回路不穩(wěn)定甚至損壞慣性器件，在圖1 中的位置2 加一個(gè)繼電器開關(guān)來(lái)保證陀螺啟動(dòng)好后才閉合回路。在加溫完成之前，把位置2 作為輸入點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)，多極旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出作為響應(yīng)，建立正常狀態(tài)下的輸入輸出表征函數(shù)，通過(guò)不同的激勵(lì)信號(hào)可以檢測(cè)系統(tǒng)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(dòng)，通過(guò)測(cè)量陀螺轉(zhuǎn)子電機(jī)的電流來(lái)判斷陀螺好壞?；芈贩€(wěn)定后，對(duì)陀螺力矩電機(jī)施加指令角速度電流，通過(guò)框架角輸出量作為觀測(cè)量判斷修正功能是否正常。若正常，則轉(zhuǎn)入精度測(cè)試。

3.2 精度測(cè)試分析

平臺(tái)系統(tǒng)的精度主要指陀螺漂移、加速度計(jì)零位和脈沖當(dāng)量等的測(cè)試。由于不利用外部轉(zhuǎn)臺(tái)，無(wú)法提供精密的基準(zhǔn)，我們考慮利用內(nèi)部傳感器的解析冗余關(guān)系來(lái)驗(yàn)證慣性器件的精度。

三軸平臺(tái)系統(tǒng)中加速度計(jì)的精度要高于陀螺儀，我們通過(guò)用加速度計(jì)信息來(lái)調(diào)平，框架角的輸出信息鎖定，把平臺(tái)鎖定到一定的位置上進(jìn)行陀螺儀誤差系數(shù)的標(biāo)定。引起平臺(tái)漂移的主要原因是陀螺儀輸出軸上的干擾力矩所導(dǎo)致的陀螺儀漂移。陀螺的漂移通過(guò)伺服回路的作用，使框架力矩電機(jī)產(chǎn)生不穩(wěn)定力矩而導(dǎo)致平臺(tái)臺(tái)體相對(duì)于框架軸產(chǎn)生角運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)平臺(tái)靜基座條件下的測(cè)試，實(shí)際上是確定陀螺儀的漂移系數(shù)。

在重力場(chǎng)中，若忽略二次項(xiàng)，則陀螺儀在靜態(tài)位置的輸出模型可簡(jiǎn)化為

其中:WP是陀螺輸出角速度;K0為零次項(xiàng)漂移;K11、K12分別為沿陀螺儀輸入軸和輸出軸的一次項(xiàng)漂移系數(shù);g1、g2分別是當(dāng)?shù)刂亓ρ赝勇葺斎胼敵鲚S上的分量;Ω 為測(cè)試點(diǎn)地速沿陀螺輸入軸上的分量。

在機(jī)內(nèi)測(cè)試時(shí)，由于不借助外部轉(zhuǎn)臺(tái)，我們采用力矩反饋法閉環(huán)測(cè)漂的方法對(duì)平臺(tái)漂移量進(jìn)行測(cè)試。具體的原理為:給陀螺力矩器施加一個(gè)指令角速度Ws，當(dāng)力矩器產(chǎn)生的力矩與干擾力矩MT平衡時(shí)，陀螺儀輸出為零。

指令角速度Ws與輸入電流的關(guān)系:

其中:KT為陀螺儀力矩系數(shù);IT為輸入電流;H 為陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于當(dāng)?shù)氐牡厮偈且阎?，只要找到陀螺輸入軸方向同地理北向的夾角，經(jīng)過(guò)多位置的轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以獲得多個(gè)類似方程(1)的式子，很容易解得各個(gè)誤差項(xiàng)的系數(shù)［2］。

加速度計(jì)的測(cè)試原理與陀螺儀類似，多采用正負(fù)倒置的方法，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度由框架角傳感器提供。

4 測(cè)試方案與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)測(cè)試需求及原理的分析，系統(tǒng)要完成的是要想完成平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)的自測(cè)試必須給平臺(tái)引入MCU 來(lái)控制激勵(lì)、采集和分析來(lái)完成測(cè)試任務(wù)。某單軸液浮陀螺構(gòu)成的三軸平臺(tái)的測(cè)試方案如圖2 所示。

圖2 測(cè)試方案

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

4.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)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(jié)構(gòu)，DSP 選用TMS320F28335 是TI 公司的32 位浮點(diǎn)型控制專用數(shù)字信號(hào)處理器，具有運(yùn)算速度快、低功耗等特點(diǎn)，主要完成信號(hào)處理和控制信號(hào)的產(chǎn)生。FPGA 模塊采用Altera 公司生產(chǎn)的Cyclone III 系列中的EP3C25 芯片，主要完成外圍信號(hào)的獲取，如加速度計(jì)的脈沖計(jì)數(shù)，PWM 調(diào)寬波形的產(chǎn)生，框架角信息的獲取、與外部總線的接口設(shè)計(jì)。

為保證測(cè)溫電阻值的高精度測(cè)量，電阻值采用恒流激勵(lì)測(cè)電壓的方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，并利用四線接法。為了保證系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)中內(nèi)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值來(lái)判斷測(cè)量系統(tǒng)的精度。AD 采用回采基準(zhǔn)源電壓的方式來(lái)完成自檢。進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試的過(guò)程中，測(cè)溫電阻的值通過(guò)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(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。

陀螺的施矩利用由FPGA 產(chǎn)生的調(diào)寬脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于FPGA 輸出的電壓較小，加放大驅(qū)動(dòng)后送入極性開關(guān)，通過(guò)兩對(duì)極性開關(guān)的開合來(lái)完成對(duì)力矩器的正反施矩。開關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間是影響精度的另一個(gè)原因，其轉(zhuǎn)換時(shí)間將影響到施矩電流脈沖邊沿的波形，因此要盡量選擇導(dǎo)通和閉合時(shí)間短，漏電流小的極性開關(guān)。由于對(duì)施矩電流的要求很高，采用LM339 產(chǎn)生穩(wěn)壓基準(zhǔn)，利用低漂移的放大器AD8510 組成雙反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證電流的高精度和高穩(wěn)定性。

4.3 系統(tǒng)軟件與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成包括信號(hào)采集、控制算法、數(shù)據(jù)的分析計(jì)算、故障診斷及與外部總線接口等。根據(jù)測(cè)試要求，利用Verilog 和C 語(yǔ)言分別完成了PFGA 和DSP 的相關(guān)程序，其軟件設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)原理

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)測(cè)試復(fù)雜，在認(rèn)真分析系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)內(nèi)測(cè)試原則設(shè)計(jì)了本測(cè)試方案。系統(tǒng)添加的DSP+FPGA 利用了導(dǎo)航裝置的配置［5］，通過(guò)擴(kuò)展，還可以完成系統(tǒng)的邊界掃描測(cè)試控制器的設(shè)計(jì)，拖過(guò)精確地激勵(lì)電流還可以完成平臺(tái)的自對(duì)準(zhǔn)工作［6-7］，且添加部分都設(shè)計(jì)了自檢測(cè)能力，因此這個(gè)機(jī)內(nèi)測(cè)試設(shè)計(jì)符合BIT 技術(shù)的要求，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］陳光軍，趙大煒，任章.慣性儀表自檢測(cè)技術(shù)研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2003(4):23-25.

［2］秦永元.慣性導(dǎo)航技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［3］邱曉天，呂克洪，張豐言.某陀螺地平儀自檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，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(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(24):60-62.

［5］楊侃.基于DSP 和FPGA 的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2009.

［6］楊華波，蔡洪，張士峰，李華濱.高精度慣性平臺(tái)連續(xù)自標(biāo)定自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)［J］.宇航學(xué)報(bào)，2006，27(4):600-605.

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