搖擺臺運(yùn)動特性校準(zhǔn)技術(shù)研究

楊華 曾驍

摘 要：本文以多自由度搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)為研究對象，通過研究其工作原理，研究實(shí)現(xiàn)以多自由度搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)的角位置參數(shù)、角速率參數(shù)校準(zhǔn)，以及目標(biāo)信號模擬器的位置參數(shù)的校準(zhǔn)方法，并開發(fā)基于VC++軟件平臺的半實(shí)物仿真系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)軟件，采用無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真三軸轉(zhuǎn)臺的自動化校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)臺;角位置;角速率;目標(biāo)信號模擬器

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

0 引言

多自由度運(yùn)動平臺是綜合控制技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)為一體的綜合性仿真和測試設(shè)備，搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)作為多自由度運(yùn)動平臺中的主要設(shè)備，可模擬出各種空間運(yùn)動姿態(tài)，廣泛應(yīng)用到各種模擬器的試驗(yàn)中去，主要用來模擬飛行器、艦船、車輛的運(yùn)動姿態(tài)，如飛行模擬試驗(yàn)、艦船模擬試驗(yàn)、直升機(jī)升降模擬試驗(yàn)、戰(zhàn)車模擬試驗(yàn)、空間宇宙飛船模擬試驗(yàn)及路面模擬試驗(yàn)，還可實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動仿真，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。按照驅(qū)動軸系可分為單軸、三軸、六自由度搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)。

目前，搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)大多數(shù)無測試信號輸出端，動態(tài)指標(biāo)校準(zhǔn)一直是搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)瓶頸，現(xiàn)場校準(zhǔn)多進(jìn)行靜態(tài)指標(biāo)的校準(zhǔn)，而動態(tài)技術(shù)指標(biāo)采用制造商的反饋軟件進(jìn)行校準(zhǔn)，而反饋軟件的測試信號不能真實(shí)的反饋搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)，在高頻搖擺狀態(tài)下失真較大，其可信度就降低了。這樣校準(zhǔn)存在一定的缺陷：（1）靜態(tài)校準(zhǔn)而動態(tài)使用，校準(zhǔn)狀態(tài)與實(shí)際使用狀態(tài)有很大區(qū)別。校準(zhǔn)是采用靜態(tài)校準(zhǔn)，而使用是動態(tài)使用，存在“靜標(biāo)動用”的問題，校準(zhǔn)狀態(tài)和使用狀態(tài)不一致，從而導(dǎo)致量值失真，在進(jìn)行型號模擬試驗(yàn)時(shí)存在一定的風(fēng)險(xiǎn);（2）在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)系統(tǒng)自身并不能保證系統(tǒng)的反饋與搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)的真實(shí)技術(shù)指標(biāo)完全吻合，這就需要對整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，并根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果控制參數(shù)進(jìn)行修正，真正模擬型號系統(tǒng)的試驗(yàn)狀態(tài)。因此，為保障搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，專門對該系統(tǒng)提出了現(xiàn)場、在線、綜合校準(zhǔn)的需求。

1 多自由度運(yùn)動平臺的結(jié)構(gòu)和工作原理

多自由度運(yùn)動平臺以搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)為主，由工控機(jī)、控制軟件、伺服機(jī)構(gòu)、反饋單元、工作臺等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)中工控機(jī)提供人機(jī)對話界面，當(dāng)設(shè)定某一試驗(yàn)狀態(tài)，將通過工控機(jī)將控制指令發(fā)送給控制軟軟件，控制軟件通過計(jì)算，將控制指令轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)，控制工作臺移動相應(yīng)的位移，反饋單元實(shí)時(shí)反饋位移的移動量，當(dāng)移動量達(dá)到設(shè)定位置時(shí)，控制軟件將停止指令傳輸給伺服機(jī)構(gòu)使工作臺停止運(yùn)動，完成設(shè)定的該試驗(yàn)狀態(tài)。

2 多自由度運(yùn)動平臺的校準(zhǔn)

本文以搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)為研究對象，校準(zhǔn)裝置主要由四部分組成：

（1）線加速度的校準(zhǔn)，擬采用振動加速度測量系統(tǒng)再加工必要的工裝組成線加速度校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)加速度的校準(zhǔn)。

（2）線位移參數(shù)的校準(zhǔn)，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(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)線位移的校準(zhǔn)。

（3）角位移參數(shù)的校準(zhǔn)，采用激光跟蹤儀和高精度測角元件來滿足不同的校準(zhǔn)環(huán)境，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集分析電路組成高精度動態(tài)角度校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)的角位置、角速度及角加速度的校準(zhǔn)。

（4）時(shí)頻信號參數(shù)的校準(zhǔn)，擬采用激光跟蹤儀自帶的時(shí)鐘信號和測角系統(tǒng)自帶的高穩(wěn)晶振組成時(shí)頻信號校準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)頻信號的校準(zhǔn)。通過對時(shí)頻信號結(jié)合工作臺面的位置分析，實(shí)現(xiàn)對波形失真度的校準(zhǔn)。

2.1 加速度的校準(zhǔn)

線加速度校準(zhǔn)擬采用我所原有的BK振動測試系統(tǒng)，添加必要的低頻振動加速度傳感器實(shí)現(xiàn)對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)的線加速度的校準(zhǔn)。新購5個(gè)低頻振動加速度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)橫向振動比、線加速度均勻性的校準(zhǔn)。

2.2 線位移參數(shù)的校準(zhǔn)

搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)對型號進(jìn)行位移或振幅測試時(shí)，主要是通過對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)施加設(shè)定的加速度值和線位移幅值，并依據(jù)被測型號的實(shí)際反饋來判定其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是測試系統(tǒng)重要的技術(shù)指標(biāo)之一。因此，需研究校準(zhǔn)方法，編制校準(zhǔn)軟件，實(shí)現(xiàn)線位移參數(shù)的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)框圖如圖2所示。

搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)工控機(jī)和伺服控制系統(tǒng)輸出線位移加載信號，由工作臺轉(zhuǎn)化為實(shí)際線位移輸出，通過連接工裝將實(shí)際產(chǎn)生的線位移傳遞給激光跟蹤儀和加速度計(jì)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集分析裝置處理后，與工作臺輸出的實(shí)際位移和加速度比較，完成校準(zhǔn)。

2.3 角位移參數(shù)的校準(zhǔn)

搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行測試時(shí)，工作臺的角位置、角速度、角加速度是十分重要的參數(shù)，是評價(jià)導(dǎo)引頭、慣性部件性能的重要依據(jù)。因此，為確保測試系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)的真實(shí)性，應(yīng)該對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)的角參數(shù)進(jìn)行在線、動態(tài)校準(zhǔn)，被校準(zhǔn)對象為搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示。

測角裝置是搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)的關(guān)鍵，它的結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)對整套校準(zhǔn)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(shí)則采用由：一是測角元件、二是細(xì)分盒、三是計(jì)數(shù)接口組成的測角裝置，低精度時(shí)采用激光跟蹤儀進(jìn)行角位置的校準(zhǔn)。

搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)高精度角位置校準(zhǔn)裝置，主要由測角裝置、時(shí)基電路、校準(zhǔn)工裝、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)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(dāng)工作臺轉(zhuǎn)動時(shí)，時(shí)基電路立即開始計(jì)時(shí)，同時(shí)測角裝置實(shí)時(shí)記錄搖擺角度，通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)記錄和分析數(shù)據(jù)，得到角位置、角速度和角加速度的技術(shù)指標(biāo)，再通過與系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)角位置參數(shù)的校準(zhǔn)。

搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)低精度角位置校準(zhǔn)裝置，主要由激光跟蹤儀、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)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(dāng)工作臺轉(zhuǎn)動時(shí)，時(shí)基電路立即開始計(jì)時(shí)，同時(shí)測角裝置實(shí)時(shí)記錄搖擺角度，通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)記錄和分析數(shù)據(jù)，得到角位置、角速度和角加速度的技術(shù)指標(biāo)，再通過與系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)角位置參數(shù)的校準(zhǔn)。

2.4 時(shí)頻信號的校準(zhǔn)

GJB150.23軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法傾斜和搖擺試驗(yàn)對搖擺周期提出了明確的技術(shù)要求，由于其搖擺頻率不高，目前在校準(zhǔn)時(shí)多采用秒表進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)誤差較大，可信度不高。本項(xiàng)目擬研制包含晶振和相應(yīng)外圍電路構(gòu)成時(shí)頻信號校準(zhǔn)系統(tǒng)，對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)頻信號進(jìn)行校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)搖擺周期的校準(zhǔn)。

3 校準(zhǔn)裝置的組建

本項(xiàng)目擬采用NI公司的編程平臺，設(shè)計(jì)組建適用于搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)的專用校準(zhǔn)裝置。校準(zhǔn)裝置主要包括高精度線位移校準(zhǔn)裝置、角位移校準(zhǔn)裝置、頻率校準(zhǔn)裝置等設(shè)備及相應(yīng)的數(shù)據(jù)控制、采集分析系統(tǒng)以及相應(yīng)的校準(zhǔn)軟件。

依據(jù)試驗(yàn)大綱及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求，以及試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，本項(xiàng)目研建的校準(zhǔn)裝置將具備以下功能和特點(diǎn)：

（1）具有波形失真度的校準(zhǔn)功能;（2）具有動、靜態(tài)線加速度、角線位移的校準(zhǔn)功能;（3）具有動、靜態(tài)角位置、角速率、角加速度的校準(zhǔn)功能;（4）具有多個(gè)采集通道，實(shí)時(shí)多參數(shù)采集記錄功能，以保證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和采集數(shù)據(jù)的完整性;（5）具有集成化程度高、攜帶方便的特點(diǎn)。

4 校準(zhǔn)軟件的編制

由于搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置中，大部分校準(zhǔn)工作均需編制相應(yīng)校準(zhǔn)軟件分析計(jì)算出結(jié)果，與搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較完成校準(zhǔn)，這對校準(zhǔn)軟件的實(shí)用及可靠性提出較高要求。另外，隨著被校搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)需校準(zhǔn)參數(shù)有增多趨勢，因此該軟件還應(yīng)具備再開發(fā)功能，同時(shí)保證擴(kuò)展及移植性較好，以確保及時(shí)滿足校準(zhǔn)需求。

本項(xiàng)目擬采用基于美國NI公司的LabVIEW軟件平臺研發(fā)搖擺試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)軟件。該軟件平臺為虛擬儀器平臺，即通過軟件的編寫，實(shí)現(xiàn)對硬件功能的控制，可在有限的硬件上實(shí)現(xiàn)更多的擴(kuò)展功能，且后續(xù)開發(fā)方便，可持續(xù)使用率高，可滿足本項(xiàng)目對校準(zhǔn)軟件編制的需求。

5 結(jié)語

本文以搖擺臺為研究對象，研究多自由度運(yùn)動平臺的校準(zhǔn)方法，并開發(fā)LabVIEW軟件平臺研發(fā)多自由度運(yùn)動平臺現(xiàn)場校準(zhǔn)軟件，采用無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真三軸轉(zhuǎn)臺的自動化校準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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