一種慣組系統(tǒng)自標定與自動化測試方案的設計

王 斌

(江西服裝學院商學院 江西南昌 330201)

慣組系統(tǒng)是一種為航天器等運載體提供導航位置和速度的慣性測量系統(tǒng)。在實際應用中，系統(tǒng)中的電子元器件會隨著時間的推移發(fā)生老化、磨損等，相關慣性敏感元件因承受載體振動、沖擊等影響，在使用一定時間后會導致其導航精度降低，需要對其進行定期標定[1-3]。此外，為提高導航精度，某些彈載慣組系統(tǒng)還需在發(fā)射前對其進行再次在線自標定。根據(jù)標定場所不同，標定方法可以分為室內標定和外場標定。根據(jù)觀測量不同可分為分立標定和系統(tǒng)級標定，其中分立標定是一種常用的高精度標定方法[3-5]。

傳統(tǒng)的分立標定方法是每隔一斷時間將慣性器件從載體上拆卸下來，然后安裝在實驗室轉臺上進行室內標定，標定完成后再重新安裝到載體上。由于慣組系統(tǒng)的使用和標定地點一般跨度較大，給實際使用和維護帶來不便，且標定過程復雜、耗時較長、效率較低。因此，傳統(tǒng)標定方法較難滿足機載、彈載慣組的機動在線自標定需求[1,5]。為改善此狀況，提出一種基于分度盤轉位臺的慣組在線自標定新方案，其將分度盤轉位臺作為標定平臺，連同慣組系統(tǒng)一同安裝在機載、彈載等裝備中，標定時無須拆卸，只需慣組系統(tǒng)向其發(fā)送測試標定指令，即可完成現(xiàn)場在線自標定，與傳統(tǒng)標定方式相比具有明顯的優(yōu)勢。

此外，為了進一步發(fā)揮分度盤轉位臺的優(yōu)勢，并結合慣組批量化生產過程中快速自動化檢測的需求，設計出一套基于分度盤轉位臺的慣組自動化測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)同時對8套慣組的自動化測試，測試結果可自動輸出打印，可大幅提高批產過程中的測試效率。

1 分度盤轉位臺

1.1 多齒分度技術

多齒分度技術原理是利用上、下彈性端齒盤(如圖1所示)相對旋轉并嚙合可實現(xiàn)圓周高精度角位置定位，其中下彈性端齒盤固定不動，上彈性端齒盤抬起與下彈性端齒盤脫離嚙合，并相對下彈性端齒盤旋轉一定角位置后經再次嚙合，即可實現(xiàn)根據(jù)轉過的齒數(shù)達到分度目的[6]。該技術利用具有平均效應的角度定位原理和機械鎖緊方式，使其具有很高的角度定位精度和重復精度，以及良好的抗振動、抗沖擊性。其中上、下彈性端齒盤是一對直徑、齒數(shù)、齒形等完全相同的平面向心齒輪，它的每一個齒的形狀、精度、節(jié)距等幾乎完全相同，在二者相互嚙合的過程中，因齒的嚙合平均效應作用，可獲得極高的分度精度和重復精度。

圖1 彈性端齒盤齒形圖

1.2 分度盤轉位臺

分度盤轉位臺是一種利用多齒分度技術原理實現(xiàn)角度定位，通過機械定位方式鎖緊，具有鎖緊穩(wěn)定性強、分度精度(達3″)和重復定位精度(達3″)高，抗振動、抗沖擊性強的一種裝置。其主要由機械臺體和控制電路盒兩部分組成，機械臺體主要由底座、上下彈性端齒盤、旋轉臺面、升降傳動系統(tǒng)和轉位傳動系統(tǒng)組成，彈性端齒盤齒數(shù)為360(以360齒為例)，旋轉臺面與上彈性端齒盤為一體，底座與下彈性端齒盤為一體，控制電路盒控制升降和轉位傳動系統(tǒng)，完成旋轉臺面相對底座的自動升降與轉位，可實現(xiàn)以1°(當齒數(shù)為360齒時)為最小分度角，在0-360°范圍內自由轉位與定位[7]。

分度盤轉位臺工作原理如圖2所示，工作流程如圖3所示，其可實現(xiàn)三種狀態(tài)即定位狀態(tài)、轉位狀態(tài)、自鎖定狀態(tài)，并通過計算機指令控制其在三種狀態(tài)之間自動切換。①定位狀態(tài)：是指轉位臺可帶動負載繞轉動軸旋轉到預定的角位置處(為360/n的倍數(shù)，n為齒數(shù))，并在工作溫度范圍內滿足平面度、定位精度、定位重復性等要求。②轉位狀態(tài)：是指轉位臺帶動負載實現(xiàn)繞轉動軸0～360°范圍內轉動，并具備機械限位裝置，轉動速率不小于10°/s。③自鎖定狀態(tài)：指分度盤轉位臺上、下彈性端齒盤完全嚙合鎖緊時的狀態(tài)，該狀態(tài)區(qū)別于定位狀態(tài)和轉位狀態(tài)，可保證轉位臺與負載一起隨外界運動時不發(fā)生相對位移，解除該狀態(tài)后不影響定位狀態(tài)和轉動狀態(tài)性能，且能夠在安裝負載未通電情況下承受一定的振動、沖擊和離心等試驗條件。

圖2 工作原理圖

圖3 工作流程圖

2 在線自標定

慣組在線自標定方案充分利用分度盤轉位臺的技術優(yōu)勢，將慣組系統(tǒng)安裝在分度盤轉位臺臺體上并與之形成一體，最終一并被安裝到彈載、車載等各種載體裝備中，當需要對慣組進行在線標定時，可通過控制慣組向分度盤轉位臺發(fā)送相關標定指令即可控制分度盤轉位臺按照預設標定流程實現(xiàn)慣組的在線自標定。實現(xiàn)功能包括：①實現(xiàn)0～360°方位內連續(xù)自由轉動，并在該范圍內每隔360°/n(n為齒數(shù)的倍數(shù))的角度位置準確可靠定位；②在目標位置定位后可靠鎖緊，并能承受相應量級的振動、沖擊、過載等力學環(huán)境條件，保證定位精度；③鎖定狀態(tài)下，分度盤轉位臺在全姿態(tài)范圍內可保持鎖定功能，通電后，其可自動復位到0°位置。

3 自動化測試方案

基于分度盤轉位臺的慣組自動化測試系統(tǒng)總體方案結構如圖4所示。其主要由分度盤轉位臺、程控電源、上位機和測試軟件組成。其中分度盤轉位臺為慣組提供測試基準角度位置，程控電源為慣組系統(tǒng)供電，上位機控制分度盤轉位臺、程控電源和慣組系統(tǒng)協(xié)調有序工作，測試軟件自動發(fā)送測試指令，并采集、分析和處理測試數(shù)據(jù)，以及實時顯示和保存處理結果。

圖4 慣組自動化測試總體結構圖

如圖4所示，該系統(tǒng)具體可實現(xiàn)以下三大功能：①自動控制程控電源按需向慣組系統(tǒng)供電；②自動控制分度盤轉位臺旋轉臺面的升降、轉位和自鎖緊；③實時自動采集、分析處理、顯示和保存慣組系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)。整體上可實現(xiàn)以下三個項目的測試：①慣組系統(tǒng)偏航角α、俯仰角β和側滾角δ的精度測試[8]；②慣組系統(tǒng)開機重復性測試[8]；③慣組系統(tǒng)系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性測試[8]。慣組系統(tǒng)自動測試流程如圖5所示。

圖5 慣組系統(tǒng)自動化測試流程圖

為了提高測試系統(tǒng)的實用性和可擴展性，系統(tǒng)采用工業(yè)級PCI-E多串口卡(包括RS-232、RS-422和RS-485，最高波特率達921600)、CAN通信模塊等進行數(shù)據(jù)簡單可靠快速傳輸。測試軟件采用VC++2010工具進行開發(fā)，具有通用型強、運行穩(wěn)定且效率高的特點。

4 對比分析

如表1所示，基于分度盤轉位臺的慣組在線自標定系統(tǒng)同傳統(tǒng)標定方式相比具有明顯的優(yōu)勢。一方面可使慣組系統(tǒng)免于重復拆卸標定，提高工作效率，滿足慣組在線實時自標定的需求；另一方面相對傳統(tǒng)標定方式其慣組系統(tǒng)的標定精度也得到了明顯提高。其不足之處在于分度盤轉位臺目前暫未實現(xiàn)多維自由度的空間動態(tài)變換，其更適合于只需標定系統(tǒng)部分關鍵誤差參數(shù)即可滿足要求的場合，詳見表1。

表1 傳統(tǒng)標定方式與新型標定方式對比表

如表2所示，基于分度盤轉位臺的慣組自動化測試系統(tǒng)同基于轉臺方式測試系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢：①檢測效率高，人工勞動量可大幅減輕；②自鎖緊穩(wěn)定性更強、分度精度和重復定位精度更高；③設備體積小，成本投入大幅降低，性價比高。不足之處在于對俯仰角和側滾角精度測試時需額外增加角度工裝，測試相對繁瑣。因此其特別適用于俯仰角和側滾角為0°時慣組系統(tǒng)參數(shù)指標的測量，以及批量生產中的慣組系統(tǒng)參數(shù)指標的預檢。

表2 慣組自動化測試系統(tǒng)與基于轉臺方式測試系統(tǒng)對比分析

5 結 語

文章充分利用了分度盤轉位臺的突出優(yōu)勢，設計出一種基于分度盤轉位臺的慣組系統(tǒng)在線自標定方案和慣組系統(tǒng)的自動化測試方案，經實際應用表明，其在多個方面具有較強的技術優(yōu)勢和應用價值，也為慣組系統(tǒng)在線自標定和批產化中自動化測試研究提供了一種借鑒方案。通過文中對慣組系統(tǒng)新型標定和測試方法與傳統(tǒng)方法的對比分析可知，分度盤轉位臺因目前暫未實現(xiàn)多維自由度的空間動態(tài)變換，使得慣組系統(tǒng)的標定和測試還存在一定的不足。因此，后續(xù)可通過對多維自由度分度盤轉位臺進行深入研究和開發(fā)，可進一步提升現(xiàn)有方案的技術優(yōu)勢和實際應用價值。