基于陀螺儀技術(shù)的轉(zhuǎn)動參數(shù)測量系統(tǒng)

郭鵬飛 郭璞 張維 王立勇

概述

伺服系統(tǒng)是姿態(tài)控制系統(tǒng)的核心執(zhí)行部件，伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的偏轉(zhuǎn)方向和角度的正確性是影響產(chǎn)品試驗成敗的重要指標。本成果以實現(xiàn)極性測試自動化開發(fā)研究，極性測試過程中，判別人員只能目測觀察伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)在其安裝平面上的轉(zhuǎn)動情況，存在以下不足：（1）人員目視觀察轉(zhuǎn)動變化量困難。舵軸體積小，轉(zhuǎn)動速度慢，轉(zhuǎn)動幅度小，周圍無明顯參考物，目視獲取舵軸轉(zhuǎn)動變化量較困難。

伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)位置分散，在不同參考面上，對判別人員能力要求高。伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)安裝方式為不規(guī)則安裝。極性測試過程中，多個同服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)以不同方向同時轉(zhuǎn)動，判別人員需要對不同參考平面內(nèi)多個同服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的轉(zhuǎn)動情況關(guān)聯(lián)判定，對判別人員的三維坐標轉(zhuǎn)換能力等要求較高，容易發(fā)生判定不清的情況，直接影響產(chǎn)品測試正確性，甚至影響了產(chǎn)品試驗的可靠性。

二、測試儀方案設(shè)計

極性自動判別系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、中心控制穩(wěn)定系統(tǒng)和角度信息采集系統(tǒng)三部分組成，主要實現(xiàn)舵偏數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理和自動判定等功能。

2.1陀螺儀的選用

陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對于慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或兩個軸的角度檢測裝置。本成果選用敏感精度和靈敏度較高的工業(yè)成熟技術(shù)陀螺儀，功能指標遠大于被測何服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)動的角度、速率以及精度的要求。

2.2數(shù)據(jù)采集通道設(shè)置

四個伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)上均安裝同型號陀螺儀，測試時，四個陀螺儀同時進行采集，并將采集結(jié)果傳輸?shù)街行目刂葡到y(tǒng)，完成數(shù)據(jù)處理，在顯示終端實時進行曲線數(shù)據(jù)顯示，保證了極性判讀的完整和準確。

2.3標準曲線模型設(shè)計

極性自動判別系統(tǒng)，為了提高實用性和記錄數(shù)據(jù)的可對比性，通過軟件對陀螺儀進行了深度開發(fā)。為了突破陀螺儀安裝要求的局限，根據(jù)陀螺儀工作原理和實際安裝位置，通過安裝姿態(tài)與運動極限姿態(tài)角度偏差的計算，X、Y、Z軸采集數(shù)據(jù)通過歐拉角公式運算轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出轉(zhuǎn)換，將計算得到的偏差范圍.通過軟件設(shè)置，進行相應的參數(shù)補償，建立虛擬轉(zhuǎn)動模型，滿足陀螺儀現(xiàn)場使用需求，測試過程中，在采集Z軸角度輸出變化量的同時，避免了X軸和Y軸產(chǎn)生的鉸鏈反應，從而得到了實際的伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)軌跡曲線。中心控制器通過角度傳感平衡穩(wěn)定器對陀螺儀進行實時調(diào)節(jié)，保證了輸出數(shù)據(jù)形成的曲線連續(xù)、穩(wěn)定、歐拉角與四元數(shù)理論轉(zhuǎn)化公式：

x=sin（y/2）sin（z/2）cos（x/2）+cos（y/2）cos（z/2）sin（x/2）

x=sin（y/2）cos（z/2）cos（x/2）+cos（y/2）sin（z/2）sin（x/2）

x=sin（z/2）cos（y/2）cos（x/2）+cos（z/2）sin（y/2）sin（x/2）

x=cos（z/2）cos（y/2）cos（x/2）+sin（z/2）sin（y/2）sin（x/2）

q=（（x，y，z.）w，）

通過數(shù)學計算軟件“MATLOB”進行歐拉角與四元數(shù)的轉(zhuǎn)換。

通過極性自動判別系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試和數(shù)據(jù)分析，原始設(shè)計曲線（見圖2）完全吻合，可作為標準曲線數(shù)據(jù)自動判讀依據(jù)。

極性自動判別系統(tǒng)采用類似“人臉識別”原理，將采集的曲線與轉(zhuǎn)動模型標準曲線進行對比（見圖4），實現(xiàn)伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)極性的自動判定。

2.4測試數(shù)據(jù)存儲與處理

極性自動判別系統(tǒng)實時顯示采集數(shù)據(jù)曲線，并存儲于系統(tǒng)中，可以分別進行四個通道數(shù)據(jù)回放，亦可通過存儲介質(zhì)將測試數(shù)據(jù)導出，作為原始數(shù)據(jù)另外進行備份保存和進一步分析，實現(xiàn)了舵偏數(shù)據(jù)的實時性和可追溯性。

2.5可靠性

極性自動判別系統(tǒng)所用元器件均采用工業(yè)用成熟產(chǎn)品，核心元素主要有陀螺儀和軟件，陀螺儀為工業(yè)成熟產(chǎn)品、生產(chǎn)標準和試驗檢測標準均符合GB/ T191SJ20873 -2016的要求，可靠性較高。測試軟件采用“模塊化、組合化”思路，各通道、功能之間獨立運行，避免相互干擾，提升了測試系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計時貫徹以下準則：

a）采用簡化設(shè)計，減少元器件數(shù)量，使發(fā)生失效的可能性最小;

b）采用優(yōu)化設(shè)計、降額設(shè)計、密封設(shè)計等設(shè)計技術(shù)：

c）采用通用化、模塊化、系列化的設(shè)計思想;

d）充分維承其它型號、工業(yè)產(chǎn)品的成熟技術(shù)和工藝，e）開展與人的因素有關(guān)的設(shè)計。

三、存在的技術(shù)難點或關(guān)鍵技術(shù)

3.1突破安裝位置局限性

陀螺儀本身屬性為慣性器件，對使用工況要求較高，如果安裝超過允許范圍.測試時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會發(fā)生耦合現(xiàn)象，影響測試信息的有效性。為了突破陀螺儀安裝要求的局限，通過軟件設(shè)計，根據(jù)陀螺儀工作原理和實際安裝位置，建立虛擬轉(zhuǎn)動模型，通過安裝姿態(tài)與運動極限姿態(tài)角度偏差的計算，x、r、2軸采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，測試過程中，在采集z軸角度輸出變化量的同時，避免了x軸和Y軸產(chǎn)生的鉸鏈反應，從而得到了真實的問服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)動軌跡曲線。

3.2測試數(shù)據(jù)自動比對程序

通過分析測試數(shù)據(jù)，得出因產(chǎn)品個性差異產(chǎn)生的最大誤差值、設(shè)置為比對判據(jù)范圍，使標準曲線變成一條“帶狀”判據(jù)曲線，即測試曲線不超出“帶狀”曲線范圍?？膳卸闃O性測試合格，從而實現(xiàn)間服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)極性的自動判定。

3.3曲線“啟動閾值”設(shè)置

為了實現(xiàn)標準曲線具有通用性，通過軟件設(shè)計“啟動閾值”功能，即使操作人員在面板點擊“啟動記錄”，只要極性測試設(shè)備未發(fā)“系統(tǒng)極性”啟動指令，測試儀面板就不會有曲線輸出。只有當“系統(tǒng)極性”啟動指令發(fā)出后，伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)達到“啟動閾值”才會輸出伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)實時曲線?！皢娱撝怠钡脑O(shè)置實現(xiàn)了測試曲線與標準曲線的可對比性。

四、工藝措施及實施效果

根據(jù)何服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的機械機構(gòu)和電氣性能，利用步進電機、電機控制器、工藝間服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)模擬件等形成模擬環(huán)境，對極性自動判別系統(tǒng)進行功能性試驗，共進行近30天的模擬實驗，并根據(jù)試驗過程和結(jié)果，對極性自動判別系統(tǒng)進行了調(diào)整和優(yōu)化。

在某產(chǎn)品測試期間，利用極性自動判別系統(tǒng)對多發(fā)產(chǎn)品的伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)動作進行了判定，判定結(jié)果與人工觀察結(jié)果完全一致，充分證明了極性自動判別系統(tǒng)的實用性、準確性、可靠性。