摘 要：電液伺服飛行模擬轉(zhuǎn)臺為復(fù)雜的、大型的專用仿真設(shè)備，在半實物仿真實驗系統(tǒng)中， 為飛行器提供角姿態(tài)運動。在頻繁、長時間使用的情況下，其技術(shù)狀態(tài)可能產(chǎn)生變化，所以就需 要對飛行模擬轉(zhuǎn)臺的性能指標(biāo)進行校準(zhǔn)。由于飛行模擬轉(zhuǎn)臺工作環(huán)境的特殊性，需要研發(fā)一種新 的能夠應(yīng)用于轉(zhuǎn)臺的校準(zhǔn)方法。本文建立一種新型的激光干涉測量系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的組成和 原理，分析了測量過程中的誤差來源和影響，說明了其在飛行模擬轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：飛行模擬轉(zhuǎn)臺；激光干涉測量系統(tǒng)；校準(zhǔn)

中圖分類號：TJ760.6+1；V216.8文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1673-5048（2014）06-0036-05

LaserInterferometerSystemUsedfortheCalibrationofFlightSimulator

MAJu1，CUIJianming2

（1.ScienceandTechnologyonSpecialSystemSimulationLaboratory，Beijing100854，China； 2.HarbinInstituteofTechnology，Harbin150080，China）

Abstract：Electrohydraulicservoflightsimulatorisacomplex，largescalespecialequipmentfor simulation.Itprovidesangularposturemovementforaircraftonhardwareintheloopsimulationsystem. Inthefrequentcaseofprolongeduse，thetechnicalstatusofflightsimulatormaybechanged，soitsper formanceindicatorsneedtocalibrate.Duetothespecialnatureofflightsimulatorenvironment，thedevel opmentofanewcalibrationmethodcanbeappliedtotheturntablecalibrationisnecessary.Inthispaper， anewtypeoflaserinterferometermeasurementsystemispresented，andthecompositionandprincipleof thissystemaregiven，thesourcesandinfluencesoferrorsinthemeasurementareanalyzed，andtheap plicationofsysteminflightsimulatorcalibrationareaisillustrated.

Keywords：flightfimulator；laserinterferometersystem；calibration

0 引 言

電液伺服飛行模擬轉(zhuǎn)臺為復(fù)雜的、大型的專 用仿真設(shè)備，在頻繁、長時間使用的情況下，飛行 模擬轉(zhuǎn)臺的技術(shù)狀態(tài)可能產(chǎn)生變化進而可能影響 對半實物仿真試驗結(jié)果的判斷[1-2]。原有的GJB性能實驗方法———自準(zhǔn)直儀校準(zhǔn)不適用的原因 是[3]：用于屏蔽暗室中的轉(zhuǎn)臺安裝在離地面數(shù)米 高的基臺上，按程序遙控運行，人不可接近，而自 準(zhǔn)直儀受到環(huán)境和距離限制，無法準(zhǔn)確測量。同 時，轉(zhuǎn)臺的校準(zhǔn)精度要求較高，國內(nèi)尚無在這種測 試環(huán)境下對轉(zhuǎn)臺進行校準(zhǔn)分析的有效方法，也未 查到國外相應(yīng)的方法資料。

激光干涉測量系統(tǒng)是由干涉測量技術(shù)發(fā)展而 來的新型測量系統(tǒng)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機 床、加工中心、運動系統(tǒng)、研究與計量領(lǐng)域中，是 一項成熟且得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)，但尚未見其應(yīng) 用于飛行模擬轉(zhuǎn)臺中?？紤]到激光干涉儀所具有的實時檢測、遠距離測量即可讀數(shù)等優(yōu)點，將其應(yīng) 用于轉(zhuǎn)臺的校準(zhǔn)分析中。

1 飛行模擬轉(zhuǎn)臺的性能指標(biāo)簡介

對飛行模擬轉(zhuǎn)臺而言，需要校準(zhǔn)的性能指標(biāo) 主要包括靜態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指標(biāo)。

靜態(tài)性能指標(biāo)具體包括角位置精度和角位置 重復(fù)性精度。角位置精度是指轉(zhuǎn)臺某個回轉(zhuǎn)軸從 零位轉(zhuǎn)到給定位置的實測值和給定值之差；角位 置重復(fù)性精度是指轉(zhuǎn)臺某個回轉(zhuǎn)軸從任一位置到 某一給定位置的多次正反重復(fù)性精度。動態(tài)性能 指標(biāo)具體包括最小角速度的平穩(wěn)性、角速度精度 的校準(zhǔn)、最大角速度和最大角加速度的校準(zhǔn)，以及 頻率響應(yīng)特性指標(biāo)的分析。

2 激光干涉測量系統(tǒng)測角原理

2.1 干涉測量技術(shù)簡介

干涉測量技術(shù)是以光波干涉為基礎(chǔ)的測量技 術(shù)。干涉測量中，干涉儀以干涉條紋反映被測件的 信息，其原理是將光分成兩路，兩支光路的光程差 Δ可用下式表示[4]：

若把被測件放入干涉儀的一支光路中，干涉 儀的光程差將隨著被測件的位置與形狀而改變， 干涉條紋也隨之變化，測量出干涉條紋的變化量， 便可直接或間接獲得與之有關(guān)的各種被測信息。 結(jié)合三角函數(shù)，將長度變化量轉(zhuǎn)換為角度變化量， 進而實現(xiàn)飛行模擬轉(zhuǎn)臺的角度測量。

2.2 RENISHAW激光干涉測量系統(tǒng)測角原理

目前國外生產(chǎn)激光干涉儀的公司有美國的Ag ilent（前身為HP）、ZYGO、英國的Renishaw等公 司[5]。Renishaw激光干涉測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)如 表1所示。

該激光干涉測量系統(tǒng)主要由XL-80激光頭、 XR20-W無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置、角度干涉鏡組 成。其中，XL-80激光頭內(nèi)裝有He-Ne激光器和相敏光電傳感器，相敏光電傳感器的作用是檢 測干涉條紋的個數(shù)。XR20-W無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn) 裝置中裝有如圖1中所示的角度反射鏡和角度干 涉鏡。角度反射鏡包含了兩個小的反射器，其尖端 的間距為S；角度干涉鏡內(nèi)則包含有一個分光鏡和 一個反射鏡。激光干涉測量系統(tǒng)的測角原理如圖1

所示[6-9]。

XL-80激光頭的輸出光束到達角度干涉鏡 后，被角度干涉鏡內(nèi)的分光鏡分成兩束分離的光 束。光束1繼續(xù)直射到角度反射鏡下面的反射器形 成光路1，光束2經(jīng)過分光鏡，再經(jīng)反射鏡反射到 角度反射鏡上面的反射器形成光路2。兩束光到達 角度反射鏡后都以平行于入射光的角度反射返回， 在XL-80激光頭檢測單元前重組，干涉產(chǎn)生測量 信號。

設(shè)被測軸的轉(zhuǎn)角為θ，如圖1所示。光束1從 角度干涉鏡到角度反射鏡的路程會減小，同時光 束2的路程增加，整個路徑長度的相對變化為

激光干涉測量系統(tǒng)的軟件再將此距離轉(zhuǎn)換為 旋轉(zhuǎn)角度θ，即

θ=arcsinΔL/S（8）

上述為激光干涉測量系統(tǒng)小角度測角原理。 大角度測量時，即轉(zhuǎn)角超過5°后，角度反射鏡通過 XR20-W無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置內(nèi)的高精度光柵 系統(tǒng)進行伺服控制，使其相對于XR20-W無線型 回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置反向旋轉(zhuǎn)相同角度，以便角度反 射鏡接收到足夠光強，然后將反向旋轉(zhuǎn)角度進行 累加，得到被測軸的旋轉(zhuǎn)角度。轉(zhuǎn)角超過5°后，如 果被測軸轉(zhuǎn)速過快（超過10rpm），XR20-W無線 型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置內(nèi)的伺服電機無法保證角度反射 鏡及時反轉(zhuǎn)過相同角度，就會產(chǎn)生誤差。所以在轉(zhuǎn) 臺的旋轉(zhuǎn)角度超過5°的情況下有一定的速度限制。

2.3 干涉條紋計數(shù)判向原理

激光干涉測量系統(tǒng)在對飛行模擬轉(zhuǎn)臺進行角度 測試過程中，由XL-80激光頭內(nèi)的相敏光電傳感 器對干涉條紋進行計數(shù)?？紤]到測量過程中外界干 擾，需要判向電路，將計數(shù)脈沖分為加和減兩種，用 可逆計數(shù)器進行可逆計算以獲得脈沖數(shù)據(jù)[10]。

圖2所示為判向計數(shù)原理圖[10]，干涉條紋通 過移相系統(tǒng)獲得兩路相差π/2的干涉條紋的光強 信號。該信號由兩個光電接收器接收，便可以獲得 與干涉信號相對應(yīng)的兩路相差π/2的正弦信號和 余弦信號，經(jīng)放大、整形、倒相及微分等處理，可 以獲得4個依次相差π/2的脈沖信號。根據(jù)4個 脈沖信號的相位順序可以實現(xiàn)判向的目的。經(jīng)過 判向電路后，將一個周期的干涉信號變成4個脈沖 的輸出信號，使一個計數(shù)脈沖代表1/4干涉條紋的 變化，實現(xiàn)干涉條紋的4倍頻計數(shù)。

3 激光干涉測量系統(tǒng)在飛行模擬轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn) 中的應(yīng)用

3.1 Renishaw激光干涉測量系統(tǒng)在轉(zhuǎn)臺性能校 準(zhǔn)中的使用

對轉(zhuǎn)臺進行測量時，例如對轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框軸進 行校準(zhǔn)時，激光干涉測量系統(tǒng)各個元件擺放如圖3 所示。XR20-W無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置應(yīng)該安裝 在轉(zhuǎn)臺各框待測軸軸端上?？紤]到轉(zhuǎn)臺的工作環(huán)境要求，飛行模擬轉(zhuǎn)臺及XR20-W無線型回轉(zhuǎn)軸 校準(zhǔn)裝置應(yīng)放置在暗室中，XL-80型激光頭和角 度干涉鏡等需要安放在暗室外的測試空間內(nèi)。為 了避免轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動過程中振動的影響，把XL-80型 激光頭放在光學(xué)氣浮平臺上的調(diào)節(jié)平臺上。

飛行模擬轉(zhuǎn)臺校準(zhǔn)最主要的性能指標(biāo)包括靜 態(tài)精度和動態(tài)精度。校準(zhǔn)時，將XR20-W無線型 回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置定位在轉(zhuǎn)臺軸系上（保證XR20- W與轉(zhuǎn)臺軸線重合）。調(diào)整調(diào)節(jié)平臺，使激光從XL -80激光頭發(fā)出后，經(jīng)角度干涉鏡準(zhǔn)確落在XR20 -W無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置的角反射鏡上。

在測量轉(zhuǎn)臺靜態(tài)性能指標(biāo)的過程中，在轉(zhuǎn)臺的 起始位置將激光裝置置零后即可給定轉(zhuǎn)臺一個信 號，轉(zhuǎn)臺完成越程，到達給定位置后，系統(tǒng)可以結(jié)合 軟件的讀數(shù)，記錄轉(zhuǎn)臺的位置誤差，以此得到角位 置精度。給定轉(zhuǎn)臺信號，使轉(zhuǎn)臺從任意多個位置轉(zhuǎn) 到同一個目標(biāo)位置，分別記錄位置誤差，經(jīng)過數(shù)據(jù) 處理后得到角重復(fù)性精度。測量靜態(tài)精度的過程中， 激光干涉測量系統(tǒng)的測角精度為±1″，完全可以滿 足對靜態(tài)精度指標(biāo)的測試及校準(zhǔn)分析需求。

在測量轉(zhuǎn)臺動態(tài)性能指標(biāo)時，激光干涉測量 系統(tǒng)實時測量轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度，由此可以做出轉(zhuǎn) 臺的角度—時間曲線，曲線每一點的一階微分即 為轉(zhuǎn)臺在該時刻的速度，曲線每一點的二階微分 即為轉(zhuǎn)臺在該時刻的加速度，將測量量與給定量 進行對比，完成速度和加速度的校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺 的頻率響應(yīng)特性時，可以得到轉(zhuǎn)臺的給定位置曲 線和跟蹤位置曲線，對給定位置曲線和跟蹤位置 曲線進行辨識，可以得到控制系統(tǒng)的幅頻特性與 相頻特性波特圖，從波特圖中可以對轉(zhuǎn)臺的頻率 響應(yīng)特性進行校驗。

但是，激光干涉測量系統(tǒng)在測量轉(zhuǎn)臺的動態(tài) 性能指標(biāo)時是有局限性的。因為XR20-W無線型 回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置內(nèi)的伺服電機最高轉(zhuǎn)速是10rpm， 也就是60（°）/s。因此若轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度超過5°時有一定的速度限制，否則會因為XR20-W無線型 回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置內(nèi)的角反射鏡無法反轉(zhuǎn)相同角度 而產(chǎn)生誤差。即飛行模擬轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速小于60（°）/s 時，可以利用激光干涉測量系統(tǒng)完成飛行模擬轉(zhuǎn) 臺的動態(tài)性能指標(biāo)的校準(zhǔn)。如果需要校準(zhǔn)更高速 的轉(zhuǎn)臺，則XR20-W無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置內(nèi)部 需要更高速的伺服電機。

3.2 激光干涉儀對飛行模擬轉(zhuǎn)臺測量精度的分析

由上述激光干涉儀的測角原理可知，只有利 用反射鏡隨被測軸進行無擺動的理想轉(zhuǎn)動而引起 的光程差所測出的角度才是真實的，而由其他因 素引起的光程差就是測量誤差。通過分析可以知 道，校準(zhǔn)過程中誤差的產(chǎn)生主要有兩個來源：①無 線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置XR20-W的軸線與轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn) 軸線不重合，而是成一個角度α。②激光頭的安裝 誤差，使測量過程中激光光束并不與地面平行，而 是成一個角度β。這兩種情況如圖4所示。

3.2.1 無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置軸線與轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)軸 線不重合引起的誤差分析

如果無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置XR20-W的軸線 與轉(zhuǎn)臺基準(zhǔn)軸線不重合，而是成一個角度α，如圖5 所示。隨著被測軸的旋轉(zhuǎn)，XR20-W將反向旋轉(zhuǎn)相 同角度，這種運動致使角反射器出現(xiàn)擺動。如果從 激光方向看，反射器的運動將是：向前（位置1），向 右（位置2），向后（位置3）和向左（位置4）。

角度反射鏡處于位置1，2，3，4時，其狀態(tài)如 圖6所示。其中，每個位置分別從激光方向和垂直 于激光方向給出示意圖。

如果從激光方向看，從位置1→2→3→4可以 看出，如果轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度是θ，同時規(guī)定位置1 是轉(zhuǎn)臺的起始位置，即θ=0°。那么，旋轉(zhuǎn)軸線與 基準(zhǔn)軸線所成的偏航角度可以用αsinθ來表示。同 理，從垂直于激光方向的側(cè)面看，俯仰角度可以用 αcosθ來表示。

分析4個位置中角度反射鏡的狀態(tài)：在位置1 和位置3，因為反射鏡內(nèi)的兩個反射器是在同一高 度上，不會造成光束1和光束2路徑長度的相對改 變（參考圖1）。在位置2和位置4，反射鏡是垂直 于激光的，此時光束1和光束2的路徑長度也不會 發(fā)生相對改變。

但是，在中間位置會發(fā)生測量誤差，此時反射鏡 的狀態(tài)由圖7示出。轉(zhuǎn)臺順時針旋轉(zhuǎn)，若旋轉(zhuǎn)到圖7 （a）中A點位置，此時反射鏡的狀態(tài)如圖7（b）所示。

由圖7中存在的幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出此時無 線回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置軸線的傾角誤差所引起的轉(zhuǎn)角

從圖7（a）可以看出，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度為θ時， XR20-W應(yīng)反向旋轉(zhuǎn)角度θ，即保持反射鏡與激 光光束垂直。但從圖7（b）可以看出，XR20-W軸 線的軸線傾角誤差造成A點反射鏡右側(cè)光路減少， 左側(cè)光路增加。這種變化使反射鏡旋轉(zhuǎn)的角度為 θ′，且θ′<θ。

另外，將被測軸的旋轉(zhuǎn)和XR20-W的旋轉(zhuǎn)想 象成兩個半徑為1的圓盤的旋轉(zhuǎn)。被測軸用曲線1 表示，XR20-W軸線用曲線2表示，兩個圓盤從 側(cè)面看夾角為α。如圖8所示。

如果被測軸旋轉(zhuǎn)0°，90°，180°或270°時，軸 的傾角誤差不會造成測量誤差。然而，被測軸旋轉(zhuǎn) 其他角度，從激光方向看軸的旋轉(zhuǎn)與XR20-W處 于同一直線時，此時會產(chǎn)生測量誤差。

此式推導(dǎo)中多次用到的小角度弧度值約等于 正弦值，所以式中有關(guān)角度的單位均為弧度?？梢?計算出，如果要使轉(zhuǎn)角誤差低于±1″，則無線回轉(zhuǎn) 軸校準(zhǔn)裝置軸線的傾角誤差α不應(yīng)超過±0.2°， 此時滿足測量要求。

3.2.2 激光光束不與基準(zhǔn)面平行引起的測量誤差 分析

在上述對旋轉(zhuǎn)軸線傾角誤差的探討中，轉(zhuǎn)臺 轉(zhuǎn)到位置2和位置4時沒有轉(zhuǎn)角誤差。但是，如果 由于激光頭的安裝誤差，造成光束不與基準(zhǔn)面平 行而是傾斜一個角度，位置2和位置4此時將會存 在轉(zhuǎn)角誤差。此時，角度反射鏡四個位置的狀態(tài)如 圖9所示。

在位置2時，轉(zhuǎn)角誤差取最大值αβ；位置4 時，轉(zhuǎn)角誤差取負值-αβ。因此，假設(shè)位置1為 θ=0°時，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)角誤差由文獻[6] 給出：

φ=αβ·sinθ（13）

可以算出，如果要使轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角誤差低于 ±1″，α=0.2°時，激光光束與水平面的傾角誤差 也不應(yīng)超過±0.08°，此時滿足測量要求。

考慮上述兩項誤差來源可以得出結(jié)論：當(dāng)無線 回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置軸線的傾角誤差α不超過±0.2°， 激光束與水平面的傾角誤差不超過±0.08°的情況 下，激光干涉測量系統(tǒng)精度能保證在±1″，從而很 好地對飛行模擬轉(zhuǎn)臺進行校準(zhǔn)。

4 結(jié) 束 語

飛行模擬轉(zhuǎn)臺已成為我國國防工業(yè)中重要的 模擬機械，如何更加準(zhǔn)確、方便地對飛行模擬轉(zhuǎn)臺 進行校準(zhǔn)成為一個必須攻克的難題，而國內(nèi)用激 光校準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺的方法尚無成熟結(jié)論。本文所闡述的 激光干涉測量系統(tǒng)能夠精確地測量轉(zhuǎn)臺的靜態(tài)性 能指標(biāo)，且測角精度為±1″，動態(tài)性能指標(biāo)飛行模 擬轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速小于60（°）/s時可以準(zhǔn)確測量，且具 備較好的精度。如果需要校準(zhǔn)更高速的轉(zhuǎn)臺，則 XR20-W無線型回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)裝置內(nèi)部需要更高速 的伺服電機。

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