姜 楊 陳明絢 沈 星

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；2.中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)，遼寧 125106)

基于LabVIEW的陀螺平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜 楊1，2陳明絢1沈 星1

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；2.中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)，遼寧 125106)

陀螺平臺(tái)的測(cè)量與控制是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。針對(duì)傳統(tǒng)陀螺平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的一些不足，研制了一種基于LabVIEW的陀螺平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PXI總線型計(jì)算機(jī)為控制核心，綜合運(yùn)用了數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換技術(shù)，多種信號(hào)綜合變換處理，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)智能化，測(cè)試項(xiàng)目和指標(biāo)滿足陀螺平臺(tái)的測(cè)試要求。

陀螺平臺(tái) LabVIEW 虛擬儀器 模塊

1 引 言

陀螺平臺(tái)是無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的姿態(tài)感應(yīng)元件，測(cè)量無(wú)人機(jī)的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，輸出給飛控計(jì)算機(jī)，是無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行的關(guān)鍵部分。傳統(tǒng)的陀螺平臺(tái)測(cè)試設(shè)備陳舊，測(cè)量精度不高，測(cè)試工作效率較低，已很難適應(yīng)航空裝備檢測(cè)自動(dòng)化發(fā)展的需要。

虛擬儀器技術(shù)以其強(qiáng)大的功能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)日益成為測(cè)試技術(shù)發(fā)展的主流[3]。利用虛擬儀器， 如美國(guó)NI公司的LabVIEW圖形化設(shè)計(jì)軟件，含有豐富的功能函數(shù)庫(kù)和按鈕控件，可以實(shí)對(duì)各儀器功能模塊進(jìn)行快速集成，從而使得測(cè)試系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔、靈活和方便[2]。

2 工作原理簡(jiǎn)介

2.1 基本組成

陀螺平臺(tái)相對(duì)于基座具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，內(nèi)部有兩個(gè)二自由度陀螺儀，同時(shí)有兩套由信號(hào)電位計(jì)、穩(wěn)定電機(jī)以及減速器組成對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)，以承受作用在平臺(tái)內(nèi)外環(huán)軸上對(duì)干擾力矩。平臺(tái)中還有兩套由液體開(kāi)關(guān)與修正馬達(dá)組成對(duì)修正系統(tǒng)，以修正平臺(tái)繞內(nèi)外環(huán)軸對(duì)水平面的偏離，此外，平臺(tái)中還有快速啟動(dòng)系統(tǒng)，在陀螺啟動(dòng)時(shí)使平臺(tái)迅速恢復(fù)水平。

2.2 陀螺平臺(tái)的穩(wěn)定系統(tǒng)

兩套穩(wěn)定系統(tǒng)的電路相同，如圖1所示為其中一套。I、II、III為36V三項(xiàng)交流電源的三項(xiàng)。當(dāng)干擾力矩作用在平臺(tái)上時(shí)，陀螺相對(duì)平臺(tái)出現(xiàn)進(jìn)動(dòng)轉(zhuǎn)角，電位計(jì)相對(duì)電刷產(chǎn)生位移而輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)直接送至穩(wěn)定電機(jī)的控制繞組，穩(wěn)定電機(jī)給出穩(wěn)定力矩并通過(guò)減速器作用到平臺(tái)內(nèi)/外環(huán)軸上，起到反抗干擾力矩的作用，從而保證平臺(tái)繞內(nèi)/外環(huán)軸的穩(wěn)定。

2.3 陀螺平臺(tái)的修正系統(tǒng)

液體開(kāi)關(guān)為五個(gè)電極，其中橫向兩個(gè)電極接到橫向修正馬達(dá)的控制繞組，縱向兩個(gè)電極接到縱向修正馬達(dá)的控制繞組。液體開(kāi)關(guān)的中心電極經(jīng)兩個(gè)串聯(lián)電阻接到電源III相，為克服低溫時(shí)修正速度減小，其中一個(gè)串聯(lián)電阻在低溫時(shí)被雙金屬接觸片短路。橫向修正馬達(dá)激磁繞組經(jīng)外加繼電器接到電源，以保證無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)切斷橫向修正作用，從而減小平臺(tái)的盤(pán)旋誤差。同樣，縱向修正馬達(dá)的激磁繞組經(jīng)外加控制繼電器接到電源，以減小平臺(tái)的加速度誤差。

3 智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 電源供電系統(tǒng)，包括36V(400Hz)三項(xiàng)交流電源和27V直流穩(wěn)壓電源。

3.1.2 PXI-1042Q嵌入式數(shù)字計(jì)算機(jī)一臺(tái)，用于數(shù)據(jù)的運(yùn)算、處理和存儲(chǔ)。包括串口通訊卡、繼電器控制卡、萬(wàn)用表卡、A/D卡、D/A卡、機(jī)箱總線母版等[1]。

3.1.3 飛控系統(tǒng)綜合測(cè)試箱，包括IO轉(zhuǎn)換板、開(kāi)關(guān)陣板、信號(hào)調(diào)理板、電源板和底板。主要功能包括將27V轉(zhuǎn)換成±15V直流信號(hào)，為信號(hào)調(diào)理提供濾除高頻雜波和交流諧波的±15V電源[1]。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)了±15V、DC輸入電壓，36V三相AC輸入電壓、精度測(cè)試、漂移測(cè)試、修正測(cè)試、啟動(dòng)時(shí)間和三項(xiàng)工作電流、電位計(jì)電阻測(cè)試七項(xiàng)功能模塊檢測(cè)。同時(shí)，本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了波形顯示功能，將萬(wàn)用表卡的測(cè)量值送到波形圖上實(shí)時(shí)顯示，并將結(jié)果以EXCEL表格形式保存于指定磁盤(pán)。其軟件模塊測(cè)試流程如圖3所示。

3.2.2 檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

3.2.2.1 ±15VDC輸入電壓模塊。通過(guò)飛控系統(tǒng)綜合測(cè)試箱的電源轉(zhuǎn)換模塊板將27V直流電壓轉(zhuǎn)換成±15V電壓分別加在俯仰和滾轉(zhuǎn)電位計(jì)兩端，用于檢測(cè)兩種姿態(tài)下反饋電位計(jì)的輸出電壓值。

3.2.2.2 36V三相AC輸入電壓模塊。利用萬(wàn)用表卡檢測(cè)三項(xiàng)36V交流供電線電壓值，判斷供電電源三項(xiàng)的對(duì)稱性。

3.2.2.3 啟動(dòng)時(shí)間和三項(xiàng)工作電流模塊。通過(guò)檢測(cè)陀螺平臺(tái)啟動(dòng)后第一項(xiàng)工作電流大小，自動(dòng)判斷啟動(dòng)時(shí)間，并測(cè)量另外兩項(xiàng)工作電流。

3.2.2.4 精度測(cè)試模塊。通過(guò)觀察俯仰和滾轉(zhuǎn)電位計(jì)輸出電壓值和波形顯示，檢測(cè)陀螺平臺(tái)穩(wěn)定工作時(shí)的零位電壓值。

3.2.2.5 漂移測(cè)試模塊。用于檢測(cè)陀螺靜止?fàn)顟B(tài)下5min鐘內(nèi)橫向和縱向偏離基礎(chǔ)零位的度數(shù)。

3.2.2.6 修正測(cè)試模塊。用于檢測(cè)陀螺平臺(tái)偏離基準(zhǔn)零位后(大于5°小于8°)，俯沖/上仰/左傾/右傾四個(gè)方向修正5°所需要的時(shí)間。

3.2.2.7 電位計(jì)電阻測(cè)試模塊。用于測(cè)量陀螺平臺(tái)內(nèi)部反饋電位計(jì)和分壓電阻的電阻值。

3.3 測(cè)試過(guò)程

測(cè)試開(kāi)始前將陀螺平臺(tái)與測(cè)試設(shè)備專用電纜連接，啟動(dòng)36V交流和27V直流供電電源，點(diǎn)擊“陀螺平臺(tái)測(cè)試”，進(jìn)入測(cè)試界面。測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目需求點(diǎn)擊相應(yīng)的功能模塊，例如，檢測(cè)陀螺平臺(tái)修正時(shí)間測(cè)試時(shí)，首先點(diǎn)擊“漂移測(cè)試”，此時(shí)波形上方的“測(cè)試指示”燈亮，表明已經(jīng)進(jìn)入該項(xiàng)功能測(cè)試，自動(dòng)進(jìn)入第一個(gè)縱向漂移測(cè)量，點(diǎn)擊“斷開(kāi)縱修”開(kāi)關(guān)，點(diǎn)擊“縱向計(jì)時(shí)”，計(jì)時(shí)器開(kāi)始工作，當(dāng)計(jì)時(shí)300s(即5min)時(shí)，計(jì)時(shí)器停止工作，縱向漂移右側(cè)指示燈亮，同時(shí)，進(jìn)入橫向漂移測(cè)量，斷開(kāi)橫向修正開(kāi)關(guān)，計(jì)時(shí)300s后，橫向漂移右側(cè)指示燈亮，同時(shí)“測(cè)試指示燈”滅，表明“漂移測(cè)試”檢測(cè)結(jié)束。其他功能模塊測(cè)試過(guò)程與此相同。待所有功能測(cè)試結(jié)束后，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)保存”，通過(guò)LabVIEW的文件操作功能，將測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)寫(xiě)入EXCEL表格，并以測(cè)試時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間命名保存。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于LabVIEW 的陀螺平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)的組成、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)陀螺平臺(tái)的啟?？刂?，指標(biāo)數(shù)據(jù)參數(shù)采集、計(jì)算處理、顯示和存儲(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，各個(gè)功能模塊功能運(yùn)行正常，性能穩(wěn)定。相對(duì)于傳統(tǒng)陀螺平臺(tái)測(cè)試方法，具有操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用。

[1] 姜楊等.基于LabVIEW的電動(dòng)舵機(jī)智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2011(6).

[2] 諶娟娟，巨輝，劉鵬.基于LabVIEW的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行特性測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014(5).

[3] 范春濤，徐城烽等.基于LabVIEW的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015(4).

[4] 孟超群.基于LabVIEW的電機(jī)型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2013，40(5).

[5] 楊樂(lè)平,李海濤.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[6] 飛控系統(tǒng)技術(shù)說(shuō)明書(shū).南京：南京航空航天大學(xué),2008.

Design and Implementation of Test System for Gyroscope PlatformBased on LabVIEW

JIANG Yang1,2CHEN Ming-xuan1SHEN Xing1

(1.State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，NanjingUniversity of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016, China；2.92419 Unit of PLA，Liaoning 125106, China)

Measurement and control of gyroscope platform are problems frequently encountered in the process of modern industrial production and testing. In view of the shortcomings to the traditional testing system of gyro platform, a testing system of gyroscope platform based on LabVIEW is developed. The system takes the PXI-bus computer as the control core, using data acquisition and conversion technology, with multiple signal transformation processing to accomplish the intelligent test system. Testing projects and targets meet gyroscope platform testing requirements.

Gyroscope platform LabVIEW Virtual instrument Module

2016-08-21，

2016-11-02

姜楊(1982-)，男，工程師，主要研究方向：無(wú)人機(jī)應(yīng)用研究。

1000-7202(2017) 02-0018-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.04

TP311

A