信光成，蘇長青，熊志偉，李 豐，丁德甫，黃 琛

(九江精密測試技術(shù)研究所，九江 332000)

0 引言

微機電慣性系統(tǒng)在尺寸、質(zhì)量、功耗、環(huán)境適應(yīng)性等方面具備傳統(tǒng)慣性系統(tǒng)無可比擬的優(yōu)勢。隨著微慣性技術(shù)的發(fā)展和無人機、智能彈藥等實戰(zhàn)裝備應(yīng)用需求的不斷提升，微機電慣性系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，用量持續(xù)增長，傳統(tǒng)的慣性測試模式受測試周期長、測試效率低、測試成本高等弊端的影響，已經(jīng)無法滿足微機電慣性系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用帶來的測試需求。

基于任務(wù)的微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試技術(shù)，是將慣性測試技術(shù)、并行測試技術(shù)、飛行仿真技術(shù)、復(fù)合環(huán)境模擬技術(shù)、自動化測試技術(shù)等進行交叉與融合。它將原來的微機電慣性系統(tǒng)串行、靜態(tài)、半自動測試提升到了并行、動態(tài)、復(fù)合環(huán)境、全自動化測試，并在此基礎(chǔ)上形成了一整套微機電慣性系統(tǒng)開放式測試體系，包括硬件、軟件、接口、測試程序等，形成了微機電慣性系統(tǒng)測試全過程、一站式服務(wù)。

1 研究現(xiàn)狀

慣性測試方法貫穿于慣性系統(tǒng)研制生產(chǎn)始末，直接關(guān)系到導(dǎo)航和制導(dǎo)的精度,意義重大，牽涉多個專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域,難度頗大，世界各大國均將其作為高新關(guān)鍵技術(shù)堅持不懈地努力攻關(guān)[1]。

2010年美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)啟動了定位、導(dǎo)航和授時微技術(shù)(Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing，Micro-PNT)項目(見圖1)，總體目標(biāo)是突破微陀螺技術(shù)(零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01(°)/h，動態(tài)范圍15000(°)/s)，并在微尺度上進行系統(tǒng)集成，形成體積約8mm3、質(zhì)量約2g、功耗低于1W的微型自主定位導(dǎo)航授時系統(tǒng)[2-4]。2016年3月，美國DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室選定諾格公司開發(fā)的基于微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mech-anical System，MEMS)的新一代慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)，旨在通過集成先進的MEMS慣性傳感器，開發(fā)低成本、小尺寸、低功耗的小型化導(dǎo)航級IMU。與之前相比較，該IMU更輕、更小，而且還可用于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)拒止和高對抗環(huán)境[5-7]。以上2個項目都明確將微機電慣性系統(tǒng)測試作為單獨的研究內(nèi)容進行重點攻關(guān)[8-9]。

圖1 微PNT概念圖Fig.1 Schematic of micro PNT

在測試體系方面，美國NxTest體系結(jié)構(gòu)是信息共享和交互的結(jié)構(gòu),能夠滿足測試系統(tǒng)內(nèi)部各組件間、不同測試系統(tǒng)之間、測試系統(tǒng)與外部環(huán)境間、被測對象間信息的共享與無縫交互，便于形成并行測試。這個方面，美國的試驗與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)(Test and Training Enabling Architecture，TENA)系統(tǒng)比較先進。它是美軍在高層體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture，HLA)的基礎(chǔ)上提出的, 并且對其進一步擴展, 提供了更多特定的功能來滿足試驗與訓(xùn)練的需要，其目的是滿足未來試驗與訓(xùn)練領(lǐng)域的更廣泛的需求。TENA被設(shè)計使用大規(guī)模、分布式的、實時的綜合環(huán)境來進行遠(yuǎn)程試驗和仿真, 包括完整的試驗、訓(xùn)練、仿真和高性能計算技術(shù), 使得分布在不同地區(qū)的設(shè)備能夠統(tǒng)一使用一個體系架構(gòu)來進行資源的共享和管理[10]。美國空軍關(guān)注作戰(zhàn)環(huán)境與測試的關(guān)系，提出了基于能力的試驗和評估(Capabilities-Based Test and Evaluation，CBTE)，將作戰(zhàn)能力與測試緊密聯(lián)系起來，確保測試來源于作戰(zhàn)環(huán)境[11]，這些為基于任務(wù)的測試體系建立進行了有意義的嘗試。

在微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試方面，國外研究的熱點主要研究集中在并行測試、復(fù)合環(huán)境測試與全測試流程的解決方案。

ACUTRONIC公司為Kongsberg公司運動參考單元(Motion Reference Unit，MRU)研制的規(guī)模化生產(chǎn)測試系統(tǒng)，可以實現(xiàn)批量MRU角速度、角加速度、線加速度、溫度激勵與測試。澳大利亞Sensor Dynamics AG公司在其生產(chǎn)慣性MEMS器件的過程中也采用了批量測試技術(shù)與設(shè)備，可以對批量微機電慣性系統(tǒng)進行測試、標(biāo)定與溫度補償，提高了生產(chǎn)效率。芬蘭AFORE公司開發(fā)了APOLLON系列產(chǎn)品，主要由溫箱、雙軸轉(zhuǎn)臺、測試機以及數(shù)據(jù)處理軟件組成，可以實現(xiàn)微機電慣性器件、微機電慣性系統(tǒng)全天候(24/7)規(guī)?；瘻y試，形成一站式測試解決方案。意大利SPEA公司，專門針對微機電慣性傳感器批量測試研制的TestCells，可以實現(xiàn)33000片/h的測試速率，大幅提高了微慣性器件測試效率。德國Multi-test公司的InGyro產(chǎn)品，不僅可以進行微機電慣性器件批量測試，而且實現(xiàn)了批量測試六軸(三軸陀螺、三軸加速度計)、九軸(三軸陀螺、三軸加速度計、三軸磁強計)慣性測量單元能力。

以上分析可以看出，國外憑借完備的測試體系與先進的測試技術(shù)，已經(jīng)在微機電慣性系統(tǒng)測試領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了批量自動化測試，其測試設(shè)備、測試方法與數(shù)據(jù)處理的完美結(jié)合，實現(xiàn)了微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試一站式解決方案，大幅提高了微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；圃煨?。

國內(nèi)微機電慣性系統(tǒng)測試主要是微機電慣性系統(tǒng)研制生產(chǎn)單位在傳統(tǒng)慣性測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了初步的適應(yīng)性改進。一方面，由于缺乏專業(yè)的微機電慣性系統(tǒng)測試解決方案供應(yīng)；另一方面，由于缺乏對微機電慣性系統(tǒng)測試體系的深入研究，在測試效率、測試成本方面與國外還存在較大差距。國外典型微機電慣性系統(tǒng)測試解決方案如表1所示。

表1 國外典型微機電慣性系統(tǒng)測試解決方案

2 發(fā)展趨勢

基于任務(wù)的微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試技術(shù)，采用批量、并行、自動化測試?yán)砟睿诓⑿袦y試程序的控制下同時對多個被測對象進行測試。相比傳統(tǒng)慣性系統(tǒng)串行測試技術(shù), 它以測試任務(wù)為中心，通過對系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用，可以大幅度提高測試效率及測試質(zhì)量, 提高測試資源利用率, 降低整個裝備測試成本。目前，主要的發(fā)展趨勢如下[12]：

(1)先進、完善的測試體系

根據(jù)常用的實際測試，需要定義一個標(biāo)準(zhǔn)化的核心標(biāo)準(zhǔn)測試體系, 針對不同型號產(chǎn)品和不同地點的實際測試系統(tǒng)都基于該核心測試體系進行測試。一方面, 該核心測試體系應(yīng)該可以通過軟件編程自定義其實際功能; 另一方面, 核心測試體系還需具有針對具體應(yīng)用進行擴展的能力?？紤]到這兩方面因素, 核心測試體系最理想的表現(xiàn)形式是基于任務(wù)的模塊化軟硬件平臺。

(2)多通道測試

微慣性技術(shù)變革已經(jīng)對慣性測試行業(yè)產(chǎn)生巨大影響, 其中2個關(guān)鍵技術(shù)趨勢尤為突出, 其一是規(guī)?；圃旒夹g(shù),其二是高效率測試技術(shù)。這2個技術(shù)趨勢都要求微機電慣性系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)并行測試, 這就需要可配置的多通道測試系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)可以在同一設(shè)備上并行測試多個被測試件和多個測試項目。

(3)高速傳輸與計算

隨著測試需求的日益復(fù)雜和數(shù)據(jù)量的增長, 批量并行自動化測試系統(tǒng)需要更強的處理能力, 高速傳輸與計算能力應(yīng)具有高吞吐量點對點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、低延遲、能夠提供用戶自定義處理節(jié)點這三大特性。

(4)實時測試

實時測試提高了測試的穩(wěn)定性和可靠性。一個典型的實時測試是硬件在回路測試,在微機電慣性系統(tǒng)測試項目中包括各種形式的設(shè)計仿真、驗證以及系統(tǒng)測試, 常常涉及各種工具之間的轉(zhuǎn)換。如果在開發(fā)和測試過程中可以重復(fù)利用模型和其他組件將顯著提升產(chǎn)品開發(fā)效率。實時測試軟件就提供了這種可重復(fù)使用模型和測試任務(wù)的能力, 包括需求跟蹤、激勵模型、測試順序以及分析程序, 貫穿整個產(chǎn)品設(shè)計流程。除了提高效率、降低成本, 在設(shè)計流程的所有階段使用相同測試軟件還可以最大程度保證從最初的產(chǎn)品定義到最終系統(tǒng)測試的連續(xù)性與一致性，最大限度降低事后處理帶來的各種弊端。

(5)可重復(fù)配的測試儀器

新一代測試系統(tǒng)要求軟件、硬件均應(yīng)具有可重復(fù)配置能力，體現(xiàn)其靈活性及可自定義等特性。研發(fā)工程師和測試工程師均可以將自己的測試方法部署到測試儀器中所嵌入的處理器上,隨時完成被測件的測試。

3 測試體系

慣性測試方法，核心就是研究選用合理的測試設(shè)備及其組合，對慣性系統(tǒng)進行測試，并對測試數(shù)據(jù)進行分析處理，得到正確的測試結(jié)果。通常情況下，測試方法應(yīng)該涵蓋三大基本功能，即：信號的測量與控制、數(shù)據(jù)的分析與處理，測試結(jié)果的計算與輸出。

基于任務(wù)的微機電慣性系統(tǒng)規(guī)模化測試技術(shù)的目的是進一步提高自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通用性、設(shè)計復(fù)用性、儀器互換性、軟件移植性和系統(tǒng)之間的互操作性, 提升測試裝備資源的利用率, 關(guān)鍵在于對自動化測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行深入的研究, 構(gòu)建一種通用的、標(biāo)準(zhǔn)的測試體系結(jié)構(gòu)。

基于任務(wù)的測試體系結(jié)構(gòu)(見圖2)主要包括：測試設(shè)備、測試程序集和測試程序開發(fā)環(huán)境3個部分的開放式體系結(jié)構(gòu)。其中測試程序集包括測試軟件、接口適配器、測試文檔3個部分。所謂開放式體系結(jié)構(gòu)，就是以測試需求為導(dǎo)向，根據(jù)測試需求，在測試環(huán)境下開發(fā)測試軟件、編寫測試腳本、選擇測試設(shè)備、分選測試接口，最后在軟件與硬件的配合下，自動化完成測試。

圖2 基于任務(wù)的微機電慣性系統(tǒng)測試體系Fig.2 Task-based MEMS inertial system testing system

4 測試解決方案

某批次微機電慣性系統(tǒng)，在完成基本的組裝和電氣調(diào)試以后，需要進行標(biāo)定、溫度補償、飛行仿真試驗。根據(jù)基于任務(wù)的微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試技術(shù)要求，以測試任務(wù)為中心，搭建批量測試體系，技術(shù)方案如下。

4.1 測試設(shè)備

測試設(shè)備部分，主要是將傳統(tǒng)慣性測試用的轉(zhuǎn)臺、溫箱、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等進行集成優(yōu)化，集成為一套系統(tǒng)。同時根據(jù)微機電慣性系統(tǒng)的特點研究設(shè)計一種合理的工裝，方便批量被測試件的安裝與供電。

在環(huán)境模擬方面，采用U-T型雙軸轉(zhuǎn)臺，內(nèi)框安裝溫控箱，一方面保證批量被測試系統(tǒng)便于安裝；另一方確保被測試系統(tǒng)得到有效的運動激勵和溫度激勵。

多路數(shù)據(jù)采集方面，采用對采集的通道數(shù)據(jù)進行標(biāo)簽標(biāo)號的方法，保證采集數(shù)據(jù)的通道正確，然后利用FIFO緩沖隊列的方式將數(shù)據(jù)進行緩沖存儲(見圖3)。

圖3 多路數(shù)據(jù)采集方式Fig.3 Multichannel data acquisition

硬件采用ARM+FPGA的方式進行微機電慣性系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸，數(shù)據(jù)采集單元可同時進行多路微機電慣性系統(tǒng)的信號采集，采集后的數(shù)據(jù)通過并行總線發(fā)送給ARM處理器，數(shù)據(jù)打包處理后通過以太網(wǎng)接口傳輸給上位機，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集板功能框圖Fig.4 Functional block diagram of data acquisition board

4.2 測試方法

從微機電慣性系統(tǒng)的原理、組成結(jié)構(gòu)、信號輸出形式、誤差特性等方面入手，建立合理的微機電慣性系統(tǒng)誤差數(shù)學(xué)模型，作為批量測試的基礎(chǔ)。微機電慣性系統(tǒng)精度較低，采用傳統(tǒng)的測試方法，測試設(shè)備必須對北、調(diào)平，嚴(yán)重影響了微機電慣性系統(tǒng)的測試效率。因此，這里研究探索了一種免對北調(diào)平的批量測試方法[13-17]。

根據(jù)對微機電慣性系統(tǒng)誤差特性的分析，建立如下誤差數(shù)學(xué)模型：

(1)

其中：NGi為陀螺i的輸出；KGi為陀螺i的標(biāo)度因數(shù)；D0i為陀螺i的零偏；Dxi、Dyi、Dzi為由Ax、Ay、Az引起的與加速度有關(guān)的誤差系數(shù)；cos(Gi,X)、cos(Gi,Y)、cos(Gi,Z)為陀螺敏感軸與組合坐標(biāo)系各軸的方向余弦；NAi為加速度計的輸出；KAi為加速度計的標(biāo)度因數(shù)；K0i為加速度計的零偏；cos(Ai,X)、cos(Ai,Y)、cos(Ai,Z)為加速度計敏感軸與組合坐標(biāo)系各軸的方向余弦。

根據(jù)所建立的誤差數(shù)學(xué)模型，采用六位置二十四點法，將微慣性測量單元的3個正交坐標(biāo)軸分別朝上和朝下進行東、西、南、北4個位置的實驗以及不同輸入角速度的速率實驗。

圖5 基于正交坐標(biāo)系的批量安裝夾具Fig.5 Batch install fixtures based on orthogonal coordinate system

將慣性微系統(tǒng)的X、Y、Z三軸分別向上、向下共六位置繞鉛垂線東、南、西、北轉(zhuǎn)1圈作為4點采樣以求其均值(6位置24點)。對慣性微系統(tǒng)的加速度計而言，記錄加速度計在每個位置的靜態(tài)輸出，并記：

N(x+,i)為X軸向上的4點位置輸出；

N(y+,i)為Y軸向上的4點位置輸出；

N(z+,i)為Z軸向上的4點位置輸出；

N(x-,i)為X軸向下的4點位置輸出；

N(y-,i)為Y軸向下的4點位置輸出；

N(z-,i)為Z軸向下的4點位置輸出。

這里，(i=1，2，3，4)。

分別對每個位置的4點求平均，即：

(2)

對慣性MEMS陀螺而言，通過慣性測試設(shè)備，在每個位置提供±5(°)/s、±10(°)/s、±20(°)/s、±50(°)/s、±100(°)/s的均勻角速度，記錄陀螺的輸出并對每個數(shù)據(jù)求均值，并記：

N(x+,k)為X軸在角速率點ωk正轉(zhuǎn)的均值；

N(x-,k)為X軸在角速率點ωk反轉(zhuǎn)的均值；

N(y+,k)為Y軸在角速率點ωk正轉(zhuǎn)的均值；

N(y-,k)為Y軸在角速率點ωk反轉(zhuǎn)的均值；

N(z+,k)為Z軸在角速率點ωk正轉(zhuǎn)的均值；

N(z-,k)為Z軸在角速率點ωk反轉(zhuǎn)的均值。

定義：

(3)

其中，N的前3列為3軸加速度計在6個位置的輸出，后面3列為3軸陀螺在6個位置的輸出。

則單次試驗加速度計標(biāo)定參數(shù)可按照如下進行計算：

設(shè)：

(4)

則有：

Ni=AK

(5)

Ni為N中加速度計的第i列。采用最小二乘法，計算K。

式中：

(6)

其中，g為當(dāng)?shù)刂亓Α?/p>

同理，慣性MEMS陀螺標(biāo)定參數(shù)可按照如下進行計算：

計算ωk角速率點上的一次項系數(shù)：

(7)

(8)

其中，Ni為N中陀螺部分的第i列。ωie為地球相對慣性系的角速度。

則有

Ni=AD

(9)

采用最小二乘法，可以計算出D。

研究設(shè)計批量慣性微系統(tǒng)專用安裝巢板與測試最優(yōu)路徑，選擇合適的慣性測試設(shè)備，進行批量測試?；谧钚《朔▽ε繎T性微系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)進行處理，研究開發(fā)專用誤差分離軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的自動化運行。

采用基于正交坐標(biāo)系的安裝夾具，采用測試轉(zhuǎn)臺的位置、速率功能，在保證安裝精度的前提下，可以實現(xiàn)正交安裝矩陣6個面多點的批量慣性微系統(tǒng)激勵信號感應(yīng)，便于一次性批量標(biāo)定。首先，設(shè)定一個中心位置點的微慣性系統(tǒng)為基準(zhǔn)測試目標(biāo)，將其X、Y、Z三軸按照東、北、天方向放置，然后按照Z軸正向→Z軸負(fù)向→Y軸正向→Y軸負(fù)向→X軸正向→Z軸負(fù)向的測試路徑，分別進行位置測試和速率測試。位置測試，主要是根據(jù)慣性微系統(tǒng)的輸出信號，對微機械加速度計的各項誤差系數(shù)、微機械陀螺的零偏及其與加速度相關(guān)的誤差項系數(shù)進行誤差分離。速率測試主要是對微機械陀螺的標(biāo)度因數(shù)以及安裝誤差進行誤差分離。根據(jù)研究設(shè)計的旋轉(zhuǎn)正交安裝矩陣，對慣性微系統(tǒng)批量安裝夾具上的安裝點進行分類編號，安裝點數(shù)目多，數(shù)據(jù)量大。為了提高數(shù)據(jù)處理效率，研究設(shè)計了最小二乘誤差分離算法，采用模塊化設(shè)計思路編寫數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)批量、分選誤差分離的目的。

針對溫度、溫度梯度以及溫度變化率對微機電慣性系統(tǒng)性能的影響，設(shè)計采用高分辨率溫控設(shè)備，對批量慣性微系統(tǒng)進行溫度測試，得到溫度誤差系數(shù)，為微機電慣性系統(tǒng)溫度補償做準(zhǔn)備。

根據(jù)誤差補償原理，建立微機電慣性系統(tǒng)的誤差補償模型如下：

(10)

其中：N為微機電慣性系統(tǒng)的實際輸出；F為微機電慣性系統(tǒng)在溫度作用下的輸出；θ為微機電慣性系統(tǒng)溫度誤差系數(shù)。X為溫度矩陣；β為溫度誤差系數(shù)矩陣；n為試驗溫度點數(shù)；m為溫度誤差模型的階數(shù)。

根據(jù)測試任務(wù)，確定溫度點數(shù)n以及溫度點，反復(fù)進行試驗驗證，確定β、m，為誤差補償做好準(zhǔn)備。

4.3 測試軟件

基于任務(wù)的微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試技術(shù)，測試軟件是優(yōu)化測試體系、實現(xiàn)自動化測試、批量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。

通過測試軟件，用戶根據(jù)測試要求，選取多個標(biāo)準(zhǔn)測試項目模塊形成測試任務(wù)。同時，用戶可對模塊中的測試參數(shù)進行調(diào)整，測試任務(wù)定制完成后，啟動測試。測試系統(tǒng)按照測試任務(wù)制定的測試項目順序，依次完成測試項目，在進行每項測試項目時，軟件根據(jù)測試項目要求，自動設(shè)定轉(zhuǎn)臺、溫箱、測試裝置控制參數(shù)，采集并存儲測試數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理，并將測試結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖表的方式發(fā)送至對應(yīng)測試產(chǎn)品的結(jié)果匯總表中。

測試軟件采用模塊化設(shè)計方法，從下而上搭建完整的測試流程。測試流程由測試項目集合而成，測試項目由測試命令集合而成，測試流程結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 測試軟件流程結(jié)構(gòu)Fig.6 Test software process structure

5 結(jié)論

本文在分析微機電慣性系統(tǒng)本身特點以及微機電慣性系統(tǒng)測試帶來新挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，對基于任務(wù)的微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試技術(shù)進行了研究，結(jié)論如下：

1)微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試是當(dāng)今慣性技術(shù)的研究熱點；

2)微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試的發(fā)展趨勢是批量、并行、自動化測試；

3)本文以測試任務(wù)為中心，構(gòu)建了微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；瘻y試的測試體系，并對技術(shù)方案進行了論證；

4)本文的研究成果可以提高微機電慣性系統(tǒng)的測試效率，降低測試成本，進而提高微機電慣性系統(tǒng)的制造效率，為微機電慣性系統(tǒng)的批量應(yīng)用做好支撐。