劉 浩 陶 鈞

光纖慣組調(diào)測試自動化技術研究

劉 浩 陶 鈞

（北京航天時代光電科技有限公司，北京 100094）

針對光纖慣組批量生產(chǎn)中調(diào)測試環(huán)節(jié)技術難度大、操作復雜、生產(chǎn)效率低等瓶頸問題，采用試驗設備自動控制、產(chǎn)品數(shù)據(jù)自動處理以及調(diào)測試流程無縫鏈接等技術，實現(xiàn)了調(diào)測試從試驗操作到數(shù)據(jù)處理直至報告生成的全流程一鍵觸發(fā)式自動化，大幅提升了調(diào)測試效率、過程可靠性和質(zhì)量一致性。

光纖慣組；調(diào)測試；自動化；數(shù)據(jù)處理

1 引言

光纖慣組（即光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量組合）作為一種新型慣測裝置，是慣性測量設備發(fā)展的一個重要方向。隨著光纖慣組在彈、箭、星、船等領域成功應用，多個型號產(chǎn)品陸續(xù)進入設計定型階段，光纖慣組正快速走向批量生產(chǎn)。如何進一步提升光纖慣組的批產(chǎn)能力，使之更好地為國防建設服務已成為亟待解決的工藝瓶頸問題[1]。

光纖慣組產(chǎn)品屬精密儀器，具有精度指標多、調(diào)測試難度大、過程復雜、耗時長等特點[2]，調(diào)測試環(huán)節(jié)的生產(chǎn)能力不足，成為嚴重制約整個光纖慣組生產(chǎn)能力提升的瓶頸，產(chǎn)能壓力非常大。經(jīng)過分析，光纖慣組調(diào)測試流程主要有以下兩點問題：測試項目多、操作復雜且多為手動操作，測試效率低，對工人技能要求高，崗前培訓時間長；數(shù)據(jù)處理為手動方式，且步驟多，對工人技能要求高，耗費時間特別長。

針對上述問題，該研究通過對試驗設備的遠控、數(shù)據(jù)自動處理以及軟件無縫鏈接等技術，實現(xiàn)了光纖慣組調(diào)測試從試驗操作到數(shù)據(jù)處理再到測試報告生成的全過程一鍵觸發(fā)式自動化，有效提升了光纖慣組調(diào)測試過程的自動化水平，提高了該環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率和質(zhì)量可靠性。

2 調(diào)測試流程分析

光纖慣組生產(chǎn)經(jīng)過裝配、調(diào)測試、檢驗、交付四個環(huán)節(jié)，其中調(diào)測試環(huán)節(jié)占時間比重較大，是交付前的重要環(huán)節(jié)。調(diào)測試流程主要由調(diào)測試試驗操作和原始數(shù)據(jù)處理分析兩大部分組成。

2.1 調(diào)測試試驗過程

調(diào)測試環(huán)節(jié)涵蓋了環(huán)境適應性缺陷剔除、誤差建模與標定、模擬使用條件下性能測試等項目，用以剔除光纖慣組早期故障，釋放其應力，大幅提高產(chǎn)品使用精度，全面驗證產(chǎn)品各項性能指標等[3]。該過程將實現(xiàn)產(chǎn)品整體性能提升，是提高各類光纖慣組整體性能水平的重要手段，同時還為交付驗收工作提供數(shù)據(jù)支撐。

光纖慣組典型調(diào)測試流程涉及20余個試驗項目，含位置測試、速率測試、溫度測試等單線程操作測試，及溫度速率、溫度位置等多線程操作測試[1]。這些項目全是手動操作，需要工人在某段時間內(nèi)反復操作溫箱、轉(zhuǎn)臺、工控機、數(shù)據(jù)采集裝置等測試設備[4]。因為試驗周期長，操作對象多，操作精度要求嚴格，工人操作時往往手忙腳亂，難以精確控制，造成調(diào)測試失誤。

以某型慣組為例，其溫度模型標定試驗需在5個溫度點下進行六位置測試，慣組現(xiàn)有調(diào)測試方法為工人適時查看溫箱溫度，到溫后，手動翻轉(zhuǎn)產(chǎn)品，并操作電源、數(shù)據(jù)采集裝置、軟件來記錄產(chǎn)品數(shù)據(jù)，一個溫度操作完畢再進行下一溫度點的相同測試。在15h的測試周期中，共需180次鼠標點擊操作、120次開關設備及30余次溫度查看，操作流程繁復，對工人精力和職業(yè)素質(zhì)提出了較高要求。

若想將工人從繁重的操作中解脫出來，避免人為因素造成的失誤，且降低公司的人力成本，首先需要將人為操作的設備進行自動化控制：速率轉(zhuǎn)臺、溫度試驗箱、一次電源的遠程自動控制。

2.2 原始數(shù)據(jù)處理

慣組的數(shù)據(jù)處理工作位于試驗操作結(jié)束后，是試驗過程的重要組成部分，包含數(shù)據(jù)調(diào)用、數(shù)值計算、結(jié)果分析和記錄等步驟?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理為手動方式，且步驟多，對工人技能要求高，耗費時間長。

一方面，目前的數(shù)值計算步驟操作繁瑣。在慣組數(shù)值計算過程中，各測試項目的數(shù)據(jù)處理程序往往由多個Matlab子函數(shù)組成，其操作過程復雜。操作人員需先將數(shù)據(jù)的存儲路徑添加到Matlab的當前工作路徑，然后將數(shù)據(jù)進行載入操作，再調(diào)用相應試驗數(shù)據(jù)處理用的函數(shù)，并設置參數(shù)，最終完成試驗數(shù)據(jù)的計算與分析。這一系列操作貫穿于各個項目的測試過程中，用于查看測試中產(chǎn)品的性能指標。

另一方面，現(xiàn)有的結(jié)果記錄方式工作強度大，效率低下。試驗結(jié)果的記錄方式是將上述一系列數(shù)據(jù)調(diào)用、計算、分析得到的結(jié)果，按指定要求寫入試驗記錄本、數(shù)據(jù)包或測試報告，每套產(chǎn)品測試中該步驟往往重復數(shù)百次。

此外，原模式下，部分難度大項目的數(shù)據(jù)處理工作根本無法由工人完成。以某型慣組數(shù)據(jù)處理工作為例，對光纖陀螺分段補償和標定系數(shù)回讀操作進行說明。光纖陀螺分段補償操作難度高。為滿足技術指標要求，慣組采用某種補償算法建立光纖陀螺的誤差模型，其補償前后模擬輸出如圖1所示。

圖1 光纖陀螺補償前后輸出對比

原狀態(tài)下，該補償工作完全由技術人員負責，一名熟練技術人員完成一套慣組的補償工作需5～6h左右（分多次完成）。其難點除由多個Matlab函數(shù)文件組成、操作較復雜外，補償時還需對分段點進行人為判斷、對殘差進行甄選等操作。

綜上所述，數(shù)據(jù)處理的自動化改進是測試全過程自動化技術的重要組成部分；數(shù)據(jù)處理自動化程度的高低也將是測試全過程自動化程度高低的一個衡量部分。根據(jù)光纖慣組原狀態(tài)下的數(shù)據(jù)處理方式，其自動化對象包括試驗數(shù)據(jù)的計算分析與判讀、補償系數(shù)的計算整合與模擬補償。

數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，需要將計算得到的結(jié)果手動填入報告中進行歸檔。整個測試階段結(jié)束。原狀態(tài)下的測試、數(shù)據(jù)處理與試驗結(jié)果的記錄是各自獨立的工作流程，即測試完畢后需要單獨打開數(shù)據(jù)處理軟件，加載數(shù)據(jù)路徑，手動輸入命令進行處理，將處理結(jié)果手工抄錄到記錄本或錄入到電子文檔中。

上述工作在一個試驗項目中重復多次。操作復雜、效率低下、記錄不易保存，為了解決這個問題，需要進行測試、數(shù)據(jù)處理、生成報告無縫鏈接技術研究，使整個過程一鍵觸發(fā)，脫離手動操作模式，提高效率，避免人工失誤。

3 調(diào)測試自動化技術方案

由上述可知，實現(xiàn)光纖慣組調(diào)測試自動化主要從三個方面入手，即試驗操作、數(shù)據(jù)分析處理以及編寫測試報告。本方案為實現(xiàn)上述三方面的全程自動化，開展了三項技術研究（圖2）。

圖2 自動化技術分解圖

3.1 試驗設備自動化控制技術

3.1.1 調(diào)測試自動化時序方法

光纖慣組調(diào)測試過程中，組成部分包括溫箱、轉(zhuǎn)臺、電源和產(chǎn)品，所有的調(diào)測試項目圍繞這四部分展開。換言之，如果將不同的調(diào)測試項目進行高度概括，提取一個最大包絡[5]，既要控制溫箱又要控制轉(zhuǎn)臺，同時要擇取適當時機開啟或關閉電源，還要采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)的試驗類型。研究自動化時序的關鍵在于要考慮到所有的可能情況，例如溫箱和轉(zhuǎn)臺有可能只需要控制其中任意一個設備，也有可能兩個設備都不需要。所以提煉出測試時序的關節(jié)點是關鍵。

a. 應用的先后關系

根據(jù)分析，在調(diào)測試流程的最大包絡中，應用的先后關系是溫箱為第一層，轉(zhuǎn)臺為第二層；即在溫箱提供的溫度環(huán)境下，控制轉(zhuǎn)臺提供標準角速率。

b. 溫箱控制關節(jié)點

分析人工操作時對溫箱進行的各種控制，提煉出溫箱控制的關節(jié)點，包括溫度段數(shù)、每段的目標溫度、每段溫變率、保溫時間等。

c. 轉(zhuǎn)臺控制關節(jié)點

分析人工操作時對轉(zhuǎn)臺進行的各種控制，提煉出轉(zhuǎn)臺控制的關節(jié)點，包括控制模式、目標值（目標角度或速率）、角速度或加速度、旋轉(zhuǎn)方向、是否進行軸向分類等。

d. 電源開啟的關節(jié)點

電源開啟的關節(jié)點是開啟時機，根據(jù)對測試流程的分析，該關節(jié)點應存在于整個流程中的任意位置；即在整個自動化時序中，任意一個位置都有可能插入電源開啟的功能。

e. 產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集的關節(jié)點

根據(jù)測試工藝流程分析，數(shù)據(jù)采集的關節(jié)點包括是否采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集間隔、數(shù)據(jù)采集長度、開始采集時機、是否試通電、是否根據(jù)溫度值結(jié)束、是否開啟新的文檔、存儲數(shù)據(jù)的路徑、是否數(shù)據(jù)處理、是否返回路徑參數(shù)等一系列關節(jié)點。

根據(jù)上述提煉出的關節(jié)點，編寫自動化測試軟件，將其中時序以上述關節(jié)點進行描述[7]，其中電源控制和數(shù)據(jù)采集控制關節(jié)點可以隨意安置在時序的任意位置，實現(xiàn)自動化測試的多線程協(xié)同作業(yè)。根據(jù)不同的型號需求可以更改工藝參數(shù)，自動化功能、流程及測試界面隨之更改。

3.1.2 穩(wěn)定時間精確控制技術

速率穩(wěn)定時間精確控制技術就是使每個速率點的穩(wěn)定時間自適應，即通過判斷轉(zhuǎn)臺反饋的實測速率值，是否穩(wěn)定且滿足技術要求。經(jīng)分析單個速率點運行步驟，各速率點的初步穩(wěn)定時間為=T+nT，T是最短的速率轉(zhuǎn)換時間值，T是監(jiān)測控制柜反饋轉(zhuǎn)臺實時速率的時間間隔，即發(fā)送速率值命令T時間后，以T的時間間隔查詢轉(zhuǎn)臺是否穩(wěn)定且滿足要求。

由于轉(zhuǎn)臺是閉環(huán)控制系統(tǒng)，在初步達到設定速率值后會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，有必要在控制柜反饋實測值滿足要求的下一時刻再次對實測值進行判定[8]，當（T+nT）和（T+(+1)T）控制柜實測值均滿足技術要求，開始慣組數(shù)據(jù)采集。

溫度穩(wěn)定時間精確控制技術的概念與速率類似，是使每個溫度點的穩(wěn)定時間自適應，即通過判斷溫箱反饋的實測溫度值，是否穩(wěn)定且滿足技術要求。經(jīng)對單個溫度點運行步驟分解剖析，這個技術涉及的關鍵指標是溫度查詢頻率，該頻率值與溫箱設置的目標溫度和慣組實時測量溫度之差成反向關系，即溫差越小時查詢頻率高，直至慣組實測溫度滿足要求。

將上述算法嵌入到自動化測試軟件中，在軟件每次向溫箱、轉(zhuǎn)臺發(fā)送控制指令后即進行返回值讀取，并帶入上述公式運算，至狀態(tài)穩(wěn)定后，再進行下一步時序的控制操作，經(jīng)驗證，該技術保證了測試精度。

3.1.3 時序控制電路

研制時序控制電路作為測試關節(jié)點的控制端口，以達到控制產(chǎn)品自動通斷電的目的。

時序控制電路可實現(xiàn)4套光纖慣組的獨立控制，其通道數(shù)不少于4個，為確保測試人員可檢測裝置的工作狀態(tài)，各通道均應分別具備啟動和工作指示燈。在時序控制電路的控制模式方面，既可實現(xiàn)獨立分離通斷電控制功能，也可工作于多套慣組供電的同步通斷控制模式。響應時間是時序控制電路的關鍵指標，該時間直接決定設備速率或溫度值準備好后開始慣組數(shù)據(jù)采集的反應速度，根據(jù)溫度試驗的要求，該值一般不大于0.5s。在理想狀態(tài)下，時序控制電路中各通道阻抗的指標應盡可能小，但實際電路中受物理條件影響該值無法避免，一般阻抗控制在不大于0.1Ω。

3.2 產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理自動化技術

3.2.1 補償系數(shù)自動生成技術

首先在Matlab中將產(chǎn)品各路儀表的輸出與變化量（例如產(chǎn)品溫度值、標準速率、標準加速度輸入值）自動按照最小二乘法進行擬合，得出補償系數(shù)并進行整合；然后，利用Matlab與文本文件的鏈接技術，將補償系數(shù)置入到程序文件中的相應位置，如圖3所示；最后將程序文件直接自動編譯并鏈接生成可直接寫進慣組的二進制文件。

圖3 補償系數(shù)置入程序文件

針對需要人工分段的擬合方式，采用聚類算法識別出所有分段點并根據(jù)殘差最優(yōu)法得到最佳分段點并得到對應的模型系數(shù)，具體算法為：首先計算相鄰溫度點確定的-1個直線斜率，再通過均值聚類算法將-1個斜率分為類并記錄各斜率的索引值，然后按順序?qū)⑾噜彽姆謱俨煌悇e的斜率索引值作為可能的分段索引，得到可能的溫度分段點，再采用遍歷方式將所有可能的溫度分段點進行組合，然后使用一階擬合方式得到擬合值并計算殘差，最后通過尋找最小殘差的方法得到最優(yōu)溫度分段點并計算慣組的溫度模型系數(shù)。

與此同時，數(shù)據(jù)處理程序?qū)⒆詣邮褂糜嬎愠龅臄?shù)學模型補償系數(shù)對數(shù)據(jù)的原始輸出進行補償結(jié)果仿真，自動查看該系數(shù)的正確性。

3.2.2 補償系數(shù)回讀技術

當計算常溫速率數(shù)學模型的補償系數(shù)時，需要將溫度數(shù)學模型系數(shù)再一次計算；當計算小速率數(shù)學模型的補償系數(shù)時需要將常溫速率和溫度的數(shù)學模型補償系數(shù)都再一次計算。這是一個必要但卻冗繁的過程。

針對這一過程的必要性，自動化改進應保留其作用；針對這一過程的冗繁性，自動化改進需要省去重復計算的過程。補償系數(shù)回讀技術將會很好地實現(xiàn)這一目標。

首先，溫度數(shù)學模型系數(shù)自動計算完成后，數(shù)據(jù)處理軟件將自動把計算得出的模型系數(shù)和對應的產(chǎn)品編號按照陣列的方式存儲在特定的位置；然后，在常溫速率數(shù)學模型系數(shù)計算時，數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑹紫茸詣拥教囟ㄎ恢没刈x該套產(chǎn)品的溫度模型系數(shù)，比對產(chǎn)品編號無誤后，直接用于常溫速率補償系數(shù)的計算，并將計算得出的模型系數(shù)和對應的產(chǎn)品編號按照陣列的方式存儲在特定的位置；最后，在小速率數(shù)學模型系數(shù)計算時，數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑹紫茸詣拥教囟ㄎ恢没刈x該套產(chǎn)品的常溫速率模型系數(shù)（此時已經(jīng)包含溫度模型補償系數(shù)），比對產(chǎn)品編號無誤后，直接用于常溫速率補償系數(shù)的計算。

上述兩項復雜數(shù)據(jù)處理和補償算法，將直接被測試系統(tǒng)調(diào)用。當需要人工干預時，該部分算法的軟件也均采用GUI技術制作成交互式操作界面，實現(xiàn)了只需點一下按鈕即可自動完成數(shù)據(jù)處理的模式。

3.3 調(diào)測試全流程無縫鏈接技術

該技術旨在使測試、數(shù)據(jù)處理、生成報告進行無縫鏈接，達到一鍵觸發(fā)，實現(xiàn)從測試到數(shù)據(jù)處理到生成測試報告（包含各項結(jié)果記錄）的全自動化。由于各環(huán)節(jié)使用過的軟件環(huán)境不同，因此該技術的關鍵在于研究各軟件接口參數(shù)傳遞技術。

該技術在測試軟件和數(shù)據(jù)處理軟件之中實現(xiàn)，分為三個模塊：測試軟件與數(shù)據(jù)處理軟件通訊模塊、數(shù)據(jù)處理軟件與辦公軟件通訊模塊、數(shù)據(jù)處理結(jié)果置入模塊。

3.3.1 測試軟件與數(shù)據(jù)處理軟件通訊模塊

該模塊分為兩部分，一部分置于測試軟件中，實現(xiàn)與Matlab等數(shù)據(jù)處理軟件接口功能。測試軟件有VC++編寫而成，本模塊充分利用VC++配置靈活的優(yōu)點[6]，在試驗項目進行過程中的每一個獨立環(huán)節(jié)置入是否調(diào)用和如何調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序的參數(shù)，實現(xiàn)在不同的測試時機自動調(diào)用相對應的數(shù)據(jù)處理程序；另一部分置于數(shù)據(jù)處理軟件中，實現(xiàn)與測試軟件通訊模塊信息傳遞，用于打開數(shù)據(jù)處理軟件、接收測試軟件信息，將其作為參數(shù)運用于數(shù)據(jù)處理模塊中，實現(xiàn)信息異常等情況提示，即實現(xiàn)測試軟件和數(shù)據(jù)處理軟件間的自動調(diào)用。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理軟件與辦公軟件通訊模塊

該模塊置于數(shù)據(jù)處理軟件中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理軟件（如Matlab等）與辦公軟件間的混合編程，打通其ActiveX接口，使操作工人不需進行任何操作，由軟件內(nèi)嵌功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理軟件和辦公軟件間的無縫鏈接，極大降低測試操作的復雜度。

3.3.3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果置入模塊

該模塊將集成結(jié)果判斷功能，計算完成后自動打開辦公軟件，并將計算結(jié)果置入其中，并針對實際測試情況給出試驗結(jié)論，全過程無需操作工人參與。

基于該項技術，光纖慣組調(diào)測試實現(xiàn)了從測試到數(shù)據(jù)處理再到生成測試報告的全過程自動化。如圖4所示。

圖4 調(diào)測試全過程無縫鏈接示意圖

4 結(jié)束語

該技術方案已經(jīng)成功應用于多個批產(chǎn)型號光纖慣組調(diào)測試過程中，有效地降低了調(diào)測試技術難度和人為因素的干擾，大幅提升了調(diào)測試環(huán)節(jié)質(zhì)量一致性和可靠性，將調(diào)測試環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率提升了3倍以上。

光纖慣組調(diào)測試自動化技術通過對設備自動控制、數(shù)據(jù)自動處理以及對調(diào)測試各流程無縫鏈接等技術的研究，有效解決了光纖慣組調(diào)測試過程中試驗和數(shù)據(jù)分析過程復雜、難度高、依賴技術人員和耗時長等制約批量生產(chǎn)的瓶頸問題，提升了調(diào)測試流程的自動化程度和過程的一致性、可靠性。

自動化是產(chǎn)品和工藝標準化、規(guī)范化的體現(xiàn)，是保障批量生產(chǎn)成功的基礎。為穩(wěn)步提升光纖慣組調(diào)測試過程的質(zhì)量和性能，正在進一步加強自動化的基礎上，開展試驗信息管理系統(tǒng)的研制，整套系統(tǒng)建成后將實現(xiàn)試驗任務資源分配方案的智能推薦、調(diào)測試系統(tǒng)的管控以及全過程人機料法環(huán)測等生產(chǎn)信息的結(jié)構化管理和歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析。

建設自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化甚至智能化的生產(chǎn)線已經(jīng)成為當今大的趨勢。航天產(chǎn)品有著多品種、小批量、滾動生產(chǎn)的特點，其生產(chǎn)的自動化、數(shù)字化、智能化系統(tǒng)或產(chǎn)線需要更多的通用性、策略性考慮，對系統(tǒng)或產(chǎn)線設計者的要求更高。自動化、數(shù)字化、智能化的系統(tǒng)或產(chǎn)線將助力航天產(chǎn)品，推動研發(fā)和生產(chǎn)進入一種新的模式。

1 王巍. 光纖陀螺慣性系統(tǒng)[M]. 北京：中國宇航出版社，2010

2 王巍. 干涉型光纖陀螺儀技術[M]. 北京：中國宇航出版社，2010

3 時長娥. 干涉型光纖陀螺測試及其隨機誤差補償方法研究[D]. 南京：東南大學，2008

4 劉小衛(wèi). 光纖陀螺自動測試系統(tǒng)的研究[D]. 杭州：浙江大學，2008

5 侯俊杰. 深入淺出MFC[M]. 第2版. 武漢：華中科技大學出版社，2001

6 孫鑫. VC++深入詳解[M]. 修訂版. 北京：電子工業(yè)出版社，2012

7 譚浩強. C++程序設計[M]. 第2版. 北京：清華大學出版社，2004

8 胡壽松. 自動控制原理[M]. 第5版. 北京：科學出版社，2007

Automatic Debugging and Testing of FOG IMU

Liu Hao Tao Jun

(Beijing Aerospace Times Optoelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100094)

The bottleneck problems of difficulty in operation and complexity in production scheduling of FOG IMU in batch production are effectively solved through the technology including automatic control of test equipment, automatic processing of product data and seamless linking of test process. It realizes the one-key trigger automation of the whole process from test operation to data processing to report generation, and greatly improves the efficiency, process reliability and quality consistency of modeling and testing.

FOG IMU；debugging；automatic；data processing

2018-10-18

劉浩（1987），工程師，測控技術與儀器專業(yè)；研究方向：光纖慣組調(diào)測試技術、工藝數(shù)字化技術。