楊華 曾驍

摘 要：本文以多自由度搖擺試驗系統(tǒng)為研究對象，通過研究其工作原理，研究實現(xiàn)以多自由度搖擺試驗系統(tǒng)的角位置參數(shù)、角速率參數(shù)校準，以及目標信號模擬器的位置參數(shù)的校準方法，并開發(fā)基于VC++軟件平臺的半實物仿真系統(tǒng)現(xiàn)場校準軟件，采用無線通訊技術，實現(xiàn)半實物仿真系統(tǒng)的校準數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔粰C上進行數(shù)據(jù)處理，最終實現(xiàn)半實物仿真三軸轉(zhuǎn)臺的自動化校準。

關鍵詞：轉(zhuǎn)臺;角位置;角速率;目標信號模擬器

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0048-02

0 引言

多自由度運動平臺是綜合控制技術、傳感器檢測技術、計算機技術和機械技術等多種科學技術為一體的綜合性仿真和測試設備，搖擺試驗系統(tǒng)作為多自由度運動平臺中的主要設備，可模擬出各種空間運動姿態(tài)，廣泛應用到各種模擬器的試驗中去，主要用來模擬飛行器、艦船、車輛的運動姿態(tài)，如飛行模擬試驗、艦船模擬試驗、直升機升降模擬試驗、戰(zhàn)車模擬試驗、空間宇宙飛船模擬試驗及路面模擬試驗，還可實現(xiàn)多自由度的運動仿真，其性能的優(yōu)劣直接關系到試驗結(jié)果的可靠性。按照驅(qū)動軸系可分為單軸、三軸、六自由度搖擺試驗系統(tǒng)。

目前，搖擺試驗系統(tǒng)大多數(shù)無測試信號輸出端，動態(tài)指標校準一直是搖擺試驗系統(tǒng)的校準瓶頸，現(xiàn)場校準多進行靜態(tài)指標的校準，而動態(tài)技術指標采用制造商的反饋軟件進行校準，而反饋軟件的測試信號不能真實的反饋搖擺試驗系統(tǒng)的實際運動狀態(tài)，在高頻搖擺狀態(tài)下失真較大，其可信度就降低了。這樣校準存在一定的缺陷：（1）靜態(tài)校準而動態(tài)使用，校準狀態(tài)與實際使用狀態(tài)有很大區(qū)別。校準是采用靜態(tài)校準，而使用是動態(tài)使用，存在“靜標動用”的問題，校準狀態(tài)和使用狀態(tài)不一致，從而導致量值失真，在進行型號模擬試驗時存在一定的風險;（2）在試驗過程中，試驗系統(tǒng)自身并不能保證系統(tǒng)的反饋與搖擺試驗系統(tǒng)的真實技術指標完全吻合，這就需要對整個試驗系統(tǒng)進行校準，并根據(jù)校準結(jié)果控制參數(shù)進行修正，真正模擬型號系統(tǒng)的試驗狀態(tài)。因此，為保障搖擺試驗系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的準確可靠，專門對該系統(tǒng)提出了現(xiàn)場、在線、綜合校準的需求。

1 多自由度運動平臺的結(jié)構(gòu)和工作原理

多自由度運動平臺以搖擺試驗系統(tǒng)為主，由工控機、控制軟件、伺服機構(gòu)、反饋單元、工作臺等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

搖擺試驗系統(tǒng)中工控機提供人機對話界面，當設定某一試驗狀態(tài)，將通過工控機將控制指令發(fā)送給控制軟軟件，控制軟件通過計算，將控制指令轉(zhuǎn)換為某自由度的位移量，并將位移量的傳輸給該自由度的伺服機構(gòu)，控制工作臺移動相應的位移，反饋單元實時反饋位移的移動量，當移動量達到設定位置時，控制軟件將停止指令傳輸給伺服機構(gòu)使工作臺停止運動，完成設定的該試驗狀態(tài)。

2 多自由度運動平臺的校準

本文以搖擺試驗系統(tǒng)為研究對象，校準裝置主要由四部分組成：

（1）線加速度的校準，擬采用振動加速度測量系統(tǒng)再加工必要的工裝組成線加速度校準系統(tǒng)，實現(xiàn)對搖擺試驗系統(tǒng)加速度的校準。

（2）線位移參數(shù)的校準，采用激光干涉儀、激光跟蹤儀再加工必要的工裝組成線位移校準系統(tǒng)，實現(xiàn)對搖擺試驗系統(tǒng)線位移的校準。

（3）角位移參數(shù)的校準，采用激光跟蹤儀和高精度測角元件來滿足不同的校準環(huán)境，通過相應的數(shù)據(jù)采集分析電路組成高精度動態(tài)角度校準系統(tǒng)，實現(xiàn)對搖擺試驗系統(tǒng)的角位置、角速度及角加速度的校準。

（4）時頻信號參數(shù)的校準，擬采用激光跟蹤儀自帶的時鐘信號和測角系統(tǒng)自帶的高穩(wěn)晶振組成時頻信號校準系統(tǒng)，實現(xiàn)對搖擺試驗系統(tǒng)時頻信號的校準。通過對時頻信號結(jié)合工作臺面的位置分析，實現(xiàn)對波形失真度的校準。

2.1 加速度的校準

線加速度校準擬采用我所原有的BK振動測試系統(tǒng)，添加必要的低頻振動加速度傳感器實現(xiàn)對搖擺試驗系統(tǒng)的線加速度的校準。新購5個低頻振動加速度傳感器，可以實現(xiàn)搖擺試驗系統(tǒng)橫向振動比、線加速度均勻性的校準。

2.2 線位移參數(shù)的校準

搖擺試驗系統(tǒng)對型號進行位移或振幅測試時，主要是通過對搖擺試驗系統(tǒng)施加設定的加速度值和線位移幅值，并依據(jù)被測型號的實際反饋來判定其是否達到設計要求，是測試系統(tǒng)重要的技術指標之一。因此，需研究校準方法，編制校準軟件，實現(xiàn)線位移參數(shù)的校準，校準框圖如圖2所示。

搖擺試驗系統(tǒng)工控機和伺服控制系統(tǒng)輸出線位移加載信號，由工作臺轉(zhuǎn)化為實際線位移輸出，通過連接工裝將實際產(chǎn)生的線位移傳遞給激光跟蹤儀和加速度計，經(jīng)數(shù)據(jù)采集分析裝置處理后，與工作臺輸出的實際位移和加速度比較，完成校準。

2.3 角位移參數(shù)的校準

搖擺試驗系統(tǒng)在進行測試時，工作臺的角位置、角速度、角加速度是十分重要的參數(shù)，是評價導引頭、慣性部件性能的重要依據(jù)。因此，為確保測試系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)的真實性，應該對搖擺試驗系統(tǒng)的角參數(shù)進行在線、動態(tài)校準，被校準對象為搖擺試驗系統(tǒng)，如圖3所示。

測角裝置是搖擺試驗系統(tǒng)校準的關鍵，它的結(jié)構(gòu)和技術指標對整套校準裝置有著直接的影響。角位移測量裝置主要有兩種方式，高精度測角時則采用由：一是測角元件、二是細分盒、三是計數(shù)接口組成的測角裝置，低精度時采用激光跟蹤儀進行角位置的校準。

搖擺試驗系統(tǒng)高精度角位置校準裝置，主要由測角裝置、時基電路、校準工裝、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測試分析軟件等部分組成，它通過工裝安裝到工作臺上與工作臺隨動，當工作臺轉(zhuǎn)動時，時基電路立即開始計時，同時測角裝置實時記錄搖擺角度，通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)記錄和分析數(shù)據(jù)，得到角位置、角速度和角加速度的技術指標，再通過與系統(tǒng)參數(shù)指標進行比較，實現(xiàn)對搖擺試驗系統(tǒng)角位置參數(shù)的校準。

搖擺試驗系統(tǒng)低精度角位置校準裝置，主要由激光跟蹤儀、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和分析軟件組成，它通過工裝安裝到工作臺上與工作臺隨動，當工作臺轉(zhuǎn)動時，時基電路立即開始計時，同時測角裝置實時記錄搖擺角度，通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)記錄和分析數(shù)據(jù)，得到角位置、角速度和角加速度的技術指標，再通過與系統(tǒng)參數(shù)指標進行比較，實現(xiàn)對搖擺試驗系統(tǒng)角位置參數(shù)的校準。

2.4 時頻信號的校準

GJB150.23軍用設備環(huán)境試驗方法傾斜和搖擺試驗對搖擺周期提出了明確的技術要求，由于其搖擺頻率不高，目前在校準時多采用秒表進行校準，校準誤差較大，可信度不高。本項目擬研制包含晶振和相應外圍電路構(gòu)成時頻信號校準系統(tǒng)，對搖擺試驗系統(tǒng)時頻信號進行校準，從而實現(xiàn)對搖擺試驗系統(tǒng)搖擺周期的校準。

3 校準裝置的組建

本項目擬采用NI公司的編程平臺，設計組建適用于搖擺試驗系統(tǒng)現(xiàn)場校準的專用校準裝置。校準裝置主要包括高精度線位移校準裝置、角位移校準裝置、頻率校準裝置等設備及相應的數(shù)據(jù)控制、采集分析系統(tǒng)以及相應的校準軟件。

依據(jù)試驗大綱及相關標準的試驗要求，以及試驗系統(tǒng)技術指標，本項目研建的校準裝置將具備以下功能和特點：

（1）具有波形失真度的校準功能;（2）具有動、靜態(tài)線加速度、角線位移的校準功能;（3）具有動、靜態(tài)角位置、角速率、角加速度的校準功能;（4）具有多個采集通道，實時多參數(shù)采集記錄功能，以保證校準結(jié)果的準確性和采集數(shù)據(jù)的完整性;（5）具有集成化程度高、攜帶方便的特點。

4 校準軟件的編制

由于搖擺試驗系統(tǒng)現(xiàn)場校準裝置中，大部分校準工作均需編制相應校準軟件分析計算出結(jié)果，與搖擺試驗系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進行比較完成校準，這對校準軟件的實用及可靠性提出較高要求。另外，隨著被校搖擺試驗系統(tǒng)需校準參數(shù)有增多趨勢，因此該軟件還應具備再開發(fā)功能，同時保證擴展及移植性較好，以確保及時滿足校準需求。

本項目擬采用基于美國NI公司的LabVIEW軟件平臺研發(fā)搖擺試驗系統(tǒng)現(xiàn)場校準軟件。該軟件平臺為虛擬儀器平臺，即通過軟件的編寫，實現(xiàn)對硬件功能的控制，可在有限的硬件上實現(xiàn)更多的擴展功能，且后續(xù)開發(fā)方便，可持續(xù)使用率高，可滿足本項目對校準軟件編制的需求。

5 結(jié)語

本文以搖擺臺為研究對象，研究多自由度運動平臺的校準方法，并開發(fā)LabVIEW軟件平臺研發(fā)多自由度運動平臺現(xiàn)場校準軟件，采用無線通訊技術，實現(xiàn)半實物仿真系統(tǒng)的校準數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔粰C上進行數(shù)據(jù)處理，最終實現(xiàn)半實物仿真三軸轉(zhuǎn)臺的自動化校準。

參考文獻

[1] 孟士超，李彥征，等.慣性平臺姿態(tài)在高精度搖擺臺上的標校方法[J].中國慣性技術學報，2009（04）：56-58.

[2] 曹利.轉(zhuǎn)臺校準系統(tǒng)的研制[J].計量技術，2004（12）：98-100.