張延順，孫雪，李明，黃萍

（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

建設(shè)研究型大學(xué)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新型和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才是現(xiàn)代大學(xué)的努力目標(biāo)。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效手段。我國(guó)高校都認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，都逐漸重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。國(guó)家和教育部也在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面加大了投入。各學(xué)校相繼建設(shè)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并配套開設(shè)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生素質(zhì)教育、專業(yè)教育中起到重要作用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)模有了較大的提升，教學(xué)效果的問(wèn)題開始凸顯出來(lái)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在什么問(wèn)題？如何進(jìn)一步提高教學(xué)效果，更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用？這是目前我們從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師需要考慮的問(wèn)題。根據(jù)各自專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)，提出相應(yīng)的解決辦法是解決上述問(wèn)題的有效方法。國(guó)內(nèi)有高校開始探索采用多元化評(píng)價(jià)手段對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行考核。通過(guò)對(duì)國(guó)外大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)特點(diǎn)調(diào)研得出如提高實(shí)踐教學(xué)效果，需要提高教師隊(duì)伍的專業(yè)能力、提倡進(jìn)行團(tuán)隊(duì)式指導(dǎo)、強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)題目的創(chuàng)新性和增加對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的考核。為提高本學(xué)校慣性測(cè)量類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，本文分析了本科導(dǎo)航專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)，搭建了數(shù)據(jù)同步采集平臺(tái)，并用于高、低精度導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。

1 慣性測(cè)量類實(shí)驗(yàn)課程與項(xiàng)目特點(diǎn)

慣性技術(shù)是一門多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù)，是前沿技術(shù)與基礎(chǔ)工業(yè)相結(jié)合的一種技術(shù)，是國(guó)防基礎(chǔ)技術(shù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。隨慣性傳感器、慣導(dǎo)系統(tǒng)成本下降，社會(huì)對(duì)慣性測(cè)量類人才和知識(shí)需求增加，這對(duì)學(xué)生培養(yǎng)也提出了新的需求。慣性技術(shù)內(nèi)容抽象、枯燥，學(xué)生不易理解，特別是慣性空間的概念學(xué)生很不容易理解。因此，通過(guò)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下慣性器件、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)加強(qiáng)對(duì)慣性系統(tǒng)相關(guān)概念、特性的理解是很有必要的。而應(yīng)用實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)苋〉帽容^好的效果。但存在高精度慣性系統(tǒng)價(jià)格昂貴、低精度系統(tǒng)性能不好的現(xiàn)狀，有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)不到理想效果。特別是涉及慣性導(dǎo)航算法、復(fù)雜點(diǎn)的綜合性設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，用低精度系統(tǒng)做出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大，不好給學(xué)生清晰的量化認(rèn)識(shí)。即使應(yīng)用科研上的高精度系統(tǒng)與我們實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸出計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，也由于不能把高精度、低精度系統(tǒng)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，而使對(duì)比結(jié)果不能反映真實(shí)情況。為達(dá)到真實(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比效果，需要建設(shè)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，把高精度系統(tǒng)和低精度系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)同步采集對(duì)比，才能分析出慣性測(cè)量信息異同、算法解算結(jié)果的優(yōu)劣。這有助于學(xué)生對(duì)高精度、低精度傳感器測(cè)量精度理解、體會(huì)，也能分析出不同精度傳感器情況下導(dǎo)航算法精度。對(duì)不同等級(jí)系統(tǒng)性能有直觀體會(huì)。本文設(shè)計(jì)多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)，同步采集高精度和低精度系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)

信號(hào)同步采集是進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估的前提條件。為此，進(jìn)行了多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)研制。目前慣性傳感器和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)多數(shù)是232 和422 接口，所以研制了基于DSP 的6 輸入2 輸出信號(hào)采集系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 信號(hào)同步采集系統(tǒng)

圖1 所示信號(hào)同步采集系統(tǒng)，CPU 選擇DSP28335，有6路輸入信號(hào)通道，接口為232/422，輸出接口為2 路232。這樣系統(tǒng)可以同時(shí)6 種外界傳感器（或系統(tǒng)）信號(hào)。采集到的同步信號(hào)可以上傳到上位機(jī)，也可存儲(chǔ)到板上SIM 卡中。圖1 中左側(cè)是低精度MEMS 慣性傳感器、右側(cè)上方是中精度光纖慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、右下方是低精度MEMA 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。利用此系統(tǒng)能同時(shí)進(jìn)行高、中、低精度器件、系統(tǒng)信號(hào)采集，便于對(duì)不同精度器件、系統(tǒng)性能指標(biāo)和相應(yīng)算法的對(duì)比分析。

3 基于多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)的DR 導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)效果分析示例

3.1 DR 導(dǎo)航原理

基于以上思想進(jìn)行了DR 導(dǎo)航的對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)。DR 導(dǎo)航是“DR 導(dǎo)航定位關(guān)鍵技術(shù)綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。DR導(dǎo)航是相對(duì)簡(jiǎn)單的導(dǎo)航方法其利用陀螺儀測(cè)量航向和里程儀測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)走過(guò)的長(zhǎng)度，通過(guò)坐標(biāo)累積和變換的方法實(shí)現(xiàn)定位。其原理如圖2。

圖2 DR 導(dǎo)航原理圖

圖2 中兩個(gè)互相正交的坐標(biāo)軸設(shè)定為參考坐標(biāo)方向。當(dāng)有方向基準(zhǔn)時(shí)設(shè)為正東和正北方向。當(dāng)沒(méi)有坐標(biāo)基準(zhǔn)時(shí)只視為兩正交坐標(biāo)。(Ek-1,Nk-1)和(Ek-1,Nk-1)分別為前后兩個(gè)行走時(shí)刻的位置坐標(biāo)，L(k-1)和L(k)分別為前后兩次采樣間隔間的距離變化值，θ(k-1)和θ(k-1)是前后兩次行走的航向角。如果知道運(yùn)動(dòng)目標(biāo)初始時(shí)刻的位置，還知道目標(biāo)開始運(yùn)動(dòng)之后每一采樣間隔間的距離變化值和航向角，便可以推算出后續(xù)任意時(shí)刻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置。

3.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

基于以上思想進(jìn)行了DR 導(dǎo)航的對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)。DR 導(dǎo)航是“DR 導(dǎo)航定位關(guān)鍵技術(shù)綜合驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。DR導(dǎo)航是相對(duì)簡(jiǎn)單的導(dǎo)航方法其利用陀螺儀測(cè)量航向和里程儀測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)走過(guò)的長(zhǎng)度，通過(guò)坐標(biāo)累積和變換的方法實(shí)現(xiàn)定位。一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2、圖3 所示。圖2 是利用MEME系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，圖3 是利用中精度光纖系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果。通過(guò)兩組數(shù)據(jù)可以看到定位誤差都是隨時(shí)間發(fā)散，但MEMS 系統(tǒng)誤差發(fā)散的速度遠(yuǎn)大于光纖系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)比，學(xué)生能清晰、直觀地看到不同系統(tǒng)的性能，并體會(huì)到DR 導(dǎo)航算法的誤差特性。

圖3 中數(shù)據(jù)是采用MEMS 系統(tǒng)進(jìn)行DR 導(dǎo)航解算的定位誤差，其中藍(lán)色曲線是定位誤差，下面的紅色曲線是相對(duì)距離誤差。圖4 是采用光纖陀螺系統(tǒng)的定位誤差情況。通過(guò)兩種系統(tǒng)輸出的對(duì)比，學(xué)生能對(duì)系統(tǒng)誤差特性有直觀認(rèn)識(shí)，并且通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析還能有量化結(jié)果，有助于進(jìn)行誤差的定量對(duì)比分析。

圖3 MEMS 系統(tǒng)輸出

圖4 光纖系統(tǒng)輸出

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比分析是評(píng)價(jià)教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果的有效手段。能讓學(xué)生深化理解實(shí)驗(yàn)原理量化體會(huì)誤差特性，可在工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛應(yīng)用。