基于PSD的平臺漂移自動化測試儀設計與實現(xiàn)

楊大林，汪立新，姜泉璐，武文斌

(第二炮兵工程學院 三系，西安 710025)

在進行慣性平臺動態(tài)漂移速度測試時，采用的是光點反射法。即利用平臺臺體軸上的測試鏡、準直光管和光屏板等光測設備，測量平臺臺體沿臺體軸、內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸的轉(zhuǎn)角。在平臺臺體上裝有六面體反光鏡，測試時，用平行光管使光線照射于六面體上，入射角一般要求小于6°，反射光線落在距鏡面距離R的光屏上，當平臺臺體相對于基座轉(zhuǎn)動時，光屏上的光點會緩緩移動。

測量在t時間內(nèi)水平(或垂直)移動的距離Δl，即相當于臺體繞垂直(或水平)軸轉(zhuǎn)動的角度為

其漂移角速度為

一塊平面鏡可以測得繞兩個軸的轉(zhuǎn)動角，整個試驗有兩套平行光管同時測量三個軸轉(zhuǎn)角，如圖1所示［1］。該方法比較簡單、直觀，但需要人工計時、人工描點，不方便且精度也不高。隨著武器裝備系統(tǒng)測試自動化和保證測試精度要求的提出，研制一套高精度的平臺漂移自動化測試儀顯得尤為必要。

圖1 光點反射法測量原理

1 測試儀系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

1.1 光學設計

工作原理:激光發(fā)生器LD發(fā)出細光束經(jīng)過半反棱鏡S，成平行光射出(Z軸為激光光軸)到反射鏡上，反射光經(jīng)由物鏡W、三角棱鏡E1和目鏡M組成的望遠鏡系統(tǒng)射出到三角棱鏡E2上，經(jīng)E2反射到PSD光敏面上的p點處。當反射面P繞X軸轉(zhuǎn)動微小角度θ時，則從反射面反射光線以與激光光軸成2θ的角度反射到棱鏡S上，光線經(jīng)S到望遠鏡系統(tǒng)進行角放大，設望遠鏡放大倍數(shù)為k。出射光線經(jīng)三角棱鏡E2反射，以與激光光軸成2kθ的角度照射在二維PSD光敏面上的p'點處。

設二維PSD器件的中心為原點O，PSD距離望遠鏡系統(tǒng)的距離為L，圖中p點的坐標為p(x，y)，p'點處的坐標為p'(x'，y')，p'點相對于p點的位移為(x″，y″)。由圖中的幾何關(guān)系可得:

知道光點在PSD光敏面上的位置p(x，y)、反射面轉(zhuǎn)動微小角度θ后的相對位置p'(x'，y')以及角度變化Δθ所用的時間t，即可得到平臺漂移的瞬時角速度［2］。

圖2 平臺漂移自動化測試儀光學結(jié)構(gòu)圖

1.2 基于PSD的處理電路設計

硬件電路設計采用模塊化思想進行設計，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制電路模塊、紅外遙控模塊、液晶顯示模塊和電源模塊五大部分。這五部分構(gòu)成了PSD測漂移系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊是把入射到PSD的光斑信號轉(zhuǎn)換成量化的數(shù)字電壓信號，由二維枕型PSD、運算放大器和AD轉(zhuǎn)換等構(gòu)成;單片機控制電路主要包括使單片機工作的最小系統(tǒng)電路和與外圍器件的接口電路，提供數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設及功能部件;由于測試儀是精密的光電儀器，對外界環(huán)境的震動比較敏感。接觸性測量會影響儀器的穩(wěn)定性，增大測試儀的測量誤差，所以設計了紅外遙控鍵盤來實現(xiàn)對測試儀復位、開始、結(jié)果和顯示參數(shù)轉(zhuǎn)換的控制。其由發(fā)射單元和接受單元組成，編碼和發(fā)射電路構(gòu)成一個整體，解碼和接受電路構(gòu)成另外一個整體。接收的信號經(jīng)過解碼后變成所需的電信號，送入單片機后執(zhí)行相應的控制程序;顯示模塊中使單片機的P2口和P1.0－P1.2 口來控制12864 顯示器的 DB0－DB7、RS、RW 以及E等，從而在顯示器上得到需要的人機對話。由于激光發(fā)生器對電源的要求特殊，同時為了避免和電路板供電相沖突，所以兩者需分開供電。又由于需要提供PSD工作的±12 V的電源，因此電源采用直流線性穩(wěn)壓電源。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測試儀硬件搭建結(jié)構(gòu)圖

1.3 測試儀器件選型

考慮到慣性平臺漂移測試±3″的精度要求、系統(tǒng)綜合性能以及器件價格等因素，對各器件進行調(diào)研，選型如下:

(1)PSD:選用安徽蚌埠集成光電技術(shù)研究所生產(chǎn)的二維枕型 PSD［3］，有效感光面為 22 mm×22 mm，A區(qū)位置最大檢測誤差為±300 μm，B區(qū)位置最大檢測誤差為±600 μm，位置分辨率為 12 μm［4］。

(2)AD轉(zhuǎn)換器:選用美國BB公司生產(chǎn)的4通道，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有單一+5 V電源供電，數(shù)據(jù)采樣及轉(zhuǎn)換時間不超過25 μs，可輸入－10 V～+10 V的模擬電壓。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)既可串行輸出，也可并行輸出［5］。

(3)MCU:選用宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)、高速/低功耗/超強抗干擾的新一代STC12C5A60S2單片機，其速度比傳統(tǒng)8051要快8～12倍。其包含了中央處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、定時/計數(shù)器、UART串口、串口2、高速A/D轉(zhuǎn)換以及看門狗等模塊，幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上是一個片上系統(tǒng)［6］。

(4)顯示器:選用128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字(16×16點陣)、128個字符(8×16點陣)及64×256點陣顯示RAM(GDRAM)?？膳cCPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理器:8位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能:光標顯示、畫面移位、睡眠模式等［7］。

(5)其它:電源采用+5V穩(wěn)壓電源供電，激光發(fā)生器采用日立公司的HL6714G半導體激光器，可輸出680 nm可見光，單縱模工作方式，內(nèi)置監(jiān)控光電二極管PD，具有低象散。

2 測試儀系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

軟件作為硬件的延伸和人機交互的手段，很大程度上體現(xiàn)了一個系統(tǒng)的可操作性。在設計該測試儀時，為了增強系統(tǒng)的可操作性，能夠用軟件來完成的操作盡量用軟件完成，最大程度避免認為的手動操作［8］。

測試儀軟件部分主要包括系統(tǒng)軟件和人機交互軟件兩部分。系統(tǒng)軟件主要是完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出、輸出顯示、無線通信以及數(shù)據(jù)處理等功能，人機交互軟件的功能是通過對相關(guān)參數(shù)的設置、外圍設備控制漂移測試系統(tǒng)來對慣性平臺圍繞三個軸的漂移進行測試，并對測試數(shù)據(jù)進行處理。之間的關(guān)系如圖4所示，系統(tǒng)軟件程序流程如圖5所示。

圖5 測試儀軟件流程圖

3 系統(tǒng)誤差修正及試驗分析

平臺漂移自動化測試儀系統(tǒng)誤差通過分析可知，主要包括以下幾個部分:PSD器件的誤差、硬件電路設計誤差、光路設計誤差以及其它一些影響測量精度的誤差等。為了保證測試儀的測量精度，必須對系統(tǒng)誤差進行修正，提高測量儀的整體性能。

PSD器件是儀器的核心部件，它的誤差對儀器精度的影響較大［9］。其中PSD的非線性誤差是系統(tǒng)誤差的主要來源之一。文獻［10］采用雙一次插值算法對PSD的非線性誤差進行修正，提高了PSD自身的測量精度。本測試儀采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡算法對PSD器件的非線性誤差進行修正，提高它的線性度。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡可看作是一個n維空間中的曲線擬合(逼近)問題，學習等價于在n維空間中尋找一個能夠最佳擬合訓練數(shù)據(jù)的曲面，泛化等價于利用這個n維曲面對測試數(shù)據(jù)進行插值。它具有逼近能力強、學習速度快等優(yōu)點。該算法通過選擇徑向基函數(shù)中心、確定神經(jīng)網(wǎng)絡隱層神經(jīng)元的數(shù)目和調(diào)整每一層的權(quán)值和閾值三個步驟，在網(wǎng)絡設計過程中，設定目標誤差均方差精度以及選取散布常數(shù)最優(yōu)值，對由于PSD非線性產(chǎn)生的誤差進行修正，擬合性較好［11－12］。結(jié)合實驗室的條件，可選擇在晚上進行試驗，以消除背景光對PSD的影響;選擇性能較好的激光發(fā)生器、一次試驗后儀器冷卻足夠長時間等方法來減小PSD器件固有噪聲的影響。

通過優(yōu)化電路設計、選擇高精度器件(如精密電阻、低ESR電容高精度AD轉(zhuǎn)換器)以及硬件設計與應用軟件相結(jié)合(軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)，但缺點是響應時間長。)等方法來減少硬件設計誤差。

通過提高光學器件的安裝精度，來減小光路誤差對系統(tǒng)測量的精度影響。選擇性能較好的激光發(fā)生器，盡量保證出射光束強度均勻、功率穩(wěn)定，減小光斑的大小。

采用算術(shù)平均值濾波算法［13－14］對單片機從PSD器件采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理。數(shù)字濾波是通過一定的計算機程序?qū)π盘栕鲾?shù)字化處理，減少干擾在信號中的比重。

試驗時，用三軸搖擺臺在頻率1 Hz、振幅6°的情況下，模擬導彈的飛行，測定平臺動態(tài)漂移。把平臺置于三軸搖擺臺上，其動態(tài)漂移測試，在靜態(tài)漂移測試的基礎(chǔ)上進行，利用三軸搖擺在頻率1 Hz、振幅6°的情況下進行搖擺，每分鐘記錄一次光點在PSD上的位置，共測10 min，記錄十個光點，通過式(3)、式(4)、式(5)即可計算出平臺漂移的大小。

在實驗室條件下，將測試儀固定在支架上，同時把測試鏡固定在三軸搖擺臺上。試驗前先調(diào)整測試儀與測試鏡的位置，使測試儀發(fā)出的光束照射到平面鏡上反射回測試儀，并將光斑的位置盡量調(diào)整到PSD敏感區(qū)域的中心，使得測試儀顯示屏上v1、v2、v3和v4的電壓值相接近。鎖定搖擺臺的X軸或Z軸，小幅度(每次10″)轉(zhuǎn)動搖擺臺，當測試儀Y軸方向漂移讀數(shù)趨于穩(wěn)定時，觀察并記錄數(shù)據(jù)。再將搖擺臺回轉(zhuǎn)相同的角度，測試儀復位，反方向小幅度(每次10″)轉(zhuǎn)動，當測試儀Y軸負方向漂移讀數(shù)趨于穩(wěn)定時，觀察并記錄數(shù)據(jù)。X軸和Z軸測試方法相同。試驗時，抽測Y軸方向的測量值情況，結(jié)果如表1所示。

表1 Y軸方向測量數(shù)據(jù)(″)

由上述測量數(shù)據(jù)可知，在±200″范圍內(nèi)，Y軸方向的測量值誤差小于2″。通過多次試驗，測試儀通電后在1 h以內(nèi)的漂移誤差均小于2″，達到了慣性平臺漂移測試±3″的測量精度要求。

4 結(jié)論

以慣性平臺漂移測試現(xiàn)狀為背景，研發(fā)了一臺基于新型半導體位置敏感探測器的平臺漂移自動化測試儀。該測試儀采用了一種新的光學測量方法，結(jié)合先進的半導體光電技術(shù)，克服了人工測量復雜、存在人為誤差的問題，實現(xiàn)了對角度和角速度的自動化測量。操作簡單，能夠達到較高的測量精度，在小角度測量領(lǐng)域中具有廣闊的應用前景。

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