艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)設(shè)計＊

孫 劍 黃 起 王學(xué)杰 郭 斌

（1.海軍海南地區(qū)裝備修理監(jiān)修室 三亞 572018）（2.海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033）

1 引言

慣導(dǎo)系統(tǒng)屬于大型的精密導(dǎo)航設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分系統(tǒng)眾多，各設(shè)備之間連接關(guān)系繁雜，承載的信息量大，從而使得慣導(dǎo)系統(tǒng)的可靠性難以得到保證。且慣導(dǎo)系統(tǒng)本身的監(jiān)測預(yù)報功能不強(qiáng)，導(dǎo)致其維修難度大，任務(wù)重，故障定位慢。目前對慣導(dǎo)系統(tǒng)及其組成部件的維修仍以事后維修和定期維修為主。事后維修是指在發(fā)現(xiàn)了慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)生故障時再對其進(jìn)行檢修，這使得維修開始時系統(tǒng)功能已經(jīng)遭到了破壞，從而影響系統(tǒng)正常工作。而定期維修主要包括日常維護(hù)、定期更換零部件、定期檢測系統(tǒng)的狀態(tài)，這在一定程度上監(jiān)測了系統(tǒng)所處的狀態(tài)，能夠在故障發(fā)生的短期時間前對設(shè)備進(jìn)行檢修，以預(yù)防故障的發(fā)生，但是定期更換部件會導(dǎo)致一些組成部件沒有達(dá)到其使用壽命而被廢棄，這一方面造成了資源浪費，另一方面系統(tǒng)會因為頻繁的更換零部件而影響工作狀態(tài)或精度。

隨著傳感器技術(shù)、計算機(jī)以及測控技術(shù)的發(fā)展，基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的視情維修模式得到了廣泛重視。視情維修利用傳感器采集和監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行時的各種信息，通過采集地信息提取與設(shè)備狀態(tài)相關(guān)的特征參數(shù)，從而實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的評估和診斷。

艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為一種完全自主的導(dǎo)航方式，擔(dān)負(fù)著為艦船安全航行和指控、武備系統(tǒng)提供航向、姿態(tài)、速度、位置等重要導(dǎo)航信息的使命，其性能狀態(tài)直接決定了艦船的生命力和戰(zhàn)斗力。而陀螺儀是艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件，文獻(xiàn)［1］指出，陀螺電機(jī)故障為陀螺儀最主要的故障模式，直接影響陀螺儀的工作狀態(tài)，陀螺電機(jī)的支承結(jié)構(gòu)是影響其狀態(tài)性能的關(guān)鍵因素。因此，對艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件——陀螺電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和評估，可為艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)檢測和性能評估提供數(shù)據(jù)支持，具有重要的現(xiàn)實意義和軍事意義。

20世紀(jì)80年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，美國國家儀器公司提出了虛擬儀器技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)通過模塊化的數(shù)據(jù)采集設(shè)備實現(xiàn)對傳感器信息的采集，通過軟件編程自定義和設(shè)計儀器功能和界面，實現(xiàn)了測試儀器的軟件化。因此，本文基于虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了以NI－4070數(shù)據(jù)采集設(shè)備和PXI機(jī)箱為硬件構(gòu)建，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺的陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)。系統(tǒng)通過光點轉(zhuǎn)速傳感器、聲音傳感器等實現(xiàn)了陀螺電機(jī)工作狀態(tài)下的電壓、電流、聲音。轉(zhuǎn)速等多信息的無損測試，測試結(jié)果可直接存儲了計算機(jī)數(shù)字量，可為陀螺儀的狀態(tài)檢測和性能評估提供有效的數(shù)據(jù)支持。

2 虛擬儀器技術(shù)及其軟件平臺

2.1 虛擬器件技術(shù)及特點

電子測量儀器的發(fā)展經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器的過程［2］。微電子技術(shù)，尤其是大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了從模擬儀器到數(shù)字化儀器、智能儀器的發(fā)展。儀器的精度越來越高功能越來越強(qiáng)，性能越來越好。但是，智能儀器沒有擺脫獨立使用的模式，對于較為復(fù)雜、測試參數(shù)較多的場合，使用起來不太方便，而且其他方面的局限性也就慢慢地顯示出來。

1986年，美國國家儀器公司（National Instruments，NI）首先提出虛擬儀器的概念，把儀器測試技術(shù)的發(fā)展帶到了一個新的歷史時期。所謂虛擬儀器是指在通用微型計算機(jī)上加入必要的模塊化功能硬件（如數(shù)據(jù)采集卡），在計算機(jī)屏幕上用圖形界面模擬儀器面板，用程序控制信號的采集、分析、顯示、存儲和輸出等，實現(xiàn)真實儀器的功能。測試系統(tǒng)功能可根據(jù)軟件模塊的功能及不同組合而靈活配置。它的實質(zhì)是將傳統(tǒng)儀器和最新計算機(jī)軟件結(jié)合起來，以實現(xiàn)擴(kuò)充傳統(tǒng)儀器的功能。實現(xiàn)了“軟 件 即 是 儀 器 （The software is the instrument）”［3］。

虛擬儀器和傳統(tǒng)的儀器一樣，由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)表達(dá)和結(jié)果顯示三部分組成［4］。數(shù)據(jù)采集與控制通過特定的儀器接口實現(xiàn)與傳感器的交互與控制；數(shù)據(jù)分析與處理是虛擬儀器的核心部分，通過將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，輸出控制信息與被測設(shè)備或軟件界面實現(xiàn)交互；數(shù)據(jù)表達(dá)與現(xiàn)實是虛擬儀器的交互界面，通過文件I／O，網(wǎng)絡(luò)接口等方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和處理結(jié)果的表達(dá)與顯示。

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有其鮮明的特點［5］：測量精度高，可重復(fù)行好；測量速度快；組建系統(tǒng)時間短，儀器硬件開銷低，同時也降低了系統(tǒng)故障率；實現(xiàn)了用戶自定義測量功能，可測傳統(tǒng)物理儀器不可測量的對象；易于擴(kuò)展；具有較短的系統(tǒng)更新周期。

2.2 LabVIEW開發(fā)環(huán)境

任何一種虛擬儀器系統(tǒng)都是通過應(yīng)用軟件將通用硬件與通用計算機(jī)相結(jié)合，它是虛擬儀器的核心，其過程與主要工作內(nèi)容就是編制應(yīng)用軟件的過程，而目前流行的軟件工具主要有兩類：一類是文本式編程語言，如C、Visual C＋＋、Visual Basic、Labwindows／CVI等；另一類是圖形化編程語言，如LabVIEW、HPVEE等。

與傳統(tǒng)的編程語言類似，LabVIEW也具有相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序的調(diào)試工具等［6］。它與文本編程語言相比，最大的區(qū)別就在于LabVIEW利用各種圖標(biāo)、圖形符號、連線、圖形框架來編寫程序，控制程序的流程［7］。從而使得程序的開發(fā)者和工程技術(shù)人員不需要懂得繁瑣枯燥的程序源代碼，而只需要利用自己熟悉的術(shù)語、流程圖來編寫和開發(fā)程序，大大提高了工作效率。作為圖形化編程語言的典型代表，LabVIEW簡易的編程風(fēng)格、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析能力、良好的可移植性和直觀、友好的人機(jī)交互界面使之成為目前國際上應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制的開發(fā)環(huán)境之一，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、分析和處理、儀器控制等領(lǐng)域，能夠與多種不同的操作系統(tǒng)平臺兼容。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

陀螺電機(jī)為陀螺儀轉(zhuǎn)動提供驅(qū)動力矩，因此陀螺電機(jī)工作時的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等信息直接反映了陀螺電機(jī)的狀態(tài)。此外，當(dāng)陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由于轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦、轉(zhuǎn)子的風(fēng)阻等因素影響，電機(jī)因振動而產(chǎn)生聲音，該聲音信號也間接表征了陀螺電機(jī)的性能狀態(tài)。因此，為有效進(jìn)行陀螺電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測，可以對陀螺電機(jī)啟動、停止和工作過程中的電流、電壓以及轉(zhuǎn)速和聲音信號進(jìn)行測試，采集陀螺工作全過程的多類型信息。

根據(jù)陀螺電機(jī)的信息測試需求，構(gòu)建了基于NI4070數(shù)據(jù)采集卡的電機(jī)多信息采集系統(tǒng)硬件構(gòu)建。系統(tǒng)的信息采集流程如圖所示，系統(tǒng)由NI公司的NI－4070數(shù)據(jù)采集卡、啟動磁滯陀螺電機(jī)、光電轉(zhuǎn)速傳感器、聲傳感器、陀螺電機(jī)專用供電電源以及各種信號線組成［8］。傳感器系統(tǒng)由電壓、電流、聲音、轉(zhuǎn)速傳感器組成。電壓和電流傳感器采用綿陽市維博電子有限責(zé)任公司的WB3U411U07三相三線交流電流傳感器和WB3I411S37三相三線交流電壓傳感器。

NI－4070是NI公司開發(fā)的用于電流、電壓和電阻測量的萬用表卡，本身并不是用于數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集卡，但是其本身也帶有連續(xù)測量的模式和功能，可以實現(xiàn)對電流和電壓的采集［9］。NI－4070最高具有61／2位的采集精度，在輸入電壓幅值為100V（交流電壓幅值為±104V），電流小于200mA的直流或交流電壓條件下，電壓分辨率為100μV，電流分辨率為100nA，具有很高的測試精度［10］。陀螺電機(jī)的供電電源改用了定制電源，使得電壓信號在波形穩(wěn)定度上有很大的提高，陀螺電機(jī)額定狀態(tài)下的工作更加穩(wěn)定，另外，定制電源具有很低的風(fēng)扇噪聲，有效減小了風(fēng)扇噪聲對于陀螺電機(jī)聲音信號的干擾［11］。

針對測量轉(zhuǎn)速的光電傳感器的安裝問題，將傳感器集成為一個只有一個圓柱形探頭的傳感裝置，通過電機(jī)內(nèi)壁上的小孔固定（見圖1），不僅簡化安裝，不影響電機(jī)的正常工作，而且和感光帶之間的距離易于測量和固定。

為了實現(xiàn)對陀螺電機(jī)工作時間的控制，因此需要設(shè)計相應(yīng)的繼電器電路來控制電路的通斷，使陀螺電機(jī)在設(shè)定的工作時間內(nèi)工作?；贜I的PXI中的數(shù)字I／0板卡為繼電器發(fā)送電平來改變繼電器的工作狀態(tài)，達(dá)到控制電路通斷的目的。

按照上述硬件方案，基于自動化測試的思想，構(gòu)建了測試系統(tǒng)的硬件部分，其硬件組成如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)速光電傳感器的安裝

圖2 陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)的硬件組成圖

從上述可知，陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集部分、傳感器電路部分、電機(jī)工作狀態(tài)控制部分。系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)測試系統(tǒng)開始運(yùn)行時，軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并開始計時，此時電機(jī)并不工作只是采集實驗室條件下的噪聲信息；當(dāng)采集時間達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的電機(jī)通電時刻時，計算機(jī)給USB－6251板卡的數(shù)字通道賦予一個高電平信號，繼電器電路在接收到高電平信號后接通電機(jī)工作電路，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)繼續(xù)采集電機(jī)工作時的信息；當(dāng)采集時間達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的電機(jī)斷電時刻，此時計算機(jī)給USB－6251板卡的數(shù)字通道賦予一個低電平信號，繼電器接收到低平信號后使電機(jī)工作電路斷開，電機(jī)因斷電而進(jìn)入停機(jī)階段，測試系統(tǒng)繼續(xù)采集電機(jī)停機(jī)階段的信息；當(dāng)采集時間達(dá)到預(yù)先設(shè)定的采集時間時，當(dāng)此采集結(jié)束，測試系統(tǒng)判斷采集次數(shù)是否達(dá)到了預(yù)先的設(shè)定次數(shù)而開始下一次采集或退出程序。

4 軟件實現(xiàn)

完成測試方案設(shè)計和硬件搭建后，為了實現(xiàn)測試程序的自動化以及軟硬件系統(tǒng)的兼容，設(shè)計了軟件的程序流程并編程實現(xiàn)。

根據(jù)陀螺電機(jī)的測試要求和測試方案，程序的設(shè)計實現(xiàn)了測試系統(tǒng)采集時間和次數(shù)的自動控制。當(dāng)測試系統(tǒng)開始采集時，程序應(yīng)根據(jù)用戶設(shè)定的采集時間和采集次數(shù)來實現(xiàn)采集的停止，程序首先計算采集的時間，當(dāng)采集時間達(dá)到用戶設(shè)定的時間以后，測試系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行下一次采集周期，采集次數(shù)增加一次，而當(dāng)實際的采集次數(shù)于設(shè)定的待采集次數(shù)相等時，程序跳出循環(huán)結(jié)束采集，程序的整體流程如圖3所示。

硬件上使用了繼電器外圍電路來控制電機(jī)的工作時間，但是繼電器工作必須要軟件給予相應(yīng)的激勵使之改變工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動控制。對電機(jī)的采集包含電機(jī)從啟動到穩(wěn)定再到斷電停機(jī)到轉(zhuǎn)子靜止的全部工作過程，因此程序應(yīng)該能夠自動控制電機(jī)的通電時間來滿足實驗需要，而且在電機(jī)斷電以后程序繼續(xù)采集停機(jī)過程的數(shù)據(jù)。圖4為控制電機(jī)通電時間程序的流程圖。

圖3 測試系統(tǒng)主程序流程圖

圖4 電機(jī)工作時間控制流程圖

根據(jù)以上流程，進(jìn)行了程序的編寫和調(diào)試，完成了對信息測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

5 慣導(dǎo)系統(tǒng)測試和評定試驗

為驗證陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)的有效性和實用性。在實驗室條件下的陀螺電機(jī)進(jìn)行實際測試和采集試驗，試驗情況如圖5所示。在完成硬件連接后，啟動陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)軟件，根據(jù)測試需求設(shè)定測試時間、次數(shù)、采樣間隔等參數(shù)，開始進(jìn)行陀螺電機(jī)的多信息測試。實驗室條件下進(jìn)行了20次測試實驗，每次設(shè)定不同的測試參數(shù)，以驗證測試系統(tǒng)的可靠性。試驗過程中，測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。

圖5 陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)外形圖

圖6為陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)采集的陀螺電機(jī)工作全過程的電壓數(shù)據(jù)，圖7為電機(jī)在停轉(zhuǎn)時刻的電壓波形放大圖。從圖中可以清楚看出，雖然在停機(jī)時刻，陀螺電機(jī)的工作電壓較小，系統(tǒng)信噪比較小，但是系統(tǒng)能夠有效測試出電壓波形，具有較高測測試精度。因此，陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對電壓信號的高精度測試，可為后續(xù)的信號處理提供數(shù)據(jù)支持，利于提取更精確的表征陀螺電機(jī)狀態(tài)的信號特征。

圖6 陀螺電機(jī)工作電壓

圖7 陀螺電機(jī)停機(jī)時刻的電壓波形

圖8為光電傳感器輸出的脈沖信號，由圖可知陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)測試的脈沖波形規(guī)則、噪聲干擾小。經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算后，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測試精度達(dá)到了0.001rad／s。

圖8 測試的轉(zhuǎn)速傳感器脈沖輸出

6 結(jié)語

針對艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)檢測和性能評估需求，以其核心組成部件陀螺電機(jī)為研究對象，以Lab－VIEW為開發(fā)平臺，基于虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了以NI－4070數(shù)據(jù)采集設(shè)備和PXI機(jī)箱為硬件構(gòu)建，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺的陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)測試需求設(shè)置電機(jī)的測試時間、測試次數(shù)、采樣間隔等測試參數(shù)，實現(xiàn)對陀螺電機(jī)工作狀態(tài)下的電壓、電流、聲音、轉(zhuǎn)速等多信息的無損測試，且測試結(jié)果可直接存儲了計算機(jī)數(shù)字量。實驗室條件下的陀螺電機(jī)測試實驗表明，構(gòu)建的陀螺電機(jī)多信息測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，測試數(shù)據(jù)可信，為陀螺電機(jī)特征參數(shù)的提取和預(yù)測提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為陀螺儀及艦船慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能評估提供技術(shù)途徑。

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