一種通用的POS自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（POS）是航空遙感系統(tǒng)的重要組成部分，可以為各類航空對(duì)地觀測(cè)載荷提供高精度位置、速度和姿態(tài)基準(zhǔn)。為保證精度，POS使用之前必須進(jìn)行精確的誤差標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又要保證實(shí)驗(yàn)的效率與可靠性。自動(dòng)測(cè)試技術(shù)可規(guī)范測(cè)試流程，減少人為因素干擾，但目前的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通常只能實(shí)現(xiàn)某些環(huán)節(jié)的自動(dòng)測(cè)試，自動(dòng)化程度不高且通用性不好。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種通用性好，自動(dòng)化程度高的POS自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)以基于FPGA的最小系統(tǒng)電路為核心，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)控制、測(cè)試計(jì)算機(jī)通信、待測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集等功能，然后基于VC開發(fā)了上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)測(cè)試方案加載、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、測(cè)試報(bào)告生成等功能。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)功能可靠，顯著提高了測(cè)試效率。

關(guān)鍵詞： 位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)； 自動(dòng)測(cè)試； 通用性； FPGA

中圖分類號(hào)： TN98?34； V243.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）02?0095?06

Design and implementation of a general automatic test system for POS

HONG Zhenchun， LIU Zhanchao， GU Bin

（Key Laboratory of Inertial Technology， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： The position and orientation system （POS） is an important assembly of the aerial remote sensing system， which can provide high?precision position， velocity and attitude reference for various earth observation load of the aviation. To ensure the accuracy of POS and the efficiency and reliability of the experiments， it is necessary to perform precise error calibration experiment before the POS is put into use. The automatic test technology can standardize the testing process and reduce the human interference factors， but the current automatic test system can only realize the automatic testing for certain links， and its automaticity is low and the generality is poor. To solve the above problems， a automatic test system with perfect generality and high automaticity for POS was designed， in which the minimum system circuit based on FPGA is taken as the core to implement the functions of turntable control， computer communication testing and DUT data acquisition. The upper computer software was developed based on VC to realize the functions of test scheme loading， data display and processing， and test report generation. The experimental results show that the system has reliable function， and can improve the testing efficiency availably.

Keywords： position and attitude measurement system； automatic testing； generality； FPGA

0 引 言

位置和姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS）可為激光雷達(dá)、光學(xué)相機(jī)等航空對(duì)地觀測(cè)載荷提供高精度位置、速度和姿態(tài)基準(zhǔn)，是高分辨率航空遙感系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)成像過程中實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵設(shè)備[1]。

POS主要由慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）、全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）、POS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（POS Computer System，PCS）以及后處理軟件組成[2]。其中IMU可實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量載體的角速度和加速度信息，通過解算可得載體的位置、速度和姿態(tài)等全部運(yùn)動(dòng)參數(shù)，是POS的主要部件。IMU主要由慣性傳感器（陀螺儀和加速度計(jì)）、機(jī)械結(jié)構(gòu)及相關(guān)電路組成。而慣性傳感器的測(cè)量精度以及IMU在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、整機(jī)裝配過程中存在的確定性誤差，很大程度上決定了POS的精度[3?5]。因此，為實(shí)現(xiàn)POS的高精度測(cè)量，必須對(duì)慣性器件、IMU進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的性能測(cè)試和精確的誤差標(biāo)定，獲取誤差模型系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)POS導(dǎo)航計(jì)算過程中的高精度誤差補(bǔ)償和運(yùn)動(dòng)信息測(cè)量。IMU標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)包括多位置靜態(tài)標(biāo)定和多速率動(dòng)態(tài)標(biāo)定。 通常借助精密轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)提供的定值輸入，獲取IMU對(duì)應(yīng)的輸出量，通過解析方法求取誤差模型中的系數(shù)[6?9]。

傳統(tǒng)的IMU標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)需要多名工作人員配合，人工操作轉(zhuǎn)臺(tái)工控機(jī)以控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)也需要專人操作，測(cè)試過程繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低。 隨著自動(dòng)測(cè)試技術(shù)在慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)試中的不斷應(yīng)用，各種專用慣導(dǎo)測(cè)試系統(tǒng)也相繼出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)控制、數(shù)據(jù)采集與處理，測(cè)試結(jié)果輸出等功能，一定程度上提高了測(cè)試的效率[10?11]。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)據(jù)庫的IMU自動(dòng)化標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與存儲(chǔ)，標(biāo)定結(jié)果報(bào)表生成等功能，一定程度上提高了測(cè)試效率，但是該系統(tǒng)只是針對(duì)一種標(biāo)定方法設(shè)計(jì)，且沒有實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)控制，自動(dòng)化水平不高，通用性不佳。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了撓性捷聯(lián)慣導(dǎo)自動(dòng)化標(biāo)定與測(cè)試系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)基于現(xiàn)有的IMU自動(dòng)化標(biāo)定系統(tǒng)和獨(dú)立的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將SINS作為一個(gè)整體的自動(dòng)標(biāo)定和測(cè)試系統(tǒng)。但該系統(tǒng)將SINS中的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)引入標(biāo)定系統(tǒng)本身就增加了測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成，且文中沒有系統(tǒng)展示和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)不同的標(biāo)定方案，還需要對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制軟件進(jìn)行改造，系統(tǒng)通用性也不好。

POS的高精度測(cè)量，要求通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的測(cè)試，必然會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間；另一方面隨著POS的產(chǎn)品化，要求成批量高效率的進(jìn)行誤差的標(biāo)定。因此，設(shè)計(jì)一種通用性好、自動(dòng)化水平高的POS自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以進(jìn)一步提高測(cè)試效率，減少各類因素干擾，保證POS產(chǎn)品的精度具有重要意義。

本文針對(duì)上述問題，在已有實(shí)驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種通用的POS自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與處理，轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)控制和測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成等功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)專用的測(cè)試指令，針對(duì)不同的測(cè)試方案，編寫對(duì)應(yīng)的測(cè)試指令文件，測(cè)試軟件加載測(cè)試文件即可按照指令順序進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試過程中無需人員參與。最后通過實(shí)際的測(cè)試證明了本文設(shè)計(jì)的有效性。

1 總體方案

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：硬件系統(tǒng)和測(cè)試軟件。硬件系統(tǒng)包括測(cè)試計(jì)算機(jī)、測(cè)試盒、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)以及待測(cè)設(shè)備。測(cè)試盒主要由FPGA最小系統(tǒng)電路，二次電源電路和機(jī)械殼體組成。FPGA最小系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)測(cè)試計(jì)算機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)以及待測(cè)設(shè)備之間的信息交互；二次電源電路為最小系統(tǒng)電路和待測(cè)設(shè)備供電。測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)串口通信、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、測(cè)試指令生成、測(cè)試流程控制以及轉(zhuǎn)臺(tái)控制指令發(fā)送等功能。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體方案圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作過程如下：首先，完成測(cè)試系統(tǒng)搭建并確認(rèn)電氣連接正確，然后運(yùn)行測(cè)試軟件，借助軟件的指令生成窗口，測(cè)試人員需根據(jù)測(cè)試方案編寫測(cè)試指令文件（同一方案只需編寫一次），測(cè)試軟件加載指令文件完成后，自動(dòng)順序讀取指令并按指令要求進(jìn)行測(cè)試。如測(cè)試指令要求轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行位置運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)控制指令由測(cè)試計(jì)算機(jī)發(fā)出，通過最小系統(tǒng)電路轉(zhuǎn)發(fā)至轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制；最小系統(tǒng)電路采集待測(cè)設(shè)備輸出數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)臺(tái)反饋數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)打包發(fā)送至測(cè)試計(jì)算機(jī)，執(zhí)行完所有測(cè)試指令之后，測(cè)試軟件調(diào)用數(shù)據(jù)處理子程序，計(jì)算目標(biāo)參數(shù)，并生成測(cè)試報(bào)告，記錄測(cè)試過程和測(cè)試結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)一般工作流程圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)工作流程

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)硬件主要包括測(cè)試計(jì)算機(jī)，測(cè)試盒，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)以及待測(cè)設(shè)備，測(cè)試盒中封裝了FPGA最小系統(tǒng)電路和二次電源電路。其中FPGA最小系統(tǒng)電路是系統(tǒng)的核心硬件，主要完成：

（1） 待測(cè)設(shè)備輸出數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)臺(tái)反饋數(shù)據(jù)的采集與緩存，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到測(cè)試計(jì)算機(jī)；

（2） 接收測(cè)試計(jì)算機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)臺(tái)控制指令，并將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)至轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)，進(jìn)而完成對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制。

如圖3所示，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)電路以RS 422接口接收待測(cè)設(shè)備輸出的原始數(shù)據(jù)， 以RS 232接口與轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)和測(cè)試計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。 FPGA選用Xilinx公司生產(chǎn)的XC3S400，配置的FLASH芯片選用XCF02S，并選用頻率25 MHz的晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。FPGA片上軟件使用Xilinx ISE軟件開發(fā)，利用VHDL語言進(jìn)行邏輯編程；利用LD1117系列的電壓轉(zhuǎn)換模塊將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，2.5 V和1.2 V的穩(wěn)定電壓，分別為FPGA提供3.3 V的工作電壓，2.5 V的參考電壓和1.2 V的內(nèi)核電壓；FPGA的每個(gè)電壓處都配置相應(yīng)的貼片電容濾除噪聲，以保證FPGA芯片可靠工作，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互。

本系統(tǒng)待測(cè)設(shè)備實(shí)際工作電壓是28 V，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)電路工作電壓5 V，二次電源電路采用成熟的DC?DC模塊將輸入的28 V電壓轉(zhuǎn)換一路5 V電壓供FPGA最小系統(tǒng)電路使用。

圖3 FPGA最小系統(tǒng)電路

3 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)測(cè)試軟件基于Visual C++ 6.0軟件開發(fā)平臺(tái)編寫，如圖4所示，測(cè)試軟件主要包含：串口通信模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，指令設(shè)計(jì)模塊，轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊以及計(jì)算與結(jié)果輸出模塊[12?15]。

圖4 測(cè)試軟件功能模塊

串口通信模塊負(fù)責(zé)接收FPGA最小系統(tǒng)電路轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)送轉(zhuǎn)臺(tái)控制命令；數(shù)據(jù)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示待測(cè)設(shè)備輸出數(shù)據(jù)；指令設(shè)計(jì)模塊以窗口形式供測(cè)試人員編寫測(cè)試指令文件，轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊則主要針對(duì)指令內(nèi)容完成轉(zhuǎn)臺(tái)控制命令生成。計(jì)算與結(jié)果輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的綜合計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果寫入指定文件。

3.1 測(cè)試流程設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程的自動(dòng)化，就要對(duì)測(cè)試流程進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，在基于轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試方案中，一般要求轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)到特定位置或者讓轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的前提是正確獲取轉(zhuǎn)臺(tái)的位置信息和速率信息，準(zhǔn)確控制軟件中設(shè)計(jì)的虛擬數(shù)據(jù)采集開關(guān)的通斷，確保采集到的數(shù)據(jù)是測(cè)試指令中需要的數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)采集完當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)臺(tái)需轉(zhuǎn)動(dòng)到下一測(cè)試位置，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，何時(shí)打開數(shù)據(jù)采集開關(guān)是關(guān)鍵。在轉(zhuǎn)臺(tái)開始運(yùn)動(dòng)之后，用CWnd：：Settimer（）函數(shù)設(shè)置定時(shí)器，在OnTimer（）函數(shù)中定時(shí)獲取轉(zhuǎn)臺(tái)位置、速率信息，并進(jìn)行條件判斷。對(duì)于位置運(yùn)動(dòng)指令，若轉(zhuǎn)臺(tái)位置到達(dá)目標(biāo)位置且速率為零，則判定轉(zhuǎn)臺(tái)已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)位置并且已經(jīng)靜止；對(duì)于速率運(yùn)動(dòng)指令，則比較目標(biāo)速率與反饋速率值，若誤差在設(shè)定范圍內(nèi)則判定轉(zhuǎn)臺(tái)以目標(biāo)速率穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，可打開數(shù)據(jù)采集開關(guān)，以上方法可確保測(cè)試過程中采集到的數(shù)據(jù)皆為有效數(shù)據(jù)。測(cè)試軟件自動(dòng)測(cè)試流程中位置指令執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 位置指令執(zhí)行流程

線程提供了多任務(wù)處理的能力，是多任務(wù)測(cè)控系統(tǒng)中被普遍采用的方法[16]。當(dāng)軟件執(zhí)行到轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)或是數(shù)據(jù)采集階段時(shí)，程序必須等待且同時(shí)需要進(jìn)行高波特率的串口通信和數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)等任務(wù)。因此，設(shè)計(jì)了多線程工作模式，測(cè)試軟件主線程完成串口通信，而為數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)模塊、文件加載模塊、流程控制模塊等創(chuàng)建新的線程，新線程由AfxBeginThread（） 函數(shù)負(fù)責(zé)創(chuàng)建；SuspendThread（）函數(shù)可以將線程掛起；ResumeThread（）函數(shù)可以恢復(fù)線程運(yùn)行；最后用PostThreadMessage（）將線程關(guān)閉。多線程技術(shù)可確保軟件運(yùn)行流暢，工作可靠。

3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)控制

要完成自動(dòng)測(cè)試，就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的精確控制。轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)主要是位置運(yùn)動(dòng)和速率運(yùn)動(dòng)，一般的測(cè)試方案也是基于以上兩種運(yùn)動(dòng)展開的。位置測(cè)試需要轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行多位置的轉(zhuǎn)動(dòng)，并在特定的位置保持靜止；速率測(cè)試需要轉(zhuǎn)臺(tái)以不同的角速率繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且要保持角速率穩(wěn)定。

本系統(tǒng)使用WST?2 型帶高低溫箱的位置速率轉(zhuǎn)臺(tái)，借助轉(zhuǎn)臺(tái)控制計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制接口，通過既定控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的精確控制。協(xié)議通信幀總共10個(gè)字節(jié)，起始字節(jié)為命令字，中間8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)項(xiàng)，最后一個(gè)字節(jié)是前9個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)和，其遠(yuǎn)控協(xié)議如表1所示（參考轉(zhuǎn)臺(tái)使用說明書）。

表1 轉(zhuǎn)臺(tái)遠(yuǎn)控通信協(xié)議

轉(zhuǎn)臺(tái)遠(yuǎn)程控制的一般流程是：建立遠(yuǎn)控→設(shè)置負(fù)載→閉合→歸零→位置運(yùn)動(dòng)（速率運(yùn)動(dòng)）→停止→釋放→結(jié)束遠(yuǎn)控。位置運(yùn)動(dòng)必須是在轉(zhuǎn)臺(tái)完成歸零之后且沒有執(zhí)行速率運(yùn)動(dòng)之前，而速率運(yùn)動(dòng)則只需要轉(zhuǎn)臺(tái)閉合即可。這就要求測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試過程中能夠識(shí)別轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)類型和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。測(cè)試軟件通過設(shè)置標(biāo)志位和預(yù)讀指令的方式實(shí)現(xiàn)該功能。如果當(dāng)前執(zhí)行指令是位置指令而上一指令是速率指令，則需對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)重新歸零，判斷歸零是否完成的程序流程如圖6所示。

圖6 歸零流程圖

3.3 測(cè)試指令設(shè)計(jì)

慣導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)往往是重復(fù)性的，如果每次測(cè)試之前都要進(jìn)行測(cè)試參數(shù)設(shè)置，則會(huì)浪費(fèi)大量測(cè)試時(shí)間。為了簡(jiǎn)化測(cè)試操作，提高測(cè)試系統(tǒng)的通用性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了特定格式的測(cè)試指令，若干測(cè)試指令構(gòu)成測(cè)試文件，不同測(cè)試方案只要編寫一次測(cè)試指令文件即可保存重復(fù)使用，這樣不僅簡(jiǎn)化了操作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)通用性和可擴(kuò)展性。如位置測(cè)試指令：#X1P 120 10 5 75 #，開頭和結(jié)尾的“#”保證一條指令的完整性，中間用空格隔開，表示IMU的x軸向上，轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)位置相對(duì)零位120°，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行速度10 （°）/s，加速度5 （°）/s2，該位置數(shù)據(jù)采集時(shí)間為75 s。速率測(cè)試指令：#X0V-10 5 75 #，表示：IMU的x軸向下，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行速度-10 （°）/s，加速度5 （°）/s2，數(shù)據(jù)采集時(shí)間75 s。上位機(jī)軟件提供指令文件生成的功能，測(cè)試人員可根據(jù)測(cè)試方案逐條輸入測(cè)試指令。

測(cè)試指令讀/寫使用CFile的派生類CStdioFile， CStdioFile提供了對(duì)文件進(jìn)行流式的操作功能。其中函數(shù)CStdioFile：：WriteString（）寫入1個(gè)字符串，函數(shù)CStdioFile：：ReadString（rString ）每次從文件中讀取1行，滿足指令讀/寫的實(shí)際需求，另外，使用CStringArray創(chuàng)建CString數(shù)組，存儲(chǔ)指令文件中的所有指令。并使用CStringArray：：GetAt（nIndex）依次讀取測(cè)試指令。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，將測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用于IMU標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。采用傳統(tǒng)的六位置（設(shè)備無定向）測(cè)試標(biāo)定方法[17]對(duì)光纖陀螺IMU進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

光纖陀螺IMU固定安裝于六面體工裝之中，工裝平穩(wěn)放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，在常溫下對(duì)光纖陀螺IMU進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1） 完成硬件系統(tǒng)電氣連接。

（2） 運(yùn)行上位機(jī)測(cè)試軟件。

（3） 將六位置測(cè)試方案設(shè)計(jì)成指令文件形式，設(shè)計(jì)過程如圖8所示。

圖7 光纖陀螺IMU標(biāo)定

圖8 指令編寫窗口

（4） 生成測(cè)試指令文件如圖9所示。

圖9 測(cè)試指令編寫結(jié)果

（5） 加載指令文件，開始測(cè)試，系統(tǒng)自動(dòng)完成轉(zhuǎn)臺(tái)控制與數(shù)據(jù)采集。

（6） 根據(jù)測(cè)試方法對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的標(biāo)定參數(shù)。

（7） 輸出測(cè)試結(jié)果文件，測(cè)試結(jié)束。

測(cè)試過程中測(cè)試軟件顯示主界面如圖10所示。

圖10 測(cè)試軟件主界面

圖10中字母分別代表軟件不同的功能模塊：A表示通信串口設(shè)置模塊，測(cè)試開始之前首先選擇并打開通信端口；B表示IMU輸出數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊，顯示頻率1 Hz，同時(shí)顯示三只陀螺，三只加速度計(jì)和IMU內(nèi)部多通道溫度信息；C表示轉(zhuǎn)臺(tái)手動(dòng)操作模塊（用于手動(dòng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)，自動(dòng)測(cè)試過程不使用）；D表示轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)位置、速率信息顯示模塊；E表示自動(dòng)測(cè)試流程控制和測(cè)試進(jìn)度顯示模塊。

完成所有位置測(cè)試，速率測(cè)試之后，調(diào)用軟件的數(shù)據(jù)計(jì)算與結(jié)果輸出模塊。六位置測(cè)試標(biāo)定數(shù)學(xué)模型中各系數(shù)計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[17]編寫；分別計(jì)算出3只陀螺零偏，標(biāo)度因數(shù)，安裝誤差系數(shù)；3只加速度計(jì)常值偏置，標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差系數(shù)。最后輸出測(cè)試報(bào)告如圖11所示。

圖11 測(cè)試報(bào)告

IMU標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是為了獲得IMU各誤差項(xiàng)系數(shù)，并在POS實(shí)際工作時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使測(cè)角測(cè)速的精度更高。陀螺儀敏感地球自轉(zhuǎn)角速度，加速度計(jì)敏感重力加速度，因此可以利用當(dāng)?shù)刂亓铀俣群偷厮賹?duì)標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行綜合鑒定，同時(shí)也是對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可用性和測(cè)試結(jié)果可靠性的驗(yàn)證。對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中采集到的“六位置24點(diǎn)”靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算反推出當(dāng)?shù)刂亓铀俣群偷厮?，并將?jì)算結(jié)果寫入測(cè)試報(bào)告。自檢結(jié)果表明，本系統(tǒng)能在保證測(cè)試結(jié)果正確的前提下實(shí)現(xiàn)標(biāo)定自動(dòng)化，簡(jiǎn)化了標(biāo)定步驟，提高了標(biāo)定結(jié)果的可靠性。針對(duì)同樣的六位置測(cè)試標(biāo)定方案，采用本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，一次完整的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平均耗時(shí)由原先的90 min減少為40 min，顯著提高了IMU測(cè)試標(biāo)定效率。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種通用的POS自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)測(cè)試流程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)。用讀指令的形式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，提高了測(cè)試系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性。利用本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)光纖陀螺IMU進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠自動(dòng)地完成IMU誤差標(biāo)定的任務(wù)，顯著提高了IMU的測(cè)試效率，滿足POS產(chǎn)品化需求，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 安培浚，高峰，曲建升.對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)及其技術(shù)需求[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22（6）：28?29.

[2] 房建成，楊勝，劉百奇.高性能POS及其在移動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2008，36（z2）：478?482.

[3] 劉百奇，房建成.一種改進(jìn)的IMU 無定向動(dòng)靜混合高精度標(biāo)定方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（6）：1250?1254.

[4] 楊國梁，王瑋，徐燁烽，等.旋轉(zhuǎn)調(diào)制式激光捷聯(lián)慣導(dǎo)安裝誤差分析與標(biāo)定[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（2）：302?308.

[5] 張紅良，武元新，查亞兵，等.高精度慣測(cè)組合標(biāo)定誤差分析[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（1）：142?146.

[6] 吳賽成，秦石喬，王省書，等.激光陀螺慣性測(cè)量單元系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定方法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，19（2）：185?189.

[7] 黨建軍，羅建軍，萬彥輝.基于單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)的捷聯(lián)慣測(cè)組合標(biāo)定方法[J].航空學(xué)報(bào)，2010，31（4）：806?811.

[8] 范勝林，孫永榮，袁信.捷聯(lián)系統(tǒng)陀螺靜態(tài)漂移參數(shù)標(biāo)定[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2000，8（1）：42?46.

[9] MORROW R B， HECKMAN D W. High precision IFOG insertion into the strategic submarine navigation system [C]// Proceedings of 1998 IEEE Symposium on Position Location and Navigation. Palm Springs： IEEE， 1998： 332?338.

[10] 邢超，張嶸，周斌，等.基于數(shù)據(jù)庫的IMU自動(dòng)化標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2014，33（6）：154?156.

[11] 劉育浩，黃新生.撓性捷聯(lián)慣導(dǎo)自動(dòng)化標(biāo)定與測(cè)試系統(tǒng)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，16（4）：396?399.

[12] 趙忠，范毅，趙玉.光纖陀螺自動(dòng)化測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)[J].壓電與聲光，2012，34（6）：835?838.

[13] 趙亞飛，宋凝芳，杜士森，等.基于Visual C++的光纖陀螺多參數(shù)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)[J].壓電與聲光，2013，35（6）：824?828.

[14] 曹松杰，孟曉風(fēng)，梁帆.基于PXI總線的某自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008，22（z2）：149?152.

[15] 梁旭，李行善，高占寶.基于測(cè)試引擎的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2006，20（5）：11?16.

[16] 魏曉虹，張春熹，朱奎寶.光纖陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)試軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，12（6）：18?22.

[17] 陳北鷗，孫文勝，張桂宏，等.捷聯(lián)組合（設(shè)備無定向）六位置測(cè)試標(biāo)定[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2001（3）：23?27.