慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)研究

徐新平, 王 銳, 袁 靜, 楊 帆, 路立勛

(1.重慶市計(jì)量質(zhì)量測(cè)試研究院,重慶 400700; 2.重慶華渝電氣集團(tuán)有限公司,重慶 400700)

1 引 言

艦船在航行過(guò)程中受到海風(fēng)、海浪等因素的影響,存在橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩和升沉六自由度的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。其中大幅度的升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)艦船的航行、工程船的作業(yè)、艦載機(jī)的起降等產(chǎn)生直接影響,該影響在高海況下尤為明顯[1]。因此,艦船升沉數(shù)據(jù)的測(cè)試具有較高的工程價(jià)值。慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟,精度較高,能夠?qū)崟r(shí)輸出艦船升沉信息[2～7]。但慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉測(cè)試精度的動(dòng)態(tài)測(cè)試一直是個(gè)難題。

缺少高精度的測(cè)試設(shè)備及難以從艦船的復(fù)合運(yùn)動(dòng)中提取出升沉數(shù)據(jù),是難以實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉數(shù)據(jù)測(cè)試的兩大障礙[8]。以往只能通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證精度,或者在試驗(yàn)車(chē)爬坡時(shí)通過(guò)觀察慣性導(dǎo)航輸設(shè)備出升沉速度的正負(fù)來(lái)定性,而不能定量地測(cè)試該項(xiàng)指標(biāo)。隨著相關(guān)研究的日益深入,目前國(guó)內(nèi)多采用垂直雙導(dǎo)軌光柵尺結(jié)構(gòu),或六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)完成慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉數(shù)據(jù)的測(cè)試[9]。垂直雙導(dǎo)軌光柵尺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安裝難度大、測(cè)試部分傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、導(dǎo)軌移動(dòng)端重量較大,且搖擺臺(tái)與導(dǎo)軌移動(dòng)端之間的懸臂梁過(guò)長(zhǎng),因此,以上因素將造成誤差累積、測(cè)試數(shù)據(jù)失真。同時(shí),六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)雖可通過(guò)位姿計(jì)算輸出升沉位移,但受伸縮運(yùn)動(dòng)缸本身行程的制約,六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的測(cè)試量程一般都小于1 m。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題,本文提出一種基于STM32[10～12]單片機(jī)與單軸搖擺臺(tái)的慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉數(shù)據(jù)的測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用拉線位移傳感器整體尺寸緊湊、精度高等特點(diǎn),巧妙的采集單軸搖擺臺(tái)的升沉數(shù),并將采集到的升沉數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)的慣性導(dǎo)航設(shè)備測(cè)試軟件,為測(cè)試慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉性能提供有效的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)原理

測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

該測(cè)試系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位移傳感機(jī)構(gòu)與數(shù)據(jù)采集處理模塊3部分組成,見(jiàn)圖1(a)。采用搖擺試驗(yàn)臺(tái)模擬艦船的復(fù)合運(yùn)動(dòng),被測(cè)試慣性導(dǎo)航設(shè)備安裝于搖擺試驗(yàn)臺(tái)的一端。通過(guò)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)對(duì)位移傳感的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與運(yùn)算,將慣性導(dǎo)航設(shè)備坐標(biāo)原點(diǎn)處的升沉數(shù)據(jù)從復(fù)合運(yùn)動(dòng)中提取出來(lái),然后與慣性導(dǎo)航設(shè)備所輸出的升沉數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉參數(shù)的測(cè)試。

測(cè)試原理如圖1(b)所示,位移傳感系統(tǒng)測(cè)試出弧長(zhǎng)L,其為A點(diǎn)處拉線傳感器的輸出量。利用固定圓心、固定半徑條件下的圓內(nèi)三角形關(guān)系,數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由L值轉(zhuǎn)換為升沉位移H,進(jìn)而測(cè)試系統(tǒng)從復(fù)合運(yùn)動(dòng)中提取出升沉數(shù)據(jù)。

因?yàn)椤鰽BC與△ADB相似,故:

(1)

(2)

H=R-a-h

(3)

結(jié)合式(2)、式(3)可得:

H=R-a-L2/(2R)

(4)

式中:R為搖擺半徑;a為搖擺臺(tái)調(diào)平后,慣性導(dǎo)航設(shè)備“零位”與搖擺軸的豎直距離,均為已知固定值;H即為設(shè)備升沉位移。

由此可見(jiàn),可將慣性導(dǎo)航設(shè)備的圓周復(fù)合運(yùn)動(dòng)進(jìn)行升沉方向的分解與提取,且不影響測(cè)試精度。

數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)在測(cè)試過(guò)程中,同時(shí)對(duì)H值與慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出的升沉位移數(shù)據(jù)連續(xù)取值,并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)指定的文件中。通過(guò)自行研制的慣性導(dǎo)航設(shè)備測(cè)試軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可得到升沉位移、升沉速度與升沉加速度等升沉數(shù)據(jù)。

2.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與位移傳感器設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為測(cè)試過(guò)程提供模擬的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由搖擺試驗(yàn)臺(tái)與相關(guān)的控制模塊構(gòu)成。為增加量程,將搖擺試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)面在搖擺軸的垂直方向適當(dāng)加長(zhǎng),本系統(tǒng)將搖擺半徑R(見(jiàn)圖1(b))設(shè)計(jì)為1 590 mm。

慣性導(dǎo)航設(shè)備坐標(biāo)系原點(diǎn)與鉸接軸的對(duì)準(zhǔn)如圖2所示。

圖2 慣性導(dǎo)航設(shè)備坐標(biāo)系原點(diǎn)與鉸接軸的對(duì)準(zhǔn)

位移傳感器的鋼絲繩鉸接軸與搖擺軸兩者軸心之間的距離為搖擺半徑R,即鋼絲繩鉸接軸的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)與圖1(b)所示的圓弧重合。慣性導(dǎo)航設(shè)備固定于臺(tái)面一端,可進(jìn)行位置調(diào)整,使導(dǎo)航設(shè)備本身的坐標(biāo)系原點(diǎn)與鋼絲鉸接軸的延長(zhǎng)線重合。鋼絲繩鉸接軸的安裝位置通過(guò)精確測(cè)試進(jìn)行固定。

本測(cè)試系統(tǒng)方案要求位移傳感器的測(cè)試方向要隨慣性導(dǎo)航設(shè)備的運(yùn)動(dòng)而實(shí)時(shí)改變,故選用大量程拉線傳感器,并將其通過(guò)軸承與安裝座進(jìn)行鉸接,其性能參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 拉線傳感器性能參數(shù)指標(biāo)

拉線傳感器安裝座固定于搖擺試驗(yàn)臺(tái)的搖擺軸正上方,且拉線傳感器底座的鉸接軸心與慣性導(dǎo)航設(shè)備的坐標(biāo)系原點(diǎn)同在以搖擺軸軸心為圓心的圓弧上,見(jiàn)圖1(b)。同時(shí)將拉線傳感器的鋼絲繩與搖擺臺(tái)通過(guò)軸承進(jìn)行鉸接(見(jiàn)圖2),有效避免了慣性導(dǎo)航設(shè)備的搖擺運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)試精度的影響。

長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中,鋼絲繩變形、傳感器本身的零偏、安裝平板的變形等因素,均會(huì)為測(cè)試精度帶來(lái)較大影響。為此,本系統(tǒng)選用增量型拉線傳感器。該傳感器的內(nèi)部編碼器沒(méi)有絕對(duì)刻度,將位移轉(zhuǎn)換成周期電信號(hào),并最終輸出差分脈沖信號(hào),用脈沖個(gè)數(shù)與類別表示位移大小與方向。測(cè)試前,用高精度水平尺對(duì)安裝平面進(jìn)行測(cè)試,再開(kāi)啟測(cè)試系統(tǒng)。此時(shí)增量式拉線傳感器輸出數(shù)據(jù)為“0”,可有效避免測(cè)試誤差。

2.3 數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集處理模塊的原理框圖如圖3所示。以100 Hz的頻率分別采集拉線傳感器與慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出的升沉數(shù)據(jù)。為了保證所采集信號(hào)的精度,拉線傳感器與慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出信號(hào)均通過(guò)無(wú)源濾波器處理后再到STM32F407單片機(jī)。經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后,拉線傳感器信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)正交編碼器(QEI),經(jīng)運(yùn)算得出升沉數(shù)據(jù)。慣性導(dǎo)航設(shè)備信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)USART模塊。數(shù)據(jù)采集模塊將兩類數(shù)據(jù)由串口RS-232輸入PC機(jī),并保存至指定文件中。

圖3 數(shù)據(jù)采集處理模塊原理框圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

為避免操作者多次測(cè)試帶來(lái)的人為誤差,使用的試驗(yàn)設(shè)備是分辨率為±0.01 mm的數(shù)顯拉線尺[13,14]。試驗(yàn)驗(yàn)證工作開(kāi)始前,先用水平尺將搖擺臺(tái)調(diào)平。用數(shù)顯拉線尺測(cè)試此時(shí)圖1(b)所示B點(diǎn)距離“標(biāo)定用平板”的豎直距離L。搖擺臺(tái)開(kāi)始搖擺后,開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。當(dāng)搖擺臺(tái)停在某一位置時(shí),再次測(cè)試B點(diǎn)距離平板的豎直距離為L(zhǎng)1,則:

ΔL=L1-L

(5)

式中:ΔL即為B點(diǎn)的實(shí)際升沉位移,與傳感器出值H進(jìn)行對(duì)比。

在搖擺臺(tái)的±30°的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi),取值間隔為10°,共7組測(cè)試數(shù)據(jù),見(jiàn)表2。

由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)至測(cè)試系統(tǒng)最大誤差為0.65 mm,且系統(tǒng)在+30°與-30°兩點(diǎn)處的誤差較大。

其原因在于:拉線傳感器鋼絲的進(jìn)出由內(nèi)部扭簧進(jìn)行配合,搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)至-30°時(shí),拉線傳感器的鋼絲繩拉力達(dá)到整個(gè)運(yùn)動(dòng)回合的最大值,這時(shí)拉線傳感器的測(cè)試值L小于真實(shí)值,由公式(4)可知,H值偏大;在搖擺臺(tái)由0°運(yùn)動(dòng)至+30°時(shí),拉線傳感器內(nèi)部扭簧隨之收縮,同時(shí)拉力減小,進(jìn)而系統(tǒng)中的鋼絲繩與各連接部位的“拉長(zhǎng)”現(xiàn)象將逐漸減弱,導(dǎo)致拉線傳感器的測(cè)試值L小于真實(shí)值,由公式(4)可知,H值偏小。

表2 試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試原理的正確性,同時(shí)說(shuō)明該測(cè)試系統(tǒng)還存在一定的誤差,但該誤差在允許范圍之內(nèi),可不對(duì)其進(jìn)行修正。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

將慣性導(dǎo)航設(shè)備安裝于測(cè)試系統(tǒng)上,并按如圖4所示的測(cè)試流程進(jìn)行操作,得到如圖5所示的測(cè)試系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出圖。

由于慣性導(dǎo)航設(shè)備的信號(hào)提取、處理與解算過(guò)程較復(fù)雜,該過(guò)程使得慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉數(shù)據(jù)的輸出與測(cè)試系統(tǒng)中拉線傳感器數(shù)據(jù)輸出相比具有一定延時(shí)T(一般小于1 s),且T為固定值。為方便兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),將慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉數(shù)據(jù)曲線前移T,得到如圖6所示的曲線圖。

圖4 測(cè)試流程

圖5 測(cè)試系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)輸出曲線圖

圖6 慣性導(dǎo)航設(shè)備升沉數(shù)據(jù)曲線前移T的曲線圖

從圖6可看出,該系統(tǒng)可將實(shí)際升沉數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出的升沉數(shù)據(jù)同步采集并存儲(chǔ),且通過(guò)所研制的慣性導(dǎo)航設(shè)備測(cè)試軟件將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)生成曲線,使得慣性導(dǎo)航設(shè)備各時(shí)刻輸出的升沉數(shù)據(jù)誤差清晰可見(jiàn)。

4 結(jié) 論

本文所研制的升沉數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)可以快速、有效地從模擬的復(fù)合運(yùn)動(dòng)中提取出升沉運(yùn)動(dòng),準(zhǔn)確輸出實(shí)際升沉數(shù)據(jù),并將實(shí)際升沉數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出數(shù)據(jù)同步采集、對(duì)比存儲(chǔ);運(yùn)用測(cè)試軟件可直觀的對(duì)被測(cè)慣性導(dǎo)航設(shè)備的升沉測(cè)試性能進(jìn)行評(píng)估;同時(shí)為慣性導(dǎo)航設(shè)備后期的改進(jìn)與優(yōu)化提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。