直升機機載三軸速率陀螺校準(zhǔn)技術(shù)研究

鐘德輝， 曾建華， 李 明

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

陀螺儀是慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的核心元件之一，是艦船、飛機、導(dǎo)彈和航天飛行器慣性控制系統(tǒng)的重要組成部分，用來測量基座的轉(zhuǎn)角或角速度，其性能好壞直接影響慣性導(dǎo)航的精度[1]。在直升機研制、試驗過程中，運用到大量的精密角速率類傳感器，如直升機試飛試驗中監(jiān)測飛機姿態(tài)的三軸速率陀螺組件等。三軸速率陀螺是直升機飛控系統(tǒng)的重要組成部分，它能精確地測量直升機相對于慣性空間的方位、俯仰和橫滾3個角速度，并輸出相應(yīng)的電信號[2-3]，傳輸給直升機作為飛行控制的重要參數(shù)[4]。因此，在速率陀螺裝機使用前，對其速率精度進(jìn)行測試校準(zhǔn)具有十分重要的意義。

針對傳統(tǒng)的航空機載陀螺儀測試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，具有成本高、自動化程度低、擴展性差等特點[5]，國內(nèi)速率陀螺的測試一般采用常溫單軸速率臺進(jìn)行測試，這種測試方式需要通過多次裝拆測試夾具，效率低下[6]。

針對某型無人直升機研制、試驗過程中使用的TSZ-12AA型三軸速率陀螺，設(shè)計了專用校準(zhǔn)工裝，開發(fā)了一套專門的校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件，極大地提升了校準(zhǔn)工作效率，對系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行了分析評定，驗證了校準(zhǔn)系統(tǒng)和方法的有效性，滿足了機載三軸速率陀螺的校準(zhǔn)需求，有效地保證了該型無人直升機試飛試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)

校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由測控計算機、高精度單軸速率轉(zhuǎn)臺、直流穩(wěn)壓源、數(shù)字多用表、專用夾具等組成。

1.1 校準(zhǔn)系統(tǒng)原理

該校準(zhǔn)系統(tǒng)依據(jù)GJB1692-93《試飛測試儀器校準(zhǔn)要求》，采用高精度單軸速率轉(zhuǎn)臺作為角速率標(biāo)準(zhǔn)裝置，模擬飛機的運動角速度作為速率陀螺的輸入，用數(shù)字多用表測量并采集不同速率狀態(tài)下的輸出，從而獲得速率陀螺的輸入-輸出特性[7]，實現(xiàn)對速率陀螺的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖

1.2 測控計算機

測控計算機是整個校準(zhǔn)系統(tǒng)的核心，它建立了與速率轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)和數(shù)字多用表的通信，實現(xiàn)對速率轉(zhuǎn)臺的控制，實時采集校準(zhǔn)輸出電壓，并對校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

1.3 速率轉(zhuǎn)臺

速率轉(zhuǎn)臺為被校速率陀螺提供裝夾位置和標(biāo)準(zhǔn)輸入角速率，測控計算機通過通信協(xié)議對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行控制，進(jìn)而完成速率陀螺的校準(zhǔn)。

某型無人直升機機載速率陀螺是一個包含3個單軸速率陀螺的慣性組件，其工作速率范圍為±(5～200)°/s，速率精度為0.2%。為滿足校準(zhǔn)需求，采用型號為LX-10G的單軸速率轉(zhuǎn)臺，其角速率范圍為±(5～1450)°/s)，速率精度為0.01%，滿足量值傳遞要求。

1.4 直流穩(wěn)壓源及數(shù)字多用表

為保證被校陀螺工作的可靠性和校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)選用了較高精度的直流穩(wěn)壓電源，其電壓精度為±(0.5%+5字)，萬用表采用了6位半數(shù)字萬用表，其最大允許誤差(10 V)為±(0.0035L%+0.0005D%) V。

1.5 專用夾具

專用夾具用于將被校三軸速率陀螺安裝在速率轉(zhuǎn)臺臺面上，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 專用夾具結(jié)構(gòu)示意圖

將專用夾具通過4個緊固螺釘固定安裝在速率轉(zhuǎn)臺臺面中心位置，將被校機載三軸速率陀螺通過緊固螺釘固定在該夾具的裝夾臺面上，裝夾臺具有沿水平方向360°旋轉(zhuǎn)、沿俯仰方向±90°旋轉(zhuǎn)的功能，校準(zhǔn)時，只需一次裝夾被校機載陀螺，通過調(diào)整裝夾臺的位置，即可實現(xiàn)被校三軸速率陀螺3個輸出軸方向(航向、傾斜、俯仰)的快速轉(zhuǎn)換。專用夾具保證了被校三軸速率陀螺的裝夾可靠、定位精確，實現(xiàn)了快速裝夾和換向。

2 數(shù)據(jù)采集和處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)采用型號為33401A的數(shù)字多用表作為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的采集裝置，為提高采集效率，利用RS232進(jìn)行串口通信，RS232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信，收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號的。典型的RS232信號在正負(fù)電平之間擺動。RS232是為單對點通信而設(shè)計的，其驅(qū)動器負(fù)載為3～7 kΩ。所以RS232適合本地設(shè)備之間的通信[8]。

將數(shù)字多用表設(shè)置于復(fù)位狀態(tài)，改變數(shù)字多用表設(shè)置，建立觸發(fā)條件，測量初始化，從輸出緩沖區(qū)或內(nèi)存器中獲取數(shù)據(jù)，將測量結(jié)果讀入總線控制器，進(jìn)入工作狀態(tài)，打開串口，接收數(shù)據(jù)。采用五線的DTR協(xié)議連接方式，可有效地避免數(shù)據(jù)丟失，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

為探究不同擬合方法對校準(zhǔn)結(jié)果的影響，采用實驗室對型號為TSZ-12AA、編號為11002(傾斜)、有效量程為(-100～100)°/s、幅值線性度為0.20%的速率陀螺的一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，校準(zhǔn)點參照GJB1692-93《試飛測試儀器校準(zhǔn)要求》，在規(guī)定的校準(zhǔn)范圍內(nèi)均勻等間隔地選取11個校準(zhǔn)點[8]，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。

分別采用端點擬合、平均法擬合和最小二乘法擬合3種擬合方法對表1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所獲得的擬合結(jié)果如表2所示。

表1 速率陀螺校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表2 擬合結(jié)果

表2數(shù)據(jù)表明，采用最小二乘法擬合直線非線性誤差最小。最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配[9]，能夠最真實地反映速率陀螺性能指標(biāo)，因此為了確保校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)采用最小二乘法擬合直線方程。

2.3 校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件設(shè)計

C語言是嵌入式軟件開發(fā)使用最多的語言[10]，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理軟件采用C語言設(shè)計，軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。軟件可以實現(xiàn)被測傳感器信息的輸入、自定義輸入校準(zhǔn)點、利用R232串口通信自動采集校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、比較和分析，得到一系列采樣點的測量誤差以及擬合直線，并自動生成和保存原始記錄。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

3 校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

速率陀螺的參比直線采用最小二乘線性回歸的直線，線性回歸方程[11]為

Yi=Y0+KRi

(1)

式中,Yi為速率陀螺在i個校準(zhǔn)點處輸出量的線性回歸值(V)；Y0為截距(V)；K為速率陀螺的靈敏度(V/(°/s))；Ri為速率陀螺第i個校準(zhǔn)點的角位移量(°/s)。

靈敏度K和Y0的計算公式[11]如下。

(2)

(3)

(4)

則第i個受檢點的線性度為

(5)

線性度為

(6)

式中，YFS為輸出信號量程(V)，YFS=YM-YN。YM為速率陀螺為上限值時3組正、反行程所測得的實際輸出的平均值(V)，YN為速率陀螺為下限值時3組正、反行程所測得的實際輸出的平均值(V)。

3.2 方差和靈敏系數(shù)

根據(jù)線性度公式

(7)

可得：

根據(jù)表1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

取YFS=10.1369 V；Ri=100°/s

3.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

(1) 角位移傳感器的靈敏系數(shù)K和截距Y0引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(K)和u(Y0)。

采用最小二乘法計算出的理論直線方程

(8)

因Yi獨立，則

(9)

(10)

其中：

根據(jù)表1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可得：

Y0=-0.001116 V

K=0.050698

(2) 標(biāo)準(zhǔn)角速率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Ri)。

單軸速率轉(zhuǎn)臺速率精度為±1×10-4，服從均勻分布，則：

(3) 電壓輸出值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(yi)。

① 數(shù)字表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(yi)。

校準(zhǔn)使用的數(shù)字萬用表10 V檔位的直流測量示值誤差為±(0.0035L%+0.0005D%) V，滿量程輸出電壓為5 V,最大允許誤差為±(0.0035×5+0.0005×10)%=±0.000225 V，服從均勻分布，則：

② 重復(fù)性引入的不確定度分量u2(yi)。

選取100°/s校準(zhǔn)點，正行程、反行程各測量3次，采用極差法計算重復(fù)性，數(shù)據(jù)見表3。

表3 100°/s校準(zhǔn)點測量數(shù)據(jù) 單位：V

u2(yi)=|5.0693-5.0655|/2.53=0.0015 V

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

經(jīng)分析，不確定度分量及影響系數(shù)見表4。

表4 不確定度分量及影響系數(shù)

由以上內(nèi)容可得：

u2(li)=0.09862×0.001512+(-0.0986)2×0.000842+

(-9.8649)2×0.0000132+

(-0.005)2×0.000057742

u(li)=0.021%

3.5 擴展不確定度

取包含因子k=2[12]，則有：

U=k·u(li)=2×0.021%≈0.05%

由以上數(shù)據(jù)可知，線性度校準(zhǔn)結(jié)果的擴展不確定度為0.05%，小于被校速率陀螺線性度指標(biāo)(0.2%)的1/3，表明該校準(zhǔn)系統(tǒng)可靠，校準(zhǔn)方法合理可行。

4 結(jié)束語

提出了一種三軸速率陀螺校準(zhǔn)方法，設(shè)計了校準(zhǔn)系統(tǒng)及專用校準(zhǔn)夾具，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集及處理軟件，采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了三軸速率陀螺的快速、準(zhǔn)確校準(zhǔn)；校準(zhǔn)結(jié)果的不確定分析表明，校準(zhǔn)方法合理可行，為直升機科研試驗提供了可靠的技術(shù)保證。