楊大林，汪立新，姜泉璐，武文斌

(第二炮兵工程學(xué)院 三系，西安 710025)

在進(jìn)行慣性平臺(tái)動(dòng)態(tài)漂移速度測(cè)試時(shí)，采用的是光點(diǎn)反射法。即利用平臺(tái)臺(tái)體軸上的測(cè)試鏡、準(zhǔn)直光管和光屏板等光測(cè)設(shè)備，測(cè)量平臺(tái)臺(tái)體沿臺(tái)體軸、內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸的轉(zhuǎn)角。在平臺(tái)臺(tái)體上裝有六面體反光鏡，測(cè)試時(shí)，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(dāng)平臺(tái)臺(tái)體相對(duì)于基座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光屏上的光點(diǎn)會(huì)緩緩移動(dòng)。

測(cè)量在t時(shí)間內(nèi)水平(或垂直)移動(dòng)的距離Δl，即相當(dāng)于臺(tái)體繞垂直(或水平)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為

其漂移角速度為

一塊平面鏡可以測(cè)得繞兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角，整個(gè)試驗(yàn)有兩套平行光管同時(shí)測(cè)量三個(gè)軸轉(zhuǎn)角，如圖1所示［1］。該方法比較簡(jiǎn)單、直觀，但需要人工計(jì)時(shí)、人工描點(diǎn)，不方便且精度也不高。隨著武器裝備系統(tǒng)測(cè)試自動(dòng)化和保證測(cè)試精度要求的提出，研制一套高精度的平臺(tái)漂移自動(dòng)化測(cè)試儀顯得尤為必要。

圖1 光點(diǎn)反射法測(cè)量原理

1 測(cè)試儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

工作原理:激光發(fā)生器LD發(fā)出細(xì)光束經(jīng)過(guò)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(yuǎn)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(diǎn)處。當(dāng)反射面P繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度θ時(shí)，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(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行角放大，設(shè)望遠(yuǎn)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(diǎn)處。

設(shè)二維PSD器件的中心為原點(diǎn)O，PSD距離望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的距離為L(zhǎng)，圖中p點(diǎn)的坐標(biāo)為p(x，y)，p'點(diǎn)處的坐標(biāo)為p'(x'，y')，p'點(diǎn)相對(duì)于p點(diǎn)的位移為(x″，y″)。由圖中的幾何關(guān)系可得:

知道光點(diǎn)在PSD光敏面上的位置p(x，y)、反射面轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度θ后的相對(duì)位置p'(x'，y')以及角度變化Δθ所用的時(shí)間t，即可得到平臺(tái)漂移的瞬時(shí)角速度［2］。

圖2 平臺(tái)漂移自動(dòng)化測(cè)試儀光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

1.2 基于PSD的處理電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)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(cè)漂移系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊是把入射到PSD的光斑信號(hào)轉(zhuǎn)換成量化的數(shù)字電壓信號(hào)，由二維枕型PSD、運(yùn)算放大器和AD轉(zhuǎn)換等構(gòu)成;單片機(jī)控制電路主要包括使單片機(jī)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(shè)及功能部件;由于測(cè)試儀是精密的光電儀器，對(duì)外界環(huán)境的震動(dòng)比較敏感。接觸性測(cè)量會(huì)影響儀器的穩(wěn)定性，增大測(cè)試儀的測(cè)量誤差，所以設(shè)計(jì)了紅外遙控鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試儀復(fù)位、開(kāi)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(gè)整體，解碼和接受電路構(gòu)成另外一個(gè)整體。接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼后變成所需的電信號(hào)，送入單片機(jī)后執(zhí)行相應(yīng)的控制程序;顯示模塊中使單片機(jī)的P2口和P1.0－P1.2 口來(lái)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(jī)對(duì)話。由于激光發(fā)生器對(duì)電源的要求特殊，同時(shí)為了避免和電路板供電相沖突，所以兩者需分開(kāi)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(cè)試儀硬件搭建結(jié)構(gòu)圖

1.3 測(cè)試儀器件選型

考慮到慣性平臺(tái)漂移測(cè)試±3″的精度要求、系統(tǒng)綜合性能以及器件價(jià)格等因素，對(duì)各器件進(jìn)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(cè)誤差為±300 μm，B區(qū)位置最大檢測(cè)誤差為±600 μm，位置分辨率為 12 μm［4］。

(2)AD轉(zhuǎn)換器:選用美國(guó)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(shí)間不超過(guò)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(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)、高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代STC12C5A60S2單片機(jī)，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(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)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(gè)片上系統(tǒng)［6］。

(4)顯示器:選用128×64點(diǎn)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(gè)中文漢字(16×16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符(8×16點(diǎn)陣)及64×256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)?？膳cCPU直接接口，提供兩種界面來(lái)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(biāo)顯示、畫(huà)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(dǎo)體激光器，可輸出680 nm可見(jiàn)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(cè)試儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件作為硬件的延伸和人機(jī)交互的手段，很大程度上體現(xiàn)了一個(gè)系統(tǒng)的可操作性。在設(shè)計(jì)該測(cè)試儀時(shí)，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可操作性，能夠用軟件來(lái)完成的操作盡量用軟件完成，最大程度避免認(rèn)為的手動(dòng)操作［8］。

測(cè)試儀軟件部分主要包括系統(tǒng)軟件和人機(jī)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(wú)線通信以及數(shù)據(jù)處理等功能，人機(jī)交互軟件的功能是通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置、外圍設(shè)備控制漂移測(cè)試系統(tǒng)來(lái)對(duì)慣性平臺(tái)圍繞三個(gè)軸的漂移進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)試儀軟件流程圖

3 系統(tǒng)誤差修正及試驗(yàn)分析

平臺(tái)漂移自動(dòng)化測(cè)試儀系統(tǒng)誤差通過(guò)分析可知，主要包括以下幾個(gè)部分:PSD器件的誤差、硬件電路設(shè)計(jì)誤差、光路設(shè)計(jì)誤差以及其它一些影響測(cè)量精度的誤差等。為了保證測(cè)試儀的測(cè)量精度，必須對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正，提高測(cè)量?jī)x的整體性能。

PSD器件是儀器的核心部件，它的誤差對(duì)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(lái)源之一。文獻(xiàn)［10］采用雙一次插值算法對(duì)PSD的非線性誤差進(jìn)行修正，提高了PSD自身的測(cè)量精度。本測(cè)試儀采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)PSD器件的非線性誤差進(jìn)行修正，提高它的線性度。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可看作是一個(gè)n維空間中的曲線擬合(逼近)問(wèn)題，學(xué)習(xí)等價(jià)于在n維空間中尋找一個(gè)能夠最佳擬合訓(xùn)練數(shù)據(jù)的曲面，泛化等價(jià)于利用這個(gè)n維曲面對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。它具有逼近能力強(qiáng)、學(xué)習(xí)速度快等優(yōu)點(diǎn)。該算法通過(guò)選擇徑向基函數(shù)中心、確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(gè)步驟，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)定目標(biāo)誤差均方差精度以及選取散布常數(shù)最優(yōu)值，對(duì)由于PSD非線性產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，擬合性較好［11－12］。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的條件，可選擇在晚上進(jìn)行試驗(yàn)，以消除背景光對(duì)PSD的影響;選擇性能較好的激光發(fā)生器、一次試驗(yàn)后儀器冷卻足夠長(zhǎng)時(shí)間等方法來(lái)減小PSD器件固有噪聲的影響。

通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)與應(yīng)用軟件相結(jié)合(軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，但缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。)等方法來(lái)減少硬件設(shè)計(jì)誤差。

通過(guò)提高光學(xué)器件的安裝精度，來(lái)減小光路誤差對(duì)系統(tǒng)測(cè)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(qiáng)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(duì)單片機(jī)從PSD器件采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。數(shù)字濾波是通過(guò)一定的計(jì)算機(jī)程序?qū)π盘?hào)作數(shù)字化處理，減少干擾在信號(hào)中的比重。

試驗(yàn)時(shí)，用三軸搖擺臺(tái)在頻率1 Hz、振幅6°的情況下，模擬導(dǎo)彈的飛行，測(cè)定平臺(tái)動(dòng)態(tài)漂移。把平臺(tái)置于三軸搖擺臺(tái)上，其動(dòng)態(tài)漂移測(cè)試，在靜態(tài)漂移測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行，利用三軸搖擺在頻率1 Hz、振幅6°的情況下進(jìn)行搖擺，每分鐘記錄一次光點(diǎn)在PSD上的位置，共測(cè)10 min，記錄十個(gè)光點(diǎn)，通過(guò)式(3)、式(4)、式(5)即可計(jì)算出平臺(tái)漂移的大小。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，將測(cè)試儀固定在支架上，同時(shí)把測(cè)試鏡固定在三軸搖擺臺(tái)上。試驗(yàn)前先調(diào)整測(cè)試儀與測(cè)試鏡的位置，使測(cè)試儀發(fā)出的光束照射到平面鏡上反射回測(cè)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(cè)試儀顯示屏上v1、v2、v3和v4的電壓值相接近。鎖定搖擺臺(tái)的X軸或Z軸，小幅度(每次10″)轉(zhuǎn)動(dòng)搖擺臺(tái)，當(dāng)測(cè)試儀Y軸方向漂移讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，觀察并記錄數(shù)據(jù)。再將搖擺臺(tái)回轉(zhuǎn)相同的角度，測(cè)試儀復(fù)位，反方向小幅度(每次10″)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)試儀Y軸負(fù)方向漂移讀數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，觀察并記錄數(shù)據(jù)。X軸和Z軸測(cè)試方法相同。試驗(yàn)時(shí)，抽測(cè)Y軸方向的測(cè)量值情況，結(jié)果如表1所示。

表1 Y軸方向測(cè)量數(shù)據(jù)(″)

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

4 結(jié)論

以慣性平臺(tái)漂移測(cè)試現(xiàn)狀為背景，研發(fā)了一臺(tái)基于新型半導(dǎo)體位置敏感探測(cè)器的平臺(tái)漂移自動(dòng)化測(cè)試儀。該測(cè)試儀采用了一種新的光學(xué)測(cè)量方法，結(jié)合先進(jìn)的半導(dǎo)體光電技術(shù)，克服了人工測(cè)量復(fù)雜、存在人為誤差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)角度和角速度的自動(dòng)化測(cè)量。操作簡(jiǎn)單，能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度，在小角度測(cè)量領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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