陸文駿

(安徽三聯(lián)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

無(wú)人機(jī)的試驗(yàn)、定型、平時(shí)訓(xùn)練及戰(zhàn)前準(zhǔn)備，都需要對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)檢測(cè)?，F(xiàn)有的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，配備的檢測(cè)設(shè)備少，沒(méi)有校準(zhǔn)設(shè)備，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)裝備主要性能參數(shù)的量值溯源鏈出廠后就終止了。基層單位也只能依靠少量的檢測(cè)設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)定性對(duì)裝備做功能好壞的檢查，難以全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確地把握無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)。因此必須對(duì)無(wú)人機(jī)裝備進(jìn)行科學(xué)有效的校準(zhǔn)與檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)裝備主要參數(shù)的量值溯源與傳遞,確保裝備量值的準(zhǔn)確與統(tǒng)一。

隨著高科技設(shè)備的不斷部署，設(shè)備技術(shù)支持的重要性逐漸得到認(rèn)可。目前，國(guó)內(nèi)已有科研院所針對(duì)近程無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展了測(cè)試與計(jì)量研究工作。但在需求論證、單項(xiàng)重要指標(biāo)測(cè)試研究方面較深入，也有單項(xiàng)測(cè)試儀器和自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的成果應(yīng)用，但這些儀器和設(shè)備總體上功能單一，系統(tǒng)測(cè)試主要采用通用標(biāo)準(zhǔn)儀器，對(duì)裝備運(yùn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)能力弱，很難進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試和性能的科學(xué)客觀評(píng)價(jià)。如針對(duì)某型無(wú)人機(jī)航空電子裝配研制的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，主要是對(duì)近程無(wú)人機(jī)的飛控儀、壓力傳感器、伺服舵機(jī)等航空電子單元設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，只用于車(chē)間系統(tǒng)的裝配調(diào)試過(guò)程[1]。再如對(duì)角速率陀螺的靜態(tài)檢測(cè)，通過(guò)從地面站的飛行數(shù)據(jù)窗口檢查角速率陀螺輸出值，正常情況下該值應(yīng)在0±3°/s范圍附近。而角速率陀螺動(dòng)態(tài)檢測(cè)則是取下角速率陀螺旋轉(zhuǎn)，角速率值應(yīng)有變化則認(rèn)為角速率陀螺工作正常。旋轉(zhuǎn)角速率陀螺相當(dāng)于對(duì)其施加高轉(zhuǎn)速的沖擊轉(zhuǎn)角信號(hào)，用這種方法即使存在靈敏度和線(xiàn)性度差的問(wèn)題角速率陀螺輸出也會(huì)有相應(yīng)變化，因而并不能測(cè)試出角速率陀螺的技術(shù)指標(biāo)。

1 機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)

對(duì)機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)主要是用比對(duì)校準(zhǔn)的原理，即由系統(tǒng)提供高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源，被測(cè)對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備同時(shí)測(cè)量該激勵(lì)源，對(duì)獲得的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)誤差。需要該系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)源有空間角、角速率、差壓、靜壓、恒溫場(chǎng)[2]；系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備有無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)校準(zhǔn)臺(tái)、壓力校驗(yàn)儀、溫度計(jì)。

1.1 校準(zhǔn)對(duì)象

該系統(tǒng)的校準(zhǔn)目標(biāo)是氣缸溫度傳感器、靜壓傳感器、動(dòng)態(tài)壓力傳感器、垂直陀螺儀和角速率陀螺儀。校準(zhǔn)的參數(shù)有溫度、壓力、空間姿態(tài)角。校準(zhǔn)對(duì)象的測(cè)量范圍和允許的誤差限制如表1所示?？紤]實(shí)際工作情況，校準(zhǔn)對(duì)象增加了角速率傳感器，未包括原來(lái)技術(shù)方案中磁航向傳感器的校準(zhǔn)。

由于被校準(zhǔn)對(duì)象一般不宜拆卸、搬運(yùn)、離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)，本校準(zhǔn)設(shè)備需根據(jù)用戶(hù)的使用場(chǎng)合是在機(jī)庫(kù)還是在野外，是系統(tǒng)校準(zhǔn)還是單獨(dú)校準(zhǔn)，是基層級(jí)還是基地級(jí)，對(duì)該校準(zhǔn)系統(tǒng)要采取不同的連接方式和操作流程。此外，本校準(zhǔn)設(shè)備應(yīng)便于運(yùn)輸，具有自校、測(cè)試參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境自動(dòng)采集、測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)打印、歸檔功能和一定的抗振、抗電磁干擾能力。校準(zhǔn)設(shè)備是基于模塊化、集成化的設(shè)計(jì)思想，力求測(cè)試手段簡(jiǎn)單、測(cè)試設(shè)備小型、測(cè)試結(jié)果精確，以極高的效費(fèi)比，準(zhǔn)確快捷地實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)保障，提高無(wú)人機(jī)裝備技術(shù)準(zhǔn)備效率，減少人員配備。

表1被校對(duì)象測(cè)量范圍及允許誤差極限
Table1Measurement Range and Permissible Error Limit of the Calibrated Object

被測(cè)量范圍最大允許誤差溫度缸溫傳感器-40℃～300℃5℃壓力動(dòng)壓傳感器靜壓傳感器0～4400Pa50～110kPa0.5%(FS)1%(FS)角度垂直陀螺-78°～+78°0.5°角速率角速率陀螺-90°/s～+90°/s5°/s

1.2 校準(zhǔn)方式

校準(zhǔn)的方式有兩種：系統(tǒng)聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)和獨(dú)立校準(zhǔn)。

1.2.1 系統(tǒng)聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)

由于部分傳感器不宜拆卸，且經(jīng)獨(dú)立校準(zhǔn)后的可能會(huì)在再次裝機(jī)后的各個(gè)環(huán)節(jié)中引入誤差。因此，當(dāng)傳感器再裝機(jī)后，為確保傳感器的技術(shù)性能滿(mǎn)足系統(tǒng)需要，需對(duì)傳感器進(jìn)行聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)。聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)的基本方法是：

標(biāo)準(zhǔn)裝置與被校機(jī)載傳感器受同一激勵(lì)源作用，被校機(jī)載傳感器感應(yīng)的電信號(hào)由機(jī)載計(jì)算機(jī)采集，解算成對(duì)應(yīng)的物理量后，通過(guò)串行接口送入現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的主控系統(tǒng);主控系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)裝置送出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的物理量值與機(jī)載計(jì)算機(jī)解算出的物理量進(jìn)行比對(duì)，得出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)框圖Fig.1 On-line calibration block diagram of airborne measurement system

1.2.2 獨(dú)立校準(zhǔn)

獨(dú)立校準(zhǔn)是指單獨(dú)對(duì)傳感器(包括一次元件感應(yīng)頭和信號(hào)調(diào)理電路)相關(guān)參數(shù)的校準(zhǔn)。 一般用于故障分析、設(shè)備維修后的檢測(cè)以及裝機(jī)聯(lián)調(diào)前的單獨(dú)檢測(cè)。機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)過(guò)程如圖2所示。各種被校機(jī)載傳感器在激勵(lì)源的作用下，感應(yīng)出和激勵(lì)源成線(xiàn)性關(guān)系的直流電壓信號(hào)，該信號(hào)被發(fā)送到主控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)傳感器的性能指標(biāo)獲得校準(zhǔn)結(jié)果。

圖2 機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)獨(dú)立校準(zhǔn)Fig.2 Independent calibration of airborne measurement system

1.3 機(jī)載傳感器的校準(zhǔn)

1.3.1 缸溫傳感器的校準(zhǔn)

無(wú)人機(jī)采用薄膜鉑電阻做感溫元件，配上相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路來(lái)完成氣缸頭溫度的測(cè)量。感溫元件的非線(xiàn)性調(diào)理電路部分已進(jìn)行補(bǔ)償，使其輸出電壓信號(hào)與被測(cè)溫度在工作范圍內(nèi)成線(xiàn)性關(guān)系。感溫元件允許的誤差為±(0.3+0.05|t|) ℃。

溫度校準(zhǔn)時(shí)采用便攜式干井式溫度校準(zhǔn)爐提供35～350 ℃的溫度環(huán)境(飛機(jī)正常工作時(shí)的溫度在50～250 ℃)，將鉑電阻溫度計(jì)和校準(zhǔn)的汽缸溫度傳感器放在爐子的相同深度，并測(cè)量鉑電阻溫度計(jì)的電阻值,通過(guò)插值將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值。

進(jìn)行傳感器系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，被校缸溫傳感器感應(yīng)的電壓信號(hào)由機(jī)載計(jì)算機(jī)采集，并解算成對(duì)應(yīng)的溫度值后，通過(guò)串行接口送入主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)將鉑電阻溫度計(jì)測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)溫度量值與機(jī)載計(jì)算機(jī)解算出的缸溫值進(jìn)行比對(duì)，得出校準(zhǔn)結(jié)果。

進(jìn)行傳感器獨(dú)立校準(zhǔn)時(shí)，主控系統(tǒng)采集缸溫傳感器的輸出電壓(對(duì)應(yīng)溫度數(shù)據(jù))，將此電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度值，通過(guò)比較對(duì)應(yīng)于測(cè)量的鉑電阻溫度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)溫度值給出校準(zhǔn)結(jié)果。

1.3.2 垂直陀螺的校準(zhǔn)

無(wú)人機(jī)利用垂直陀螺中三自由度陀螺體的進(jìn)動(dòng)性、穩(wěn)定性及擺式液體開(kāi)關(guān)的地垂向心性，俯仰值與俯仰和傾斜電位計(jì)的飛行器姿態(tài)角線(xiàn)性相關(guān)。 將垂直陀螺儀放在UAV飛行姿態(tài)校準(zhǔn)表上，并使用校準(zhǔn)表作為激勵(lì)源。在主控系統(tǒng)的作用下，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使校準(zhǔn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定的角度，通過(guò)主控系統(tǒng)內(nèi)的多功能采集卡采集垂直陀螺的輸出電壓值(獨(dú)立校準(zhǔn)方式)， 經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理變換成角度量；或者通過(guò)機(jī)載計(jì)算機(jī)的串行接口讀取陀螺儀感應(yīng)的角度值(系統(tǒng)校準(zhǔn)方法)，將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，并給出校準(zhǔn)結(jié)果。

1.3.3 角速率陀螺的校準(zhǔn)

無(wú)人機(jī)的角速率陀螺是在盒體內(nèi)沿3個(gè)軸向安裝角速率陀螺，分別感應(yīng)飛機(jī)在橫滾、航向、俯仰3個(gè)方向的角速率并將其變換成電壓信號(hào)送給機(jī)載計(jì)算機(jī)，速率陀螺應(yīng)用單片微機(jī)械加工的石英振動(dòng)音叉作為敏感元件，直接利用壓電石英材料作為驅(qū)動(dòng)元件。角速率陀螺的校準(zhǔn)方式同垂直陀螺，用夾具將其安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)之中，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，以定角測(cè)時(shí)或定時(shí)測(cè)角的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。

當(dāng)進(jìn)行傳感器單獨(dú)校準(zhǔn)時(shí)，主控系統(tǒng)在轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)中對(duì)被校準(zhǔn)角速率陀螺輸出的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集并進(jìn)行濾波處理，與轉(zhuǎn)臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比對(duì)，給出校準(zhǔn)結(jié)果。

當(dāng)進(jìn)行傳感器系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，為便于比較，主控系統(tǒng)將機(jī)載計(jì)算機(jī)輸出角速率值與校準(zhǔn)臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比對(duì)，給出校準(zhǔn)結(jié)果。

1.3.4 靜壓傳感器和動(dòng)態(tài)壓力傳感器的校準(zhǔn)

無(wú)人機(jī)上氣壓高度、空速的測(cè)量是采用靜、動(dòng)壓傳感器來(lái)測(cè)量飛機(jī)飛行中的大氣靜壓(PH)和全壓(Pt)，由PH可求得氣壓高度，由Pt與PH之差得到差壓PD(即動(dòng)壓)，由PD可求得飛行速度，其解算公式如下：

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)飛機(jī)飛行高度<11 000 m，飛行馬赫數(shù)≤1時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下，氣壓高度和指示空速的解算由下式完成：

(1)

(2)

式中T0、τ、R、A0、P0為氣體常數(shù)(數(shù)值略)。

PPT壓力傳感器用于無(wú)人機(jī)高度和空速測(cè)量。這兩種傳感器都是壓力傳感器，可通過(guò)壓力校準(zhǔn)器中的壓力泵產(chǎn)生所需的氣壓標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，輸入校準(zhǔn)的壓力傳感器，壓力校準(zhǔn)器讀取標(biāo)準(zhǔn)壓力值。 當(dāng)進(jìn)行傳感器單獨(dú)校準(zhǔn)時(shí)，主控系統(tǒng)對(duì)被校準(zhǔn)壓力傳感器輸出的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，處理轉(zhuǎn)換成壓力量，給出校準(zhǔn)結(jié)果。

當(dāng)進(jìn)行傳感器系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，因機(jī)載計(jì)算機(jī)輸出的是氣壓高度、空速值。為便于比較，主控系統(tǒng)要將靜壓、差壓換算成對(duì)應(yīng)的氣壓高度、空速值。

2 機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備主要用于校準(zhǔn)無(wú)人機(jī)的無(wú)頭溫度傳感器、氣壓高度傳感器、動(dòng)態(tài)壓力傳感器、機(jī)載垂直陀螺儀和角速率陀螺儀，確保機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)始終處于良好的技術(shù)狀態(tài)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)需校準(zhǔn)的傳感器進(jìn)行分析，校準(zhǔn)參數(shù)有溫度、壓力、角度。因此，設(shè)備應(yīng)包括溫度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、壓力標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和角度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。其中，溫度標(biāo)準(zhǔn)裝置和壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置選自購(gòu)買(mǎi)的便攜式裝置，角度標(biāo)準(zhǔn)裝置使用自制無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)校準(zhǔn)表。

機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)設(shè)備硬件主要包括：干井式溫度校驗(yàn)器、靜壓壓力校驗(yàn)儀、差壓壓力校驗(yàn)儀、無(wú)人機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)臺(tái)等，機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備硬件原理如圖3所示。

圖3 機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備原理框圖Fig.3 Principle block diagram of calibration equipment for airborne measurement system

圖中的干井式溫度校驗(yàn)器，靜、差壓壓力校驗(yàn)儀以及無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)校準(zhǔn)臺(tái)分別為溫度參數(shù)、壓力參數(shù)及角度參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)裝置，各部分的主要功能如下：

2.1.1 干井式溫度校驗(yàn)器

干井式溫度校驗(yàn)器的主要作用是為氣缸頭溫度傳感器提供一個(gè)穩(wěn)定均勻的溫場(chǎng)，其爐內(nèi)的溫度由內(nèi)部的高穩(wěn)定鉑電阻溫度計(jì)來(lái)測(cè)量，通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)溫度信號(hào)和傳感器感應(yīng)溫度信號(hào)，為氣缸蓋溫度傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)氣缸蓋溫度傳感器的校準(zhǔn)。

2.1.2 靜壓、差壓壓力校驗(yàn)儀

靜壓、差壓壓力校驗(yàn)儀的主要作用是為氣壓高度傳感器和動(dòng)壓傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力信號(hào)和傳感器感應(yīng)壓力信號(hào)的比較，實(shí)現(xiàn)氣壓高度傳感器和動(dòng)態(tài)壓力傳感器的校準(zhǔn)。

2.1.3 無(wú)人機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)臺(tái)

無(wú)人機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)臺(tái)的主要作用是為機(jī)載陀螺和角速率陀螺提供標(biāo)準(zhǔn)角激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)角信號(hào)和陀螺感應(yīng)信號(hào)的比較，標(biāo)準(zhǔn)角速率信號(hào)和角速率陀螺感應(yīng)信號(hào)的比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺和角速率陀螺的校準(zhǔn)，此校準(zhǔn)臺(tái)是機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)備中的重要組成部分。

2.1.4 環(huán)境溫度測(cè)量模塊

環(huán)境溫度測(cè)量模塊提供無(wú)人系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)。 以 Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)溫度傳感器為感應(yīng)頭，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度實(shí)時(shí)測(cè)量。由于DS18B20采用單總線(xiàn)協(xié)議模式，即在一條數(shù)據(jù)線(xiàn)上雙向傳輸數(shù)據(jù)，工作流程為：初始化ROM操作指令存儲(chǔ)器操作指令數(shù)據(jù)傳輸。其工作時(shí)序包括初始化時(shí)序，寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序。對(duì)于89 S51微控制器，硬件不支持單總線(xiàn)協(xié)議。該方法是模擬單個(gè)總線(xiàn)的協(xié)議時(shí)序，以完成對(duì)DS18 B20芯片的訪問(wèn)。 溫度測(cè)量結(jié)果通過(guò)RS-232接口傳輸?shù)街鳈C(jī)。

2.2 無(wú)人機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)臺(tái)[3-4]主要由高精度轉(zhuǎn)臺(tái)及其控制系統(tǒng)組成，如圖4所示。分別實(shí)現(xiàn)X、Y兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)子系統(tǒng)由平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和執(zhí)行器組成。選用交流伺服電機(jī)作為各子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)蝸桿蝸輪減速后輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 在轉(zhuǎn)盤(pán)的兩個(gè)子系統(tǒng)中，Y軸轉(zhuǎn)盤(pán)(即內(nèi)框架3)固定在X軸轉(zhuǎn)盤(pán)(即外框架1)的轉(zhuǎn)盤(pán)上。X軸(即外框1)轉(zhuǎn)臺(tái)固定在機(jī)架上。 將陀螺儀固定在Y軸轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)盤(pán)上，并根據(jù)校準(zhǔn)要求控制轉(zhuǎn)盤(pán)各軸的旋轉(zhuǎn)。模擬飛機(jī)飛行中的各種態(tài)度，比較轉(zhuǎn)盤(pán)的姿態(tài)和系統(tǒng)的輸出，以校準(zhǔn)飛行姿態(tài)。

高精度的校準(zhǔn)臺(tái)設(shè)計(jì)成功的首要保證是合理設(shè)計(jì)總體方案，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分， 項(xiàng)目組在對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析后，選擇完善的總體設(shè)計(jì)方案，并制作出樣機(jī)。

圖4 無(wú)人機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)臺(tái)示意圖Fig.4 The schematic diagram of UAV attitude calibration platform

2.2.2 原理設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)由框架結(jié)構(gòu)、動(dòng)力源、支承結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、軸系結(jié)構(gòu)、配重方式等組成。其原理如圖5所示。

圖5 無(wú)人機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)臺(tái)原理框圖Fig.5 Principle block diagram of UAV attitude calibration platform

2.2.3 控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)姿態(tài)校準(zhǔn)臺(tái)工作方式需要，電機(jī)控制程序包括初始化串口，以規(guī)定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，以規(guī)定角速率轉(zhuǎn)動(dòng)等多個(gè)步驟[5]，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的速度可調(diào)和，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可根據(jù)需要緊急停止等功能，在電機(jī)控制協(xié)議中規(guī)定了電機(jī)編號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、急停標(biāo)志等多個(gè)字段。電機(jī)以規(guī)定角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)的升降速曲線(xiàn)。電機(jī)控制程序流程如圖6所示。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)軟件模塊可校準(zhǔn)無(wú)人機(jī)上的主要傳感器，如溫度傳感器，氣壓高度傳感器，動(dòng)態(tài)壓力傳感器和垂直陀螺儀。

溫度傳感器校準(zhǔn)模塊選擇無(wú)人機(jī)溫度傳感器或選擇所有傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，軟件設(shè)置5個(gè)溫度的標(biāo)準(zhǔn)值，并通過(guò)控制干燥溫度檢查器的標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)加熱溫度傳感器。

壓力傳感器模塊分為氣壓高度傳感器校準(zhǔn)與動(dòng)壓傳感器校準(zhǔn)[6]，兩個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程基本相同：開(kāi)始校準(zhǔn)后，首先通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)壓力儀設(shè)定壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)值，待穩(wěn)定后再?gòu)倪b測(cè)幀中讀取壓力傳感器的實(shí)際值，最后將壓力標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)測(cè)值記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖6 電機(jī)控制程序流程圖Fig.6 Flow chart of motor control program

垂直陀螺模塊校準(zhǔn)模塊：首先由用戶(hù)設(shè)定陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)的間隔時(shí)間，開(kāi)始校準(zhǔn)后主機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)使陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)角度值，待陀螺穩(wěn)定后讀取陀螺的實(shí)際角度值顯示，然后再進(jìn)行下一個(gè)角度的校準(zhǔn)，回程完成幾次校準(zhǔn)后，將所有校準(zhǔn)結(jié)果呈報(bào)表形式顯示并記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

角速率陀螺校準(zhǔn)模塊：由程序設(shè)定5個(gè)校準(zhǔn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角速率，開(kāi)始校準(zhǔn)后主機(jī)控制標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，讀取角速率陀螺的實(shí)際感應(yīng)的角速率值，顯示并記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，然后再進(jìn)行下一個(gè)角度的校準(zhǔn)，回程幾次校準(zhǔn)后，將所有校準(zhǔn)結(jié)果呈報(bào)表形式顯示。

校準(zhǔn)模塊的程序流程如圖7所示。

圖7 機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊流程圖Fig.7 Flow chart of calibration module for airborne measurement system

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)角動(dòng)態(tài)測(cè)試仿真平臺(tái)，并以無(wú)人機(jī)姿態(tài)校準(zhǔn)表作為飛機(jī)姿態(tài)角的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)。為垂直陀螺儀和角速率陀螺儀提供高精度空間角度激勵(lì)源。不僅能滿(mǎn)足基層單位校準(zhǔn)陀螺的需求，也可為無(wú)人機(jī)研制單位飛行控制設(shè)計(jì)師提供半實(shí)物仿真的試驗(yàn)平臺(tái)[7]，進(jìn)行理論分析及驗(yàn)證的試驗(yàn)裝置。