冷賀彬 朱平

摘要：傳統(tǒng)的棱鏡光學(xué)測(cè)量方法大多針對(duì)大型轉(zhuǎn)臺(tái)和云臺(tái)，微小型穩(wěn)定平臺(tái)體積小無(wú)法安裝光學(xué)棱鏡，且光學(xué)測(cè)量成本高，為解決傳統(tǒng)測(cè)量方法無(wú)法應(yīng)用于微小型穩(wěn)定平臺(tái)測(cè)試中的問(wèn)題，提出采用無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量方法。該文利用0.05°高精度無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)提供不同傾角姿態(tài)參考，采集慣組姿態(tài)數(shù)據(jù)和穩(wěn)定平臺(tái)控制碼盤數(shù)據(jù)，分析得到穩(wěn)定平臺(tái)角度測(cè)量精度、角度指向精度和角度穩(wěn)定精度。為驗(yàn)證該方法的可行性，搭建微小型穩(wěn)定平臺(tái)樣機(jī)和上位機(jī)數(shù)據(jù)采存軟件。測(cè)得自制穩(wěn)定平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量誤差0.6°，角度指向誤差0.73°，角度穩(wěn)定誤差0.1°。該測(cè)量方法對(duì)微小型穩(wěn)定平臺(tái)的性能指標(biāo)測(cè)量方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微小型穩(wěn)定平臺(tái);慣性姿態(tài)測(cè)量;指向精度;無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)

中圖分類號(hào)：U666.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）06-0042-04

收稿日期：2018-10-22;收到修改稿日期：2018-11-19

作者簡(jiǎn)介：冷賀彬（1993-），男，安徽阜陽(yáng)市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)镸EMS慣性姿態(tài)測(cè)量。

0 引言

隨著慣性技術(shù)的飛速發(fā)展，微小型穩(wěn)定平臺(tái)在軍用和民用方面得到了廣泛應(yīng)用，如無(wú)人機(jī)光電吊艙、炮彈導(dǎo)引頭、攝影穩(wěn)像、無(wú)人車穩(wěn)瞄等。但針對(duì)微小型穩(wěn)定平臺(tái)性能指標(biāo)的快速測(cè)試校準(zhǔn)一直是亟待解決的難題[t]。

微小型穩(wěn)定平臺(tái)性能指標(biāo)包括角度測(cè)量誤差、角度指向誤差和角度穩(wěn)定誤差，其中角度測(cè)量誤差一般采用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量，角度指向誤差采用光學(xué)棱鏡測(cè)量[2]，角度穩(wěn)定誤差是指向精度的均方誤差。關(guān)于穩(wěn)定平臺(tái)慣性測(cè)量誤差的標(biāo)定測(cè)試國(guó)內(nèi)外研究較多，如文獻(xiàn)[3]提出了基于橢球擬合的MEMS慣組測(cè)試標(biāo)定方法，文獻(xiàn)[4]中提出關(guān)于十二位置測(cè)試標(biāo)定方法。而關(guān)于穩(wěn)定平臺(tái)指向誤差和穩(wěn)定誤差的測(cè)量方法報(bào)道較少。

在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)校準(zhǔn)標(biāo)定指向誤差中，一般采用光學(xué)棱鏡的測(cè)試方法，及在轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸上安裝光學(xué)棱鏡，但傳統(tǒng)的棱鏡光學(xué)測(cè)量方法，由于體積限制無(wú)法應(yīng)用于小型穩(wěn)定平臺(tái)設(shè)備中，而且光學(xué)測(cè)量方法成本較高。本文中利用無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試方法，能夠解決穩(wěn)定平臺(tái)指向誤差和穩(wěn)定誤差測(cè)量難度大的問(wèn)題。并且本文提出的測(cè)試方法能夠通過(guò)一臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量誤差、指向誤差、平臺(tái)穩(wěn)定誤差的全部測(cè)量。

為驗(yàn)證本文方法的可行性，搭建微小型穩(wěn)定平臺(tái)原理樣機(jī)，利用無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)為穩(wěn)定平臺(tái)提供不同傾斜角度，測(cè)量穩(wěn)定平臺(tái)不同傾斜角度下的角度指向誤差，通過(guò)采集穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)碼盤數(shù)據(jù)，可以分析穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定誤差。利用無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)不僅可有效提高姿態(tài)測(cè)量精度，還可以考核穩(wěn)定平臺(tái)的慣性姿態(tài)誤差。

1 微小型穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)

為研究不同傾角下的穩(wěn)定平臺(tái)性能指標(biāo)，本文針對(duì)圖1所示的微小型穩(wěn)定平臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)量。

本文自制的微小型穩(wěn)定平臺(tái)主要由慣組姿態(tài)測(cè)量模塊、舵機(jī)控制模塊、機(jī)械骨架模塊、上位機(jī)軟件等部分組成，如圖2所示。其中慣組模塊包括三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、三軸磁力計(jì)及三軸姿態(tài)解算算法[5-6];舵機(jī)控制模塊包括俯仰軸、橫滾軸、航向軸3個(gè)舵機(jī)，平臺(tái)穩(wěn)定主控制板及平臺(tái)穩(wěn)定PID閉環(huán)控制算法[7-8]。機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊包括內(nèi)框、中框、外框、底座等。上位機(jī)軟件用于采集存儲(chǔ)慣組數(shù)據(jù)和舵機(jī)位置反饋數(shù)據(jù)。

微小型穩(wěn)定平臺(tái)由陀螺儀、加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)采集三軸角速度信息、三軸加速度信息和三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度信息，通過(guò)慣組模塊中的姿態(tài)解算算法得到俯仰、橫滾、航向等角度數(shù)據(jù)[9-12]。將慣組測(cè)得的姿態(tài)角反饋給穩(wěn)定平臺(tái)控制機(jī)構(gòu)，閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)平臺(tái)內(nèi)框始終保持水平。

2 無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試方法

本文中微小型穩(wěn)定平臺(tái)使用姿態(tài)精度為0.05°的無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)提供傾角信息，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖3所示。本文提供的測(cè)試方法只包括俯仰軸、橫滾軸的測(cè)試方法，不包括航向軸的測(cè)試。將微小型穩(wěn)定平臺(tái)放置于無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)上，由無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)提供高精度傾斜信息[4]。由高精度慣組檢測(cè)無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜的已知角度，反饋給穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定平臺(tái)機(jī)械框架跟隨到無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)的傾斜位置。上位機(jī)軟件時(shí)刻采存穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)碼盤的位置輸出。無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜位置即為高精度參考位置，碼盤輸出位置即為穩(wěn)定平臺(tái)跟隨位置。對(duì)比碼盤輸出位置和無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)位置，即可得出穩(wěn)定平臺(tái)靜態(tài)下指向誤差。

為測(cè)量微小型穩(wěn)定平臺(tái)的角度測(cè)量誤差，需用無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)MEMS慣組單獨(dú)測(cè)量。將MEMS慣性測(cè)量單元置于無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)上，由無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)提供高精度姿態(tài)信息。慣性測(cè)量單元解算姿態(tài)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)軟件進(jìn)行存儲(chǔ)。慣性測(cè)量單元由三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀構(gòu)成。無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)的姿態(tài)精度為0.05°，通過(guò)對(duì)比慣性測(cè)量單元解算姿態(tài)與無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)姿態(tài)，可以獲取慣性測(cè)量單元的姿態(tài)測(cè)量誤差。

角度穩(wěn)定誤差測(cè)試只需采集舵機(jī)碼盤反饋的位置信息，求方差即可得到微小型穩(wěn)定平臺(tái)的角度穩(wěn)定誤差，舵機(jī)碼盤反饋的數(shù)據(jù)信息由上位機(jī)軟件采集存儲(chǔ)。

3 測(cè)試步驟及數(shù)據(jù)分析

3.1 角度測(cè)量誤差測(cè)試及分析

將慣組測(cè)量單元安裝在無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框中，通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)傳輸姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)物圖如圖4所示。慣性測(cè)量單元的俯仰軸和橫滾軸與無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰軸橫滾正交性通過(guò)機(jī)械工裝保證。

慣性測(cè)量單元橫滾軸姿態(tài)測(cè)量范圍為-180°～180°，以15°為步長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)提供姿態(tài)參考信息，通過(guò)上位機(jī)軟件采集10s每個(gè)位置下的慣組姿態(tài)信息。慣性測(cè)量單元俯仰軸姿態(tài)測(cè)量范圍為-90°～90°，以15°為步長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)提供姿態(tài)參考信息，通過(guò)上位機(jī)軟件采集10s每個(gè)位置下的慣組姿態(tài)信息。

圖5為橫滾軸姿態(tài)角-180°～180°之間的測(cè)試數(shù)據(jù)，圖6為俯仰軸-90°～90°之間的測(cè)試數(shù)據(jù)。表1為俯仰軸指向精度測(cè)量數(shù)據(jù)，表2為橫滾軸指向精度測(cè)量數(shù)據(jù)。則本文中搭建的慣組單元橫滾軸姿態(tài)測(cè)量精度為0.6°，俯仰軸姿態(tài)測(cè)量精度為0.47°。因?yàn)榉€(wěn)定平臺(tái)具有自穩(wěn)定功能，所以在姿態(tài)測(cè)量中主要的測(cè)量范圍為-15°～15°，則本慣組的角度測(cè)量誤差在-15°～15°量程下的角度測(cè)量誤差為0.45°。

3.2 指向誤差測(cè)試及分析

將穩(wěn)定平臺(tái)通過(guò)安裝夾具，用螺釘固定在無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框上。穩(wěn)定平臺(tái)俯仰軸、橫滾軸與無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸、橫滾軸的正交性通過(guò)機(jī)械工裝保證。以10°為步長(zhǎng)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)，由于機(jī)械限位，俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-60°～60°，橫滾軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-60°～60°。穩(wěn)定平臺(tái)的電機(jī)碼盤數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳輸3個(gè)電機(jī)的碼盤位置，當(dāng)穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定后通過(guò)上位機(jī)軟件靜止采集數(shù)據(jù)10s。上位機(jī)采存軟件接收到藍(lán)牙傳來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)采存。俯仰軸橫滾軸分別重復(fù)測(cè)試兩次，圖7為穩(wěn)定平臺(tái)俯仰軸電機(jī)跟隨測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)位置的測(cè)試曲線，圖8為穩(wěn)定平臺(tái)橫滾軸電機(jī)跟隨測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)位置的測(cè)試曲線。得到俯仰軸指向誤差和橫滾軸指向誤差如表3和表4所示。由表中數(shù)據(jù)可得，本文搭建的微小型穩(wěn)定平臺(tái)俯仰軸指向誤差為0.73°，橫滾軸指向誤差為0.64°。

3.3 角度穩(wěn)定誤差測(cè)量及分析

角度穩(wěn)定誤差是指穩(wěn)定平臺(tái)跟隨到無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)給定的基準(zhǔn)位置后，穩(wěn)定平臺(tái)在該位置下電機(jī)碼盤反饋數(shù)據(jù)的均方誤差值[6]。因此通過(guò)采集不同位置下的數(shù)據(jù)，利用Matlab計(jì)算得到本文中微小型穩(wěn)定平臺(tái)的角度穩(wěn)定誤差為0.1°。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)穩(wěn)定平臺(tái)測(cè)量方法無(wú)法應(yīng)用于微小型穩(wěn)定平臺(tái)性能指標(biāo)測(cè)量的問(wèn)題，提出了基于無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)量方法。本文主要針對(duì)微小型穩(wěn)定平臺(tái)角度測(cè)量誤差、角度指向誤差、角度穩(wěn)定誤差3個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。采用了無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)作為測(cè)量?jī)x器，提供高精度的角度基準(zhǔn)，對(duì)微小型穩(wěn)定平臺(tái)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)該方法對(duì)微小型穩(wěn)定平臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)量，得到該樣機(jī)角度測(cè)量誤差為0.6°，角度指向誤差為0.73°，角度穩(wěn)定誤差為0.1°。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該測(cè)量方法的可行性，且本方法在工程實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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（編輯：商丹丹）