動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀角位移測(cè)試中的數(shù)據(jù)處理技術(shù)*

羅 云 陳維義 沈 遠(yuǎn)

（海軍工程大學(xué)兵器工程系1） 武漢 430033）（中國人民解放軍第四八零五工廠軍械修理廠2） 上海 200439）

1 引言

炮控系統(tǒng)是影響火炮武器系統(tǒng)精度的重要組成部分［1］，因此在火炮武器系統(tǒng)定型試驗(yàn)和修理后驗(yàn)收試驗(yàn)中，炮控系統(tǒng)性能試驗(yàn)是非常重要的內(nèi)容，其中包括：火炮漂移速度測(cè)試、火炮穩(wěn)定精度測(cè)試、最大調(diào)炮速度測(cè)試、最小瞄準(zhǔn)速度測(cè)試、超回量測(cè)試等［2］。對(duì)這些指標(biāo)的測(cè)試，其核心是對(duì)火炮的角位移測(cè)試［3］。火炮的角位移獲取后，這些參數(shù)就可通過對(duì)其處理、計(jì)算來獲得。目前對(duì)炮控系統(tǒng)的性能參數(shù)測(cè)試的方法還是操作繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的手工靶板測(cè)試方法，自動(dòng)化程度不高，太過于落后，這對(duì)于武器系統(tǒng)的發(fā)展是不利的。文獻(xiàn)［3］介紹了CCD＋坐標(biāo)靶、激光器＋PSD光學(xué)測(cè)量靶、CCD＋點(diǎn)光源、激光（光纖）陀螺、電測(cè)法五種角位移測(cè)試方法并比較了各自的優(yōu)劣，以光纖陀螺作為測(cè)角傳感器為首選方案。本文以此為參考，采用與光纖陀螺相似的動(dòng)力調(diào)諧陀螺為測(cè)角傳感器，研制了一套角位移測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)作了詳細(xì)探討。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，分為下位機(jī)數(shù)據(jù)采集濾波發(fā)送模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)接收處理模塊。其中陀螺儀為西安航天長城的HT-A3高精度動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀；下位機(jī)以ADI公司的ADSPBF532［4］為核心構(gòu)成的嵌入式最小系統(tǒng)，外圍配置信號(hào)調(diào)理電路和A／D采集電路，對(duì)雙軸陀螺儀的角速度信號(hào)實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)理、采集、濾波、信號(hào)處理與發(fā)送；上位機(jī)采用可靠性高的軍用筆記本，主要完成數(shù)據(jù)的接收、角速度的實(shí)時(shí)數(shù)值積分、角速度和角位移的實(shí)時(shí)曲線顯示、數(shù)據(jù)保存、離線數(shù)據(jù)分析等功能。

在角位移測(cè)量的基礎(chǔ)上，就可以完成各種火控性能參數(shù)的計(jì)算與分析。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)得到的各項(xiàng)結(jié)果與炮控系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行對(duì)比，來評(píng)判炮控系統(tǒng)綜合性能是否合格。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 角位移測(cè)量原理及誤差分析

動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀（DTG）是一種雙自由度的非液浮、干式彈性支撐、機(jī)電性的擾性陀螺儀［5～6］，用于敏感慣性空間的角速度。把陀螺儀安裝在火炮身管上就能檢測(cè)出火炮在方位和高低向的運(yùn)動(dòng)，其輸出為電壓信號(hào)，利用比例因子，可以轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角速度。對(duì)角速度進(jìn)行實(shí)時(shí)梯形數(shù)值積分，就可以實(shí)時(shí)輸出火炮在方位和高低向所移動(dòng)的角位移。

圖2 原始的電壓信號(hào)

圖3 原始角速度信號(hào)

4 在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法

處理的方法要根據(jù)具體的應(yīng)用來定。如果只是離線處理，由于樣本數(shù)據(jù)已知，則可以對(duì)樣本數(shù)據(jù)求均值后，利用樣本數(shù)據(jù)減去均值就能消除其角速度的零點(diǎn)偏移對(duì)角位移的影響。如果是在線實(shí)時(shí)處理，則樣本數(shù)據(jù)未知，無法求其均值，因此就不能利用離線處理的方法。下面就在線實(shí)時(shí)處理進(jìn)行討論其相關(guān)方法。

4.1 一次平均法求零點(diǎn)

首先對(duì)先前所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求均值得相應(yīng)的角速度零點(diǎn)，然后后續(xù)的角速度零點(diǎn)減去一次平均法求到的零點(diǎn)，再對(duì)兩者之差進(jìn)行數(shù)值積分。相比直接對(duì)角速度信號(hào)直接數(shù)值積分，該法能大大減小角速度零點(diǎn)在數(shù)值積分時(shí)對(duì)角位移的影響。然而，隨著積分時(shí)間的增加，由于角速度零點(diǎn)之差使積分帶來的角位移仍會(huì)越來越大。圖4的虛線就是采用一次均值求零點(diǎn)的數(shù)值積分所得到的角位移，從圖中可知，當(dāng)時(shí)間為990s時(shí)，一次均值求零點(diǎn)的數(shù)值積分所得到的角位移漂移為了－5.5539°，如果積分時(shí)間更長，則角位移的漂移也會(huì)更大，其精度不能滿足本系統(tǒng)的需求，必須尋找其它的數(shù)據(jù)處理方法。

4.2 零點(diǎn)漸變算法［9～10］

圖4 陀螺儀靜止時(shí)零點(diǎn)積分漂移曲線1

圖5 零點(diǎn)漸變算法的流程框圖

該算法的基本思想是：用多次平均法代替一次平均法求零點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)的流程框圖如圖5所示。首先在陀螺靜止時(shí)連續(xù)采集8個(gè)樣本值作為初始基準(zhǔn)零點(diǎn)，然后再次采集角速度值，并與初始基準(zhǔn)零點(diǎn)進(jìn)行比較，如果差值小于某個(gè)閾值，則說明陀螺仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)采用新的零點(diǎn)樣本，否則仍采用舊零點(diǎn)樣本，在此基礎(chǔ)上計(jì)算新的基準(zhǔn)零點(diǎn)，并取代初始基準(zhǔn)零點(diǎn)。本系統(tǒng)設(shè)定閾值為0.0133°／s。對(duì)該算法進(jìn)行仿真，并與一次均值求零點(diǎn)進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖6所示，實(shí)線為一次均值求零點(diǎn)的數(shù)值積分所得到的角位移，而虛線為零點(diǎn)漸變算法的數(shù)值積分所到的角位移。從圖中可知，當(dāng)積分時(shí)間為990s時(shí)，前者的漂移為－5.5539°，后者的漂移為0.0061°。從零點(diǎn)漸變算法的數(shù)值積分漂移曲線放大圖可以看出其變化趨勢(shì)為：隨著時(shí)間的增加，其漂移的絕對(duì)值會(huì)逐漸增大。因此，雖然后者的值較小，在短時(shí)間內(nèi)滿足系統(tǒng)要求，但其變化趨勢(shì)不能忽視，因此提出了改進(jìn)零點(diǎn)漸變算法。

4.3 改進(jìn)零點(diǎn)漸變算法

改進(jìn)零點(diǎn)漸變算法的目的是使零點(diǎn)積分漂移絕對(duì)值不隨著時(shí)間的增加而增加，而是在零附近來回波動(dòng)。基于該目的，給出了實(shí)現(xiàn)的基本方法：對(duì)角速度零點(diǎn)進(jìn)行判斷是否在上文提到的閾值內(nèi)，如果是則認(rèn)為陀螺靜止，否則認(rèn)為陀螺在運(yùn)動(dòng)。陀螺靜止時(shí)使角速度零點(diǎn)樣本交替改變符號(hào)來避免角速度恒為正或負(fù)，從而使零點(diǎn)積分漂移不會(huì)隨著時(shí)間而單向增大。對(duì)該算法進(jìn)行仿真，并與零點(diǎn)漸變算法進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖7所示，實(shí)線為零點(diǎn)漸變算法的數(shù)值積分所到的角位移，虛線為改進(jìn)零點(diǎn)漸變算法的數(shù)值積分所得到的角位移。從圖中可知，隨著積分時(shí)間增加，后者不會(huì)單向增加，而是在零附近波動(dòng)，從而使得精度大大提高。當(dāng)積分時(shí)間為990s時(shí)，前者的漂移為0.0061°，后者的漂移為0.0004°。

圖6 陀螺儀靜止時(shí)零點(diǎn)積分漂移曲線2

圖7 陀螺儀靜止時(shí)零點(diǎn)積分漂移曲線3

圖8 陀螺儀靜止時(shí)零點(diǎn)積分漂移曲線4

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)是指陀螺靜止時(shí)測(cè)試角位移測(cè)試系統(tǒng)的輸出，其測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，角位移漂移在零附近波動(dòng)，在3991s時(shí)，實(shí)際的角位移漂移為0.0004°。可以看出，陀螺長時(shí)間內(nèi)靜止時(shí)角位移漂移也非常小，完全滿足系統(tǒng)的精度要求。

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)是指陀螺儀運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)試角位移測(cè)試系統(tǒng)的輸出。將陀螺儀固定在高精度雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)2ST-520上，使轉(zhuǎn)臺(tái)在高低和方位運(yùn)動(dòng)，同時(shí)記錄角位移測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)的角位移和轉(zhuǎn)臺(tái)所測(cè)試的相對(duì)角位移。兩者對(duì)比就可以得出角位移測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)角精度。表1給出了在方位向角位移測(cè)試系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果，由表中的數(shù)據(jù)可以得出，系統(tǒng)的測(cè)量精度在0.48%以內(nèi)。考慮本系統(tǒng)主要是用于小角度測(cè)量，故精度完全滿足要求。

表1 角位移測(cè)試系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)語

在炮控系統(tǒng)性能參數(shù)測(cè)試中，對(duì)角位移的測(cè)試是關(guān)鍵，本文首先分析了基于動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀的角位移測(cè)量原理，針對(duì)陀螺靜止時(shí)角速度零點(diǎn)積分漂移大的問題，提出了改進(jìn)零點(diǎn)漸變算法，使系統(tǒng)的精度得以提高。該測(cè)試系統(tǒng)具有通用性好、使用簡單、測(cè)角精度高等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以用于坦克炮控系統(tǒng)性能參數(shù)測(cè)試，而且還可以用于艦載炮控系統(tǒng)的測(cè)試，因而具有比較好的推廣應(yīng)用前景。

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