基于VC的轉臺性能指標自動測試系統

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(1.中國科學院航空光學成像與測量重點實驗室，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.中國科學院大學，北京 100049)

基于VC的轉臺性能指標自動測試系統

黃厚田1.2，王德江1

(1.中國科學院航空光學成像與測量重點實驗室，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.中國科學院大學，北京 100049)

轉臺是慣性導航設備研制和調試過程中的關鍵設備。隨著現代航空、航天技術對慣性導航設備的性能指標要求越來越高，轉臺的調試難度也越來越大，調試周期也越來越長。傳統的轉臺性能指標測試方法，雖然通過先進測試儀器保證了轉臺性能指標的測試精度，但是由于主要是靠人工操作，測試過程效率低，且出錯幾率高。針對這一問題，在VC編程環境下，通過串口通信和以太網口通信控制轉臺和測試儀器，實現了轉臺運動的自動控制，轉臺運動參數的自動采集以及數據的自動分析處理和自動存儲，實現了針對轉臺速率性能指標、位置性能指標和動態響應性能的自動測試，并提供了友好的人機交互界面。測試系統提高了轉臺性能指標的測試效率和準確性，應用于618所研制的某型轉臺出所驗收工作，驗證了測試系統的有效性。

轉臺;VC;串口通信;以太網口通信;性能測試

0 引言

高精度、高動態性能轉臺是測試慣性導航系統過程中必備的關鍵設備[1-3]。隨著現代航天、航空技術的發展，對慣性導航系統的性能指標要求越來越高，進而對轉臺的性能指標要求也越來越高[4]。高性能指標要求大大增加了轉臺的調試難度，同時也不可避免的延長了轉臺的調試周期。

在轉臺的調試過程中，轉臺的性能指標要進行反復測試，轉臺的性能指標包括多項內容，其中最主要的性能指標為轉臺的穩速精度、靜態定位精度和動態響應能力[5]。在轉臺研制和調試過程中這幾個指標都需要進行反復的測試，如果采用半自動的性能指標測試方法，會極大地占用調試時間和調試人員精力。

針對現有對轉臺性能指標的動態測試需求，在VC開發環境下，設計并實現了轉臺性能指標自動測試系統。

1 轉臺性能指標自動測試系統組成

轉臺性能指標自動測試系統主要由2部分組成，即測試儀器(包括頻率計數器和光電自準直儀)和主控計算機。被測試對象為測試和仿真轉臺。

轉臺性能指標自動測試系統的組成及通信接口如圖1所示。

圖1 轉臺性能指標自動測試系統的組成及通信接口

圖1中，主控計算機是轉臺性能指標自動測試系統的核心，通過RS232接口和以太網口，跟轉臺以及各個測試設備進行通信，控制轉臺和測試設備完成轉臺性能指標的自動測試流程，并對測試數據進行計算和處理。主控計算機需要具備RS232通信接口，以太網口接口，以及支持VC編程環境和RTX(Real Time eXchange)實時通信系統的操作系統。

自動測試系統選用的頻率計數器是Agilent公司的53132A頻率計數器，該計數器的時間間隔分辨率為150ps，支持RS232通信接口。

選用的光電自準直儀是德國Moller-Wedel Optical GmbH公司的ELCOMAT 3000雙軸光電自準直儀，該自準直儀的顯示分辨率為0.005″，重復性為0.05″。

需要說明的是，光電自準直儀工作時根據安裝接口和使用要求，需要在轉臺臺體上安裝標準的23面或24面棱體。頻率計數器、光電自準直儀以及標準23面棱體均定期由省級計量單位進行標定。

2 轉臺性能指標測試設計及實現

2.1 轉臺性能指標測試方法及流程2.1.1 轉臺性能速率性能指標測試方法及流程

轉臺速率性能指標測試依據國軍標要求采用的是定角測時法，即轉臺每轉過固定角度發出1個電脈沖信號，通過使用頻率計數器精確測量這個時間間隔來計算轉臺的轉動速率。

速率測試流程為：

a.初始化設備和調用用戶界面設定測試參數，包括設定要測試轉臺的自由度，要測試內、中、外的哪一環，測試哪個速度下的分辨力。

b.按照設計好的測試速率順序，給轉臺發送指令使轉臺按照要測試速率運動。

c.通過串口從頻率計數器處讀回數據。

d.當讀到足夠的數據后，按照國軍標算法開始計算這個速率下的速率精度和速率平穩性。計算完成后判斷是否已完成所有要測速度的測試，沒有完成回到b繼續測試下一個速度。

e.將測試結果保存，生成文件以備檢查報表使用。

2.1.2 轉臺性能位置性能指標測試方法及流程

轉臺位置性能指標測試依據國軍標要求，使用光電自準直儀來測試轉臺轉動角度和指令角度之間的偏差，以確定轉動的定位精度和定位重復性。

位置測試流程為：

a.初始化設備和調用用戶界面設定測試參數，包括設定要測試轉臺的自由度，要測試轉臺的哪個軸，轉臺是否能連續旋轉，使用光電自準直儀的哪個測量軸。

b.按照用戶設定參數規劃測試流程和測試范圍。

c.按照測試流程給轉臺發送位置信號。

d.從測試儀器讀回測試數據，并輸出到用戶界面。

e.判斷是否已經讀取到所有的數據，若沒有重新執行b。

f.讀取到所有數據后，進行計算，計算定位精度和重復性。

g.將計算結果輸出到用戶界面，并將測試數據和計算結果保存到文件。

2.1.3 轉臺動態響應能力測試方法及流程

頻率特性測試不使用測試儀器，測試依據的是轉臺對信號響應后的位置，利用FFT算法進行頻率特性分析，通信接口為以太網口，需要使用RTX實時子系統實時通信。頻響測試的基本原理是給轉臺位置指令，轉臺根據這個指令運動，然后反饋回來轉臺的位置信息，一般采樣時間在0.5～1ms左右，要求有很高的實時性。串口通信方式無法滿足這個實時性要求，以太網接口滿足實時性要求，但是Windows自身的實時性不足，需要RTX實時子系統的支持。基于事件響應的Windows進程和RXT實時子系統，通過在操作系統中開辟共享內存進行數據交互。

頻率特性測試流程為：

a.設定用戶參數，包括測試范圍，頻率步進值，正弦信號幅值。

b.開辟共享內存。

c.指令生成模塊生成自動測試的指令集并保存到共享內存。

d.開啟RTX線程。

e.RTX線程從共享內存中讀取指令，通過UDP發送給轉臺。

f.讀取轉臺發回來的位置數據，并保存到共享內存的數組中。

g.等待線程結束關閉RTX線程。

h.主程序從共享內存中讀取測試數據，通過和指令進行比，同時對FFT分析。

i.將分析的結果輸出到用戶界面，并保存到文件。

2.2 轉臺性能指標測試系統的軟件設計及實現2.2.1 轉臺性能指標測試系統的模塊化設計

按照模塊化設計思想，轉臺性能指標自動測試系統可以分為5個模塊：通信模塊、參數設置模塊、指令生成模塊、數據處理模塊和輸出模塊。這5個模塊按照具體的應用可以繼續向下細分，即

a.通信模塊包括與頻率計數器的串口通信模塊，與光電自準直儀的串口通信模塊，與轉臺的串口通信，與轉臺的網口通信。

b.參數設置模塊包括提示測試參數設定，轉臺參數設定。

c.指令生成模塊包括生成對轉臺的控制指令和對光電自準直儀的控制指令。

卡類型的編碼，0：社保卡；1：醫保卡；2：全市統一自費就診卡；3：醫院自費卡；4：區內統一自費就診卡；5：新農合卡；6：居民健康卡；9：其他卡。對于市管干部、在編軍人，這里的卡號、卡類型請填寫“TS”

d.數據處理模塊包括判斷數據是否滿足要求，包括對整理好的數據進行分析計算，其中又包括計算速率精度、速率平穩性、速率分辨力、位置精度和位置平穩性，計算轉臺動態響應的幅值比和相位滯后。

e.輸出模塊主要是把測試數據和計算結果顯示到用戶界面，并在測試結束后保存到文件。

2.2.2 轉臺性能指標測試系統的人機界面

轉臺性能指標自動測試系統的人機主界面如圖2所示。由于界面空間問題和實際工作需要，轉臺的動態性能測試界面做了單獨的界面，如圖3所示。

為了能夠使能測試系統適應不同的轉臺，需要先設定要測試轉臺的參數，轉臺參數設置的界面具體如圖2所示。分為不同的功能區域，左側主要為參數設置區域，右側主要為結果顯示區域。

圖2 轉臺性能指標自動測試系統界面

圖3 轉臺動態性能指標測試界面

為了能夠使能測試系統適應不同的轉臺，需要先設定要測試轉臺的參數，轉臺參數設置的界面具體如圖4所示。設置的主要參數為轉臺的軸數，要測試的性能，目前要測試的是轉臺的哪一環，轉臺能否連續360°旋轉，如果轉臺不能360°旋轉需要設置轉臺的限位幅度為多大。

轉臺的位置測試參數設置如圖5所示。

圖4 轉臺參數設置區域

圖5 位置測試參數設置區域

主要是設置安裝在轉臺的棱體類別，棱體序號，以及使用的是光電自準直儀的哪個軸向。需要說明的是，由于加工精度問題，23面或24面棱體的每個面之間的夾角并不完全相同，在經過標定之后，可以確定不同序號棱體的每個面的偏差，在棱體安裝過程中也要注意初始零度對應初始的基準面，這樣才能保證轉臺位置性能指標的測試精度。

轉臺的速率測試參數設置如圖6所示。速率測試參數設置主要設置的是需要測試的速度和分辨力增量，這些設置的依據主要是根據用戶需要和轉臺設計性能指標。

圖6 速度參數設置區域

轉臺動態性能指標測試界面如圖7所示。需要說明的是，為了避免轉臺受到過大的沖擊，實際給定轉臺的控制指令不是標準的正弦信號，二是斜坡正弦信號，斜坡正弦信號在初始階段是振蕩幅值隨時間增大的正弦信號，在信號結束階段是振蕩幅值隨時間減小的正弦信號，可以有效地減小頻率測試過程對轉臺臺體的沖擊。

圖7 轉臺動態性能指標測試界面

2.2.3 測試數據處理

速率測試數據處理算法如下所述。

a.轉臺工作于速率工作狀態，使其按給定的速率指令穩定運轉，根據要測試的角速度ω選擇定角間隔Δθ，將轉臺定角信號接入數字頻率計，待轉臺以規定的角速度穩定運行后，用數字頻率計連續測量10次，得到T1，…，T10。當ω≤0.005 (°)/s時，連續測量3次，得出T1，T2，T3，以減小測試所需時間，這是符合國軍標要求的。

b.數據處理及結果評定。

速度精度為：

(1)

速率平穩性為：

(2)

N為按給定速率選定的測量次數。

速率分辨力為：

Rω=|ω′-ω|

(3)

當Rω大于理論規定速率增量的50%時，即為該速率擋的速率分辨力。

c.位置測試算法。

試驗前將多面棱體安裝在轉臺被測軸的旋轉中心，將光電自準直儀安裝在被測軸靜止部分或隔振良好的隔振基礎上，使光管光軸垂直于棱體面。啟動轉臺使其工作于角位置控制狀態下，并且工作正常、穩定。

假設試驗采用23面棱體。從被測軸任意角位置θ1開始，使棱體I面對準光管，記下讀數a1i，依次給位置指令Ai(i=1，2，…，23)，使被測軸轉過棱體規定角度值，記下光管相應讀數a1，i。再從θ1開始，反向轉動被測軸，重復上述實驗，記下光管相應讀數a2，i。

e1，i=a1，i+1-a1，i

(4)

e2，i=a2，i+1-a2，i

(5)

e1，i為被測軸正轉時，相鄰測試點實測值之差；e2，i為被測軸反轉時，相鄰測試點實測值之差。

位置重復性為:

(6)

N為角位置測量點數。

位置測量精度為：

(7)

測試采用頻率響應法，因此，在動態指標調試時，輸入輸出均為正弦信號。計算機需要對輸入輸出數據進行FFT分析，才能得到輸入輸出的幅值和相角，所用到的快速FFT算法為較為常見的普通算法，在這里就不給出推導過程了。

需要注意的是，FFT分析的數據是保存在共享內存中的，進行FFT分析前，要找到這部分數據，并把它們按照測試的頻率進行分組，和原指令一起進行FFT分析，這個操作需要在下一組指令發送之前完成，避免新指令覆蓋共享內存中的內容。

指令數據保存在共享內存的fCmd數組中，位置相應保存在fPos數組中，每個測試頻率保存的數據個數為在該頻率測試的時間乘以采樣時間的倒數，在分別取出每個測試頻率的數據后還要把幅值漸變的正弦信號去掉。

取完數據，計算對應的指令數據的幅值和相移與位置響應的幅值和相移。然后計算指令和位置的幅值比和相移差，就得到最終結果。

3 結束語

為了解決轉臺調試過程中，性能測試需要反復進行，測試耗時耗力且人為讀數易出錯的問題，基于VC開發環境開發了轉臺性能指標自動測試系統，可以實現對轉臺速率性能指標、位置性能指標和動態響應能力的自動測試，提高了測試效率和測試的正確性。測試系統實現了從控制轉臺，到控制測試設備，到數據的自動分析計算存儲的完整測試流程，已經成功應用于為618所研制的某型轉臺的出所測試過程，極大地提升了工作效率，縮短了調試時間。后續還希望可以將轉臺性能指標自動測試系統和轉臺控制軟件相結合，減少通信接口，進一步提高工作效率。

[1] 徐 莉.三軸慣導元件測試轉臺的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[2] 張錦江，王常虹，陳興林，等.三軸仿真轉臺的總體設計與關鍵技術研究[J]. 系統仿真學報，1999,11(6)：446-449.

[3] Wit C C，Olsson H，Astrom K J，et al. A new model for control of systems with friction[J]. IEEE Transactions on Automatic Control，1995，40(3): 419-425.

[4] 趙 軍.轉臺頻域性能測試軟件開發及控制技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[5] 孫 偉，車莉娜，徐愛功.三軸慣性仿真轉臺的動態性能測試方法[J].壓電與聲光，2013，35(4)：519-523.

Auto Testing System of the Performance Data of Turntable Based on VC

HUANGHoutian1，2，WANGDejiang1

(1.Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033China;2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Turntable plays a pivot role in the inertial navigation equipment manufacture and debugging. As the modern aviation and aerospace engineering set up higher performance requirement for inertial navigation equipment，the turntable debugging becomes more difficult，and needs more time. Although the traditional testing method ensures the veracity of the test procedure of turntable by using the modern testing instrument，but because of that the testing procedure is mainly finished by manual operation，the testing procedure is inefficiency and fallibility. To solve this problem，based on the VC software，by serial port and Ethernet port controlling the turntable and testing instrument，the auto controlling of the turntable is achieved，the test of speed，position and frequency characteristics of turntables is achieved，and the friendly human-computer interface is provided. The efficiency and veracity of turntable testing is improved by the testing system，and the validity of the testing system is checked by the real testing procedure of some kind of turntable designed for the 618 research institute.

turntable; VC; serial port；ethernet port；performance test

2014-04-23

國家自然科學基金資助項目(61308099)

TP311.52

A

1001-2257(2014)09-0066-05

黃厚田(1986-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究實習員，研究方向為伺服控制。