基于無磁轉臺的微小型穩定平臺性能指標測試方法

冷賀彬 朱平

摘要：傳統的棱鏡光學測量方法大多針對大型轉臺和云臺，微小型穩定平臺體積小無法安裝光學棱鏡，且光學測量成本高，為解決傳統測量方法無法應用于微小型穩定平臺測試中的問題，提出采用無磁轉臺測量方法。該文利用0.05°高精度無磁轉臺提供不同傾角姿態參考，采集慣組姿態數據和穩定平臺控制碼盤數據，分析得到穩定平臺角度測量精度、角度指向精度和角度穩定精度。為驗證該方法的可行性，搭建微小型穩定平臺樣機和上位機數據采存軟件。測得自制穩定平臺姿態測量誤差0.6°，角度指向誤差0.73°，角度穩定誤差0.1°。該測量方法對微小型穩定平臺的性能指標測量方面具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：微小型穩定平臺;慣性姿態測量;指向精度;無磁轉臺

中圖分類號：U666.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0042-04

收稿日期：2018-10-22;收到修改稿日期：2018-11-19

作者簡介：冷賀彬（1993-），男，安徽阜陽市人，碩士研究生，專業方向為MEMS慣性姿態測量。

0 引言

隨著慣性技術的飛速發展，微小型穩定平臺在軍用和民用方面得到了廣泛應用，如無人機光電吊艙、炮彈導引頭、攝影穩像、無人車穩瞄等。但針對微小型穩定平臺性能指標的快速測試校準一直是亟待解決的難題[t]。

微小型穩定平臺性能指標包括角度測量誤差、角度指向誤差和角度穩定誤差，其中角度測量誤差一般采用高精度轉臺測量，角度指向誤差采用光學棱鏡測量[2]，角度穩定誤差是指向精度的均方誤差。關于穩定平臺慣性測量誤差的標定測試國內外研究較多，如文獻[3]提出了基于橢球擬合的MEMS慣組測試標定方法，文獻[4]中提出關于十二位置測試標定方法。而關于穩定平臺指向誤差和穩定誤差的測量方法報道較少。

在傳統的轉臺校準標定指向誤差中，一般采用光學棱鏡的測試方法，及在轉臺旋轉軸上安裝光學棱鏡，但傳統的棱鏡光學測量方法，由于體積限制無法應用于小型穩定平臺設備中，而且光學測量方法成本較高。本文中利用無磁轉臺測試方法，能夠解決穩定平臺指向誤差和穩定誤差測量難度大的問題。并且本文提出的測試方法能夠通過一臺設備實現角度測量誤差、指向誤差、平臺穩定誤差的全部測量。

為驗證本文方法的可行性，搭建微小型穩定平臺原理樣機，利用無磁轉臺為穩定平臺提供不同傾斜角度，測量穩定平臺不同傾斜角度下的角度指向誤差，通過采集穩定平臺電機碼盤數據，可以分析穩定平臺的穩定誤差。利用無磁轉臺不僅可有效提高姿態測量精度，還可以考核穩定平臺的慣性姿態誤差。

1 微小型穩定平臺系統

為研究不同傾角下的穩定平臺性能指標，本文針對圖1所示的微小型穩定平臺樣機進行測量。

本文自制的微小型穩定平臺主要由慣組姿態測量模塊、舵機控制模塊、機械骨架模塊、上位機軟件等部分組成，如圖2所示。其中慣組模塊包括三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁力計及三軸姿態解算算法[5-6];舵機控制模塊包括俯仰軸、橫滾軸、航向軸3個舵機，平臺穩定主控制板及平臺穩定PID閉環控制算法[7-8]。機械結構模塊包括內框、中框、外框、底座等。上位機軟件用于采集存儲慣組數據和舵機位置反饋數據。

微小型穩定平臺由陀螺儀、加速度計和磁強計采集三軸角速度信息、三軸加速度信息和三軸磁場強度信息，通過慣組模塊中的姿態解算算法得到俯仰、橫滾、航向等角度數據[9-12]。將慣組測得的姿態角反饋給穩定平臺控制機構，閉環反饋調節平臺內框始終保持水平。

2 無磁轉臺測試方法

本文中微小型穩定平臺使用姿態精度為0.05°的無磁轉臺提供傾角信息，測試系統框圖如圖3所示。本文提供的測試方法只包括俯仰軸、橫滾軸的測試方法，不包括航向軸的測試。將微小型穩定平臺放置于無磁轉臺上，由無磁轉臺提供高精度傾斜信息[4]。由高精度慣組檢測無磁轉臺傾斜的已知角度，反饋給穩定平臺電機，驅動穩定平臺機械框架跟隨到無磁轉臺的傾斜位置。上位機軟件時刻采存穩定平臺電機碼盤的位置輸出。無磁轉臺傾斜位置即為高精度參考位置，碼盤輸出位置即為穩定平臺跟隨位置。對比碼盤輸出位置和無磁轉臺位置，即可得出穩定平臺靜態下指向誤差。

為測量微小型穩定平臺的角度測量誤差，需用無磁轉臺對MEMS慣組單獨測量。將MEMS慣性測量單元置于無磁轉臺上，由無磁轉臺提供高精度姿態信息。慣性測量單元解算姿態通過數據采集卡和上位機軟件進行存儲。慣性測量單元由三軸加速度計和三軸陀螺儀構成。無磁轉臺的姿態精度為0.05°，通過對比慣性測量單元解算姿態與無磁轉臺姿態，可以獲取慣性測量單元的姿態測量誤差。

角度穩定誤差測試只需采集舵機碼盤反饋的位置信息，求方差即可得到微小型穩定平臺的角度穩定誤差，舵機碼盤反饋的數據信息由上位機軟件采集存儲。

3 測試步驟及數據分析

3.1 角度測量誤差測試及分析

將慣組測量單元安裝在無磁轉臺內框中，通過藍牙模塊實時傳輸姿態數據，實驗測試實物圖如圖4所示。慣性測量單元的俯仰軸和橫滾軸與無磁轉臺的俯仰軸橫滾正交性通過機械工裝保證。

慣性測量單元橫滾軸姿態測量范圍為-180°～180°，以15°為步長轉動無磁轉臺提供姿態參考信息，通過上位機軟件采集10s每個位置下的慣組姿態信息。慣性測量單元俯仰軸姿態測量范圍為-90°～90°，以15°為步長轉動無磁轉臺提供姿態參考信息，通過上位機軟件采集10s每個位置下的慣組姿態信息。

圖5為橫滾軸姿態角-180°～180°之間的測試數據，圖6為俯仰軸-90°～90°之間的測試數據。表1為俯仰軸指向精度測量數據，表2為橫滾軸指向精度測量數據。則本文中搭建的慣組單元橫滾軸姿態測量精度為0.6°，俯仰軸姿態測量精度為0.47°。因為穩定平臺具有自穩定功能，所以在姿態測量中主要的測量范圍為-15°～15°，則本慣組的角度測量誤差在-15°～15°量程下的角度測量誤差為0.45°。

3.2 指向誤差測試及分析

將穩定平臺通過安裝夾具，用螺釘固定在無磁轉臺內框上。穩定平臺俯仰軸、橫滾軸與無磁轉臺俯仰軸、橫滾軸的正交性通過機械工裝保證。以10°為步長手動轉動無磁轉臺，由于機械限位，俯仰軸的轉動范圍為-60°～60°，橫滾軸的轉動范圍為-60°～60°。穩定平臺的電機碼盤數據通過藍牙實時傳輸3個電機的碼盤位置，當穩定平臺穩定后通過上位機軟件靜止采集數據10s。上位機采存軟件接收到藍牙傳來的數據，進行實時采存。俯仰軸橫滾軸分別重復測試兩次，圖7為穩定平臺俯仰軸電機跟隨測試轉臺位置的測試曲線，圖8為穩定平臺橫滾軸電機跟隨測試轉臺位置的測試曲線。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。由表中數據可得，本文搭建的微小型穩定平臺俯仰軸指向誤差為0.73°，橫滾軸指向誤差為0.64°。

3.3 角度穩定誤差測量及分析

角度穩定誤差是指穩定平臺跟隨到無磁轉臺給定的基準位置后，穩定平臺在該位置下電機碼盤反饋數據的均方誤差值[6]。因此通過采集不同位置下的數據，利用Matlab計算得到本文中微小型穩定平臺的角度穩定誤差為0.1°。

4 結束語

本文針對傳統的光學穩定平臺測量方法無法應用于微小型穩定平臺性能指標測量的問題，提出了基于無磁轉臺的測量方法。本文主要針對微小型穩定平臺角度測量誤差、角度指向誤差、角度穩定誤差3個性能指標進行測量。采用了無磁轉臺作為測量儀器，提供高精度的角度基準，對微小型穩定平臺性能指標進行測量。通過該方法對微小型穩定平臺樣機進行測量，得到該樣機角度測量誤差為0.6°，角度指向誤差為0.73°，角度穩定誤差為0.1°。通過本實驗驗證了該測量方法的可行性，且本方法在工程實踐中具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]許江寧，朱濤，卞鴻巍.航空攝影陀螺穩定平臺[J].儀器儀表學報，2007（5）：551-557.

[2]慣性技術測試設備主要性能測試方法：GJB 1801-1993[S].1993.

[3]NIU X J，LI Y，ZHANG H P，et al.Fast thermal calibration oflow-grade inertial sensors and inertial measurement units[J].Sensors，2013，13（9）：12192-12217.

[4]趙代弟.MARG姿態測量系統抗干擾算法研究[D].太原：中北大學，2015.

[5]施崢嶸.車載設備視軸穩定與跟蹤技術研究[D].南京：東南大學，2006.

[6]趙靈.基于MEMS陀螺儀的穩定平臺關鍵技術研究[D].南京：南京理工大學，2012.

[7]HIKERT J M.Inertially stabilized platform technologyconcepts and principles[J].Control Systems，IEEE，2008，28（1）：26-46.

[8]MASTEN M K.]nertially stabilized platforms for opticalimaging systems[J].Control Systems，IEEE，2008，28（1）：47-64.

[9]李錫廣.基于MEMS慣性器件的兩軸穩定平臺研究[D].太原：中北大學，2014.

[10]田曉春，李杰，范玉寶，等.基于FPGA的MEMS陀螺儀SAR150實時數據采集系統設計[J].計算機測量與控制，2012，20（11）：3107-3112.

[11]陳國華，王剛.基于ADIS16255 MEMS芯片陀螺儀的應用研究[J].中國慣性技術學報，2008，16（4）：480-483.

[12]高云紅，姜森，趙丁，等.基于虛擬儀器的MEMS陀螺儀靜態性能測試系統設計[J].自動化應用，2013（11）：14-16.

（編輯：商丹丹）