基于陀螺儀技術的轉動參數測量系統

郭鵬飛 郭璞 張維 王立勇

概述

伺服系統是姿態控制系統的核心執行部件，伺服系統執行機構的偏轉方向和角度的正確性是影響產品試驗成敗的重要指標。本成果以實現極性測試自動化開發研究，極性測試過程中，判別人員只能目測觀察伺服系統執行機構在其安裝平面上的轉動情況，存在以下不足：（1）人員目視觀察轉動變化量困難。舵軸體積小，轉動速度慢，轉動幅度小，周圍無明顯參考物，目視獲取舵軸轉動變化量較困難。

伺服系統執行機構位置分散，在不同參考面上，對判別人員能力要求高。伺服系統執行機構安裝方式為不規則安裝。極性測試過程中，多個同服系統執行機構以不同方向同時轉動，判別人員需要對不同參考平面內多個同服系統執行機構的轉動情況關聯判定，對判別人員的三維坐標轉換能力等要求較高，容易發生判定不清的情況，直接影響產品測試正確性，甚至影響了產品試驗的可靠性。

二、測試儀方案設計

極性自動判別系統由數據采集處理系統、中心控制穩定系統和角度信息采集系統三部分組成，主要實現舵偏數據的采集、數據轉換處理和自動判定等功能。

2.1陀螺儀的選用

陀螺儀是用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對于慣性空間繞正交于自轉軸的一個或兩個軸的角度檢測裝置。本成果選用敏感精度和靈敏度較高的工業成熟技術陀螺儀，功能指標遠大于被測何服系統執行機構轉動的角度、速率以及精度的要求。

2.2數據采集通道設置

四個伺服系統執行機構上均安裝同型號陀螺儀，測試時，四個陀螺儀同時進行采集，并將采集結果傳輸到中心控制系統，完成數據處理，在顯示終端實時進行曲線數據顯示，保證了極性判讀的完整和準確。

2.3標準曲線模型設計

極性自動判別系統，為了提高實用性和記錄數據的可對比性，通過軟件對陀螺儀進行了深度開發。為了突破陀螺儀安裝要求的局限，根據陀螺儀工作原理和實際安裝位置，通過安裝姿態與運動極限姿態角度偏差的計算，X、Y、Z軸采集數據通過歐拉角公式運算轉換成四元數輸出轉換，將計算得到的偏差范圍.通過軟件設置，進行相應的參數補償，建立虛擬轉動模型，滿足陀螺儀現場使用需求，測試過程中，在采集Z軸角度輸出變化量的同時，避免了X軸和Y軸產生的鉸鏈反應，從而得到了實際的伺服系統執行機構軌跡曲線。中心控制器通過角度傳感平衡穩定器對陀螺儀進行實時調節，保證了輸出數據形成的曲線連續、穩定、歐拉角與四元數理論轉化公式：

x=sin（y/2）sin（z/2）cos（x/2）+cos（y/2）cos（z/2）sin（x/2）

x=sin（y/2）cos（z/2）cos（x/2）+cos（y/2）sin（z/2）sin（x/2）

x=sin（z/2）cos（y/2）cos（x/2）+cos（z/2）sin（y/2）sin（x/2）

x=cos（z/2）cos（y/2）cos（x/2）+sin（z/2）sin（y/2）sin（x/2）

q=（（x，y，z.）w，）

通過數學計算軟件“MATLOB”進行歐拉角與四元數的轉換。

通過極性自動判別系統現場調試和數據分析，原始設計曲線（見圖2）完全吻合，可作為標準曲線數據自動判讀依據。

極性自動判別系統采用類似“人臉識別”原理，將采集的曲線與轉動模型標準曲線進行對比（見圖4），實現伺服系統執行機構極性的自動判定。

2.4測試數據存儲與處理

極性自動判別系統實時顯示采集數據曲線，并存儲于系統中，可以分別進行四個通道數據回放，亦可通過存儲介質將測試數據導出，作為原始數據另外進行備份保存和進一步分析，實現了舵偏數據的實時性和可追溯性。

2.5可靠性

極性自動判別系統所用元器件均采用工業用成熟產品，核心元素主要有陀螺儀和軟件，陀螺儀為工業成熟產品、生產標準和試驗檢測標準均符合GB/ T191SJ20873 -2016的要求，可靠性較高。測試軟件采用“模塊化、組合化”思路，各通道、功能之間獨立運行，避免相互干擾，提升了測試系統的可靠性。設計時貫徹以下準則：

a）采用簡化設計，減少元器件數量，使發生失效的可能性最小;

b）采用優化設計、降額設計、密封設計等設計技術：

c）采用通用化、模塊化、系列化的設計思想;

d）充分維承其它型號、工業產品的成熟技術和工藝，e）開展與人的因素有關的設計。

三、存在的技術難點或關鍵技術

3.1突破安裝位置局限性

陀螺儀本身屬性為慣性器件，對使用工況要求較高，如果安裝超過允許范圍.測試時產生的數據會發生耦合現象，影響測試信息的有效性。為了突破陀螺儀安裝要求的局限，通過軟件設計，根據陀螺儀工作原理和實際安裝位置，建立虛擬轉動模型，通過安裝姿態與運動極限姿態角度偏差的計算，x、r、2軸采集數據的轉換，測試過程中，在采集z軸角度輸出變化量的同時，避免了x軸和Y軸產生的鉸鏈反應，從而得到了真實的問服系統執行機構轉動軌跡曲線。

3.2測試數據自動比對程序

通過分析測試數據，得出因產品個性差異產生的最大誤差值、設置為比對判據范圍，使標準曲線變成一條“帶狀”判據曲線，即測試曲線不超出“帶狀”曲線范圍?？膳卸闃O性測試合格，從而實現間服系統執行機構極性的自動判定。

3.3曲線“啟動閾值”設置

為了實現標準曲線具有通用性，通過軟件設計“啟動閾值”功能，即使操作人員在面板點擊“啟動記錄”，只要極性測試設備未發“系統極性”啟動指令，測試儀面板就不會有曲線輸出。只有當“系統極性”啟動指令發出后，伺服系統執行機構達到“啟動閾值”才會輸出伺服系統執行機構實時曲線?！皢娱撝怠钡脑O置實現了測試曲線與標準曲線的可對比性。

四、工藝措施及實施效果

根據何服系統執行機構的機械機構和電氣性能，利用步進電機、電機控制器、工藝間服系統執行機構模擬件等形成模擬環境，對極性自動判別系統進行功能性試驗，共進行近30天的模擬實驗，并根據試驗過程和結果，對極性自動判別系統進行了調整和優化。

在某產品測試期間，利用極性自動判別系統對多發產品的伺服系統執行機構動作進行了判定，判定結果與人工觀察結果完全一致，充分證明了極性自動判別系統的實用性、準確性、可靠性。