一種自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統及其測試方法與流程
2023-05-19 23:38:36 2
本發明屬於雷射陀螺儀測試技術領域，尤其是一種自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統及其測試方法。
背景技術：
應用雷射陀螺儀的慣導系統需要經過溫補和標定環節後才能投入試驗，如果在試驗中發現陀螺儀精度不滿足慣導系統精度要求，或發現陀螺儀性能與安裝位置或方案不匹配，需更換陀螺儀。更換任意陀螺儀後，慣導系統需重新進行溫補和標定，直到滿足慣導系統的使用要求為止。這一過程嚴重影響科研生產的順利進行，因此，有必要在安裝慣導系統前對陀螺儀進行全面的精度評定，使慣導系統能夠有針對性地選擇陀螺儀，提高工作效率。傳統的陀螺儀性能評定試驗需要投入大量的人力和時間資源，在對陀螺儀零偏、標度、溫度特性等性能的評定過程中需要人員全程陪同、多次重複試驗、頻繁操作實驗儀器和設備、對大量數據進行後處理，最終得到陀螺儀相應的性能指標。在陀螺儀數量較多、科研生產周期短時，可操作難度大。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種設計合理、測試成本低、測試程序規範、測試結果可靠性高且測試過程可操作性強的自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統及其測試方法。
本發明解決其技術問題是採取以下技術方案實現的：
一種自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統，包括多個雷射陀螺儀、敏感量信號採集控制器、上位機和UPS電源；所述敏感量信號採集控制器包括機箱及其內部的採集控制電路；所述採集控電路包括採集控制板、AC/DC模塊和DC/DC模塊；
所述UPS電源的輸出端與上位機相連接並為其供電，該UPS電源的輸出端還依次通過AC/DC模塊和DC/DC模塊分別與採集控制板和多個雷射陀螺儀的輸入端相連接並為其供電；所述採集控制板的輸入端與多個雷射陀螺儀相連接用於採集多個雷射陀螺儀的敏感量電信號並將該敏感量電信號轉換為數位訊號後將多個雷射陀螺儀的敏感量、抖動和溫度的原始數據信息傳送至上位機進行計算和保存；所述上位機的輸出端還與採集控制板相連接，用於向所述採集控制板發出控制信號，該採集控制板的輸出端還與DC/DC模塊相連接，用於當操作者發出結束測試命令時或當雷射陀螺儀輸出異常時切斷雷射陀螺儀電源。
而且，所述採集控制板包括FPGA模塊和RS422串口模塊；該FPGA模塊和RS422串口模塊相連接用於多個雷射陀螺儀的敏感量電信號並將該敏感量電信號轉換為數位訊號後上傳至上位機。
而且，所述上位機包括輸入顯示模塊、數據採集和存儲模塊、結果存儲和查看模塊、解算模塊和上位機硬碟模塊；所述輸入顯示模塊的輸出端與所述採集控制板相連接用於發出控制信號；該採集控制板的輸出端通過數據採集和存儲模塊與所述輸入顯示模塊相連接用於顯示多個雷射陀螺儀輸出的數據信息；該數據採集和存儲模塊的輸出端還與上位機硬碟模塊用於保存原始數據信息；所述輸入顯示模塊還與結果存儲和查看模塊相連接用於請求查看和顯示測試結果；所述結果存儲和查看模塊的輸出端還與上位機硬碟模塊相連接，用於將該測試結果保存至上位機硬碟模塊；所述輸入顯示模塊還與解算模塊相連接用於調用解算模塊並在測試結束後將測試結果存儲至所述結果存儲和查看模塊。
一種自動評定雷射陀螺儀性能的測試方法，包括以下步驟：
步驟1.讀取雷射陀螺儀的編號和需進行的性能測試項目的名稱，並判斷該測試項目與溫度因數和標度因數的相關性；
步驟2、當判斷測試項目與溫度因數相關時，根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的零偏溫度靈敏度的性能參數；
步驟3、當判斷測試項目與標度因數相關時，根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的標度因數溫度靈敏度的性能參數；
步驟4、當判斷該測試項目與溫度因數和標度因數均無關時，則提取雷射陀螺儀的輸出脈衝數據信息，並根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的常溫零偏穩定性和常溫零偏重複性、隨機遊走係數和零偏磁場靈敏度的性能參數。
而且，所述步驟2的具體步驟包括：
(1)當判斷該測試項目與溫度因數相關時，則提取雷射陀螺儀的溫度數據信息，並以5度為間隔，在-50度至80度範圍內尋找穩定在±0.5度範圍內的恆溫時間段，並判斷尋找到的恆溫時間段是否滿足時間連續的要求且連續時間超過3h；
(2)若尋找到的恆溫時間段滿足時間連續的要求且連續時間超過3h，則保存該段被測雷射陀螺儀的輸出數據並再次判斷該測試項目是否與標度因數相關；否則，則捨棄該段數據；
(3)若該測試項目與標度因數有關，則轉入步驟3；若該測試項目與標度因數無關，則判斷是否已找出全部恆溫時間段，若已找出全部恆溫時間段，則根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的零偏溫度靈敏度的性能參數；若未找出全部恆溫時間段，則返回步驟2的第(1)步。
而且，所述步驟3的具體步驟包括：
(1)當判斷測試項目與標度因數相關時，則提取雷射陀螺儀的輸出脈衝數據信息，並按照用戶輸入的載體轉動信息將不同轉速下的被測雷射陀螺儀輸出的脈衝數據按照轉速分段保存；
(2)根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的標度因數、標度因數重複性和標度因數非線性度，並基於上述計算結果根據GJB2427中規定的計算公式計算被測雷射陀螺儀的標度因數溫度靈敏度的性能參數。
本發明的優點和積極效果是：
1、本發明的陀螺儀性能測試系統能夠自動判斷試驗的起止時間，自動起停試驗和進行重複測試，每項試驗結束時自動對陀螺儀性能指標進行解算和保存。
2、本發明的自動評定雷射陀螺儀性能的測試方法中，實驗人員在將陀螺儀安裝到位後，只需輸入簡單的測試信息，經過一個測試周期就能夠自動獲得陀螺儀的多次重複測試結果，不需對測試設備和電源、轉臺等儀器儀表等進行操作。而傳統的陀螺儀性能測試方法中所利用的測試設備多、設備間連接關係複雜，需測試人員頻繁操作測試設備，人工處理試驗數據量大的缺點相比，本發明的測試方法更加規範，操作更加簡潔，節約了試驗成本，提高了測試的可操作性和可靠性。
附圖說明
圖1是本發明的系統連接電路的信號流程圖；
圖2是本發明的上位機內人機互動軟體的信息流程示意圖；
圖3是本發明的自動評定雷射陀螺儀性能的測試方法的處理流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明實施例作進一步詳述：
一種自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統，如圖1所示，包括多個雷射陀螺儀、敏感量信號採集控制器、上位機和UPS電源；所述敏感量信號採集控制器包括機箱及其內部的採集控制電路；所述採集控電路包括採集控制板、AC/DC模塊和DC/DC模塊；
所述UPS電源的輸出端與上位機相連接並為其供電，該UPS電源的輸出端還依次通過AC/DC模塊和DC/DC模塊分別與採集控制板和多個雷射陀螺儀的輸入端相連接並為其供電；所述採集控制板的輸入端與多個雷射陀螺儀相連接用於採集多個雷射陀螺儀的敏感量電信號並將該敏感量電信號轉換為數位訊號後將多個雷射陀螺儀的敏感量、抖動和溫度的原始數據信息傳送至上位機進行計算和保存；所述上位機的輸出端還與採集控制板相連接，用於向所述採集控制板發出控制信號，該採集控制板的輸出端還與DC/DC模塊相連接，用於當操作者發出結束測試命令時或當雷射陀螺儀輸出異常時切斷雷射陀螺儀電源。
所述採集控制板包括FPGA模塊和RS422串口模塊；該FPGA模塊和RS422串口模塊相連接用於多個雷射陀螺儀的敏感量電信號並將該敏感量電信號轉換為數位訊號後上傳至上位機。
在本實施例中，所述雷射陀螺儀的個數為1至6個。
在本實施例中，所述包括多個雷射陀螺儀、敏感量信號採集控制器、上位機和UPS電源之間通過有線方式連接在一起。
在本實施例中，所述敏感量信號採集控制器的機箱結構採用模塊化、無線化設計，機箱內結構緊湊，硬體模塊間採用同一塊模板設計，增加信號的可靠性和抗幹擾能力，具有較強的電磁兼容能力、高擴展度及高可靠性等特點。採集控制電路部分安裝在同一個加固機箱內採用印製底板連接，對外連接器與加固機箱之間也採用印製底板進行連接，從而將機箱內的導線連接降至最少，增加信號的可靠性和抗幹擾能力。
下面對該自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統的硬體模塊的構成、各個硬體模塊的作用以及各模塊之間的信號傳遞流程進行說明：
所述UPS電源提供多個雷射陀螺儀工作所需的電源；所述採集控制板採集多個雷射陀螺儀輸出信號；外電220V依次通過AC/DC模塊和DC/DC模塊為多個雷射陀螺儀提供工作電源的同時為採集控制板提供+5V工作電源。所述所述採集控制板包括連接在一起的FPGA模塊和RS422串口模塊，其作用是將雷射陀螺儀輸出的TTL電平信號，通過FPGA轉換成數位訊號後通過RS422串口將多個雷射陀螺儀敏感量信號和陀螺儀的抖動、溫度等信息發送給上位機。上位機向採集控制板發出啟動測試、停止測試、故障等控制信號，同時採集保存所述採集控制板輸出的陀螺儀信息。其系統連接電路的信號流程圖如圖1所示，UPS提供在線不間斷電源保障，在臨時斷電狀態下保證陀螺儀測試的連續性，避免切換電瞬間對陀螺儀造成的損壞。
所述上位機包括輸入顯示模塊、數據採集和存儲模塊、結果存儲和查看模塊、解算模塊和上位機硬碟模塊；所述輸入顯示模塊的輸出端與所述採集控制板相連接用於發出控制信號；該採集控制板的輸出端通過數據採集和存儲模塊與所述輸入顯示模塊相連接用於顯示多個雷射陀螺儀輸出的數據信息；該數據採集和存儲模塊的輸出端還與上位機硬碟模塊用於保存原始數據信息；所述輸入顯示模塊還與結果存儲和查看模塊相連接用於請求查看和顯示測試結果；所述結果存儲和查看模塊的輸出端還與上位機硬碟模塊相連接，用於將該測試結果保存至上位機硬碟模塊；所述輸入顯示模塊還與解算模塊相連接用於調用解算模塊並在測試結束後將測試結果存儲至所述結果存儲和查看模塊。
下面對該自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統的軟體的構成及工作流程進行說明：
上位機通過內置軟體採集和保存多個雷射陀螺儀原始數據，計算和保存雷射陀螺儀測試結果。具體來說，上位機的主程序負責各程序模塊的調度和主要試驗階段的判斷等。上位機利用Matlab編制解算軟體，自動判斷陀螺儀工作狀態和解算陀螺儀測試結果；上位機利用Vc++編寫人機互動軟體和轉臺控制軟體，測試者輸入基本信息後經過自動測試周期直接查看測試結果。
採用Vc++語言編制人機互動軟體，提供數據顯示與保存、結果查看等功能，以及提供與用戶、解算軟體之間的通訊接口。所述上位機的人機互動界面包括輸入顯示模塊、結果存儲和查看模塊、數據採集和存儲模塊和解算模塊(對應於圖2中的解算軟體)，其主要信息流程示意圖如圖2所示。
本發明的人機互動界面通過輸入顯示模塊，試驗人員可以裝訂與測試有關的基本信息，同時實時觀察雷射陀螺儀的輸出脈衝數、抖幅、抖頻、溫度以及相關曲線、當前測試項目的進展階段和工作日誌等信息。結果查看模塊負責將解算軟體返回的測試結果進行保存，以及查詢已經完成的陀螺儀測試項目的試驗結果。數據採集和存儲模塊負責輸出雷射陀螺儀原始數據信息，並根據試驗人員輸入的基本信息進行分類保存。
其中，雷射陀螺儀性能評定測試過程軟體工作流程：
(1)操作者在人機互動界面向輸入顯示模塊輸入啟動測試命令、陀螺儀基本信息、測試內容等測試信息，發起測試；
(2)輸入顯示模塊將控制命令發送給採集控制板，完成通電過程；
(3)雷射陀螺儀通電後輸出敏感量信息通過採集控制板上傳到上位機，數據採集和存儲模塊將收到的數據保存到上位機硬碟內，同時在輸入顯示模塊顯示陀螺儀輸出內容；
(4)當操作者發出結束測試命令時，採集控制板切斷陀螺儀電源，同時，輸入顯示模塊調用解算軟體，解算軟體根據測試內容計算測試結果，將結果通過結果存儲和查看模塊保存到上位機硬碟內。
其中，雷射陀螺儀性能評定結果查看過程軟體工作流程：
(1)操作者在人機互動界面向輸入顯示模塊輸入查看命令，選擇要查看陀螺儀的編號和查看內容；
(2)輸入顯示模塊調用結果存儲和查看模塊，從上位機硬碟讀取相應信息，在人機互動界面顯示；
(3)輸入顯示模塊實時將陀螺儀輸出內容在人機互動界面通過數字或圖形等形式顯示；
也可在人機互動界面輸入預約操作內容，輸入顯示模塊將根據操作者輸入的時間、開關機命令自動執行開關機動作，並在工作日誌中記錄已執行命令的時間和內容；
(4)輸入顯示模塊觀察陀螺儀輸出信息判斷陀螺儀工作狀態，當陀螺儀輸出異常時自動向採集控制板發出切斷電源命令，並發出告警音，起到安全和保護陀螺儀的作用。
上位機利用Vc++編寫人機互動軟體和轉臺控制軟體，在進行與標度因數有關的測試時啟動轉臺控制軟體，控制軟體按照設定的轉速和方向，通過RS232串口定時向轉臺發送命令報文，報文類型包括轉動位置或速率參數、轉動起始或停止命令，同時接收轉臺回傳的位置和速率信息。
利用Matlab編制解算模塊內置的解算軟體對雷射陀螺儀性能進行評定，其工作流程主要包括提取數據、判斷工作狀態、數據截取、指標解算和輸出結果。解算軟體對提取到的階段試驗數據首先判斷與陀螺儀有關的工作狀態，包括溫度、載體轉速等，將不同工作狀態下的數據分別處理，再根據GJB2427中規定的計算方法，求出本階段試驗得到的陀螺儀性能參數，將計算結果輸出。
利用雷射陀螺儀性能測試系統可進行的陀螺儀性能評定項目包括：常溫零偏穩定性和常溫零偏重複性、隨機遊走係數、標度因數重複性、標度因數非線性度、零偏磁場靈敏度、零偏溫度靈敏度、標度因數溫度靈敏度，分別實現相應陀螺儀性能參數的求取。在本實施例中，以常溫零偏穩定性、常溫零偏重複性以及標度因數溫度靈敏度試驗為例，其評定過程如下：
其中，常溫零偏穩定性和常溫零偏重複性的評定過程為：
(1)打開UPS電源開關，為自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統供電。
(2)將自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統接通電源後，將雷射陀螺儀安裝到滿足要求的試驗基座上，接通雷射陀螺儀與性能測試系統，打開人機互動軟體，輸入雷射陀螺儀的編號、需進行的性能評定項目的名稱等基本信息，發出開始命令。
(3)上位機自動實現重複試驗和結果解算：本發明的上位機在約3天時間內通過定時控制雷射陀螺儀的電源的通斷，完成7次雷射陀螺儀零偏的測試；每當雷射陀螺儀輸出信息中斷超過規定的時間，圖2中所示的主程序將自動調用解算程序，求出本次測試的常溫零偏穩定性結果，並保存相關信息，然後等待陀螺儀再次輸出信息後繼續實現錄取、保存、解算等功能。完成2次及2次以上重複試驗，計算並保存常溫零偏重複性結果。
(4)全部重複試驗結束後，性能測試系統自動關閉陀螺儀電源開關，處於等待新指令的階段。試驗人員在試驗過程中隨時可通過查看界面查看已完成的常溫零偏穩定性和常溫零偏重複性結果。
其中，標度因數溫度靈敏度的評定過程為：
(1)將雷射陀螺儀安裝到滿足要求的試驗環境內，接通雷射陀螺儀與性能測試系統，打開人機互動軟體，輸入陀螺儀的編號、即將進行的性能評定項目的名稱等基本信息，發出開始命令；
(2)打開性能測試系統上的電源開關，為陀螺儀供電；
(3)設定溫度循環曲線，啟動溫度試驗箱；
(4)打開轉臺工作控制軟體，輸入規定的轉動程序，控制轉臺按照要求的程序控制轉臺的啟動和停止；
(5)試驗全部結束後，試驗人員點擊人機互動界面上的關閉串口按鈕，主程序將自動調用解算程序，解算程序根據陀螺儀的溫度和敏感信息變化等情況，將所需的有效試驗數據進行提取，解算出陀螺儀的標度因數溫度靈敏度並保存。
一種自動評定雷射陀螺儀性能的測試方法，包括以下步驟：
步驟1.讀取雷射陀螺儀的編號和需進行的性能測試項目的名稱，並判斷該測試項目與溫度因數和標度因數的相關性。
步驟2、當判斷測試項目與溫度因數相關時，根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的零偏溫度靈敏度的性能參數。
所述步驟2的具體步驟包括：
(1)當判斷該測試項目與溫度因數相關時，則提取雷射陀螺儀的溫度數據信息，並以5度為間隔，在-50度至80度範圍內尋找穩定在±0.5度範圍內的恆溫時間段，並判斷尋找到的恆溫時間段是否滿足時間連續的要求且連續時間超過3h；
(2)若尋找到的恆溫時間段滿足時間連續的要求且連續時間超過3h，則保存該段被測雷射陀螺儀的輸出數據並再次判斷該測試項目是否與標度因數相關；否則，則捨棄該段數據；
(3)若該測試項目與標度因數有關，則轉入步驟3；若該測試項目與標度因數無關，則判斷是否已找出全部恆溫時間段，若已找出全部恆溫時間段，則根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的零偏溫度靈敏度的性能參數；若未找出全部恆溫時間段，則返回步驟2的第(1)步。
步驟3、當判斷測試項目與標度因數相關時，根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的標度因數溫度靈敏度的性能參數。
所述步驟3的具體步驟包括：
(1)當判斷測試項目與標度因數相關時，則提取雷射陀螺儀的輸出脈衝數據信息，並按照用戶輸入的載體轉動信息將不同轉速下的被測雷射陀螺儀輸出的脈衝數據按照轉速分段保存；
(2)根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的標度因數、標度因數重複性和標度因數非線性度，並基於上述計算結果根據GJB2427中規定的計算公式計算被測雷射陀螺儀的標度因數溫度靈敏度的性能參數。
步驟4、當判斷該測試項目與溫度因數和標度因數均無關時，則提取雷射陀螺儀的輸出脈衝數據信息，並根據GJB2427中規定的計算方法求取被測雷射陀螺儀的常溫零偏穩定性和常溫零偏重複性、隨機遊走係數和零偏磁場靈敏度的性能參數。
本發明的自動評定雷射陀螺儀性能的測試系統改變傳統測試繁瑣的實驗設備和操作，規範了測試流程，實現了自動測試，提高測試的可操作性和可靠性，節約試驗成本。該系統經過40餘只雷射陀螺儀的測試試驗，測試結果可靠，經過測試後的陀螺儀應用在船用、陸用慣性導航系統上，為導航系統贏得寶貴的科研實驗時間，證明本發明的系統具有良好的性能。
需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發明包括並不限於具體實施方式中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬於本發明保護的範圍。