杨华 曾骁

摘 要：本文以多自由度摇摆试验系统为研究对象，通过研究其工作原理，研究实现以多自由度摇摆试验系统的角位置参数、角速率参数校准，以及目标信号模拟器的位置参数的校准方法，并开发基于VC++软件平台的半实物仿真系统现场校准软件，采用无线通讯技术，实现半实物仿真系统的校准数据无线传输到上位机上进行数据处理，最终实现半实物仿真三轴转台的自动化校准。

关键词：转台;角位置;角速率;目标信号模拟器

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0048-02

0 引言

多自由度运动平台是综合控制技术、传感器检测技术、计算机技术和机械技术等多种科学技术为一体的综合性仿真和测试设备，摇摆试验系统作为多自由度运动平台中的主要设备，可模拟出各种空间运动姿态，广泛应用到各种模拟器的试验中去，主要用来模拟飞行器、舰船、车辆的运动姿态，如飞行模拟试验、舰船模拟试验、直升机升降模拟试验、战车模拟试验、空间宇宙飞船模拟试验及路面模拟试验，还可实现多自由度的运动仿真，其性能的优劣直接关系到试验结果的可靠性。按照驱动轴系可分为单轴、三轴、六自由度摇摆试验系统。

目前，摇摆试验系统大多数无测试信号输出端，动态指标校准一直是摇摆试验系统的校准瓶颈，现场校准多进行静态指标的校准，而动态技术指标采用制造商的反馈软件进行校准，而反馈软件的测试信号不能真实的反馈摇摆试验系统的实际运动状态，在高频摇摆状态下失真较大，其可信度就降低了。这样校准存在一定的缺陷：（1）静态校准而动态使用，校准状态与实际使用状态有很大区别。校准是采用静态校准，而使用是动态使用，存在“静标动用”的问题，校准状态和使用状态不一致，从而导致量值失真，在进行型号模拟试验时存在一定的风险;（2）在试验过程中，试验系统自身并不能保证系统的反馈与摇摆试验系统的真实技术指标完全吻合，这就需要对整个试验系统进行校准，并根据校准结果控制参数进行修正，真正模拟型号系统的试验状态。因此，为保障摇摆试验系统测试数据的准确可靠，专门对该系统提出了现场、在线、综合校准的需求。

1 多自由度运动平台的结构和工作原理

多自由度运动平台以摇摆试验系统为主，由工控机、控制软件、伺服机构、反馈单元、工作台等组成。其结构如图1所示。

摇摆试验系统中工控机提供人机对话界面，当设定某一试验状态，将通过工控机将控制指令发送给控制软软件，控制软件通过计算，将控制指令转换为某自由度的位移量，并将位移量的传输给该自由度的伺服机构，控制工作台移动相应的位移，反馈单元实时反馈位移的移动量，当移动量达到设定位置时，控制软件将停止指令传输给伺服机构使工作台停止运动，完成设定的该试验状态。

2 多自由度运动平台的校准

本文以摇摆试验系统为研究对象，校准装置主要由四部分组成：

（1）线加速度的校准，拟采用振动加速度测量系统再加工必要的工装组成线加速度校准系统，实现对摇摆试验系统加速度的校准。

（2）线位移参数的校准，采用激光干涉仪、激光跟踪仪再加工必要的工装组成线位移校准系统，实现对摇摆试验系统线位移的校准。

（3）角位移参数的校准，采用激光跟踪仪和高精度测角元件来满足不同的校准环境，通过相应的数据采集分析电路组成高精度动态角度校准系统，实现对摇摆试验系统的角位置、角速度及角加速度的校准。

（4）时频信号参数的校准，拟采用激光跟踪仪自带的时钟信号和测角系统自带的高稳晶振组成時频信号校准系统，实现对摇摆试验系统时频信号的校准。通过对时频信号结合工作台面的位置分析，实现对波形失真度的校准。

2.1 加速度的校准

线加速度校准拟采用我所原有的BK振动测试系统，添加必要的低频振动加速度传感器实现对摇摆试验系统的线加速度的校准。新购5个低频振动加速度传感器，可以实现摇摆试验系统横向振动比、线加速度均匀性的校准。

2.2 线位移参数的校准

摇摆试验系统对型号进行位移或振幅测试时，主要是通过对摇摆试验系统施加设定的加速度值和线位移幅值，并依据被测型号的实际反馈来判定其是否达到设计要求，是测试系统重要的技术指标之一。因此，需研究校准方法，编制校准软件，实现线位移参数的校准，校准框图如图2所示。

摇摆试验系统工控机和伺服控制系统输出线位移加载信号，由工作台转化为实际线位移输出，通过连接工装将实际产生的线位移传递给激光跟踪仪和加速度计，经数据采集分析装置处理后，与工作台输出的实际位移和加速度比较，完成校准。

2.3 角位移参数的校准

摇摆试验系统在进行测试时，工作台的角位置、角速度、角加速度是十分重要的参数，是评价导引头、惯性部件性能的重要依据。因此，为确保测试系统所测数据的真实性，应该对摇摆试验系统的角参数进行在线、动态校准，被校准对象为摇摆试验系统，如图3所示。

测角装置是摇摆试验系统校准的关键，它的结构和技术指标对整套校准装置有着直接的影响。角位移测量装置主要有两种方式，高精度测角时则采用由：一是测角元件、二是细分盒、三是计数接口组成的测角装置，低精度时采用激光跟踪仪进行角位置的校准。

摇摆试验系统高精度角位置校准装置，主要由测角装置、时基电路、校准工装、数据采集和处理系统、数据测试分析软件等部分组成，它通过工装安装到工作台上与工作台随动，当工作台转动时，时基电路立即开始计时，同时测角装置实时记录摇摆角度，通过数据采集与处理系统记录和分析数据，得到角位置、角速度和角加速度的技术指标，再通过与系统参数指标进行比较，实现对摇摆试验系统角位置参数的校准。

摇摆试验系统低精度角位置校准装置，主要由激光跟踪仪、数据处理系统和分析软件组成，它通过工装安装到工作台上与工作台随动，当工作台转动时，时基电路立即开始计时，同时测角装置实时记录摇摆角度，通过数据采集与处理系统记录和分析数据，得到角位置、角速度和角加速度的技术指标，再通过与系统参数指标进行比较，实现对摇摆试验系统角位置参数的校准。

2.4 时频信号的校准

GJB150.23军用设备环境试验方法倾斜和摇摆试验对摇摆周期提出了明确的技术要求，由于其摇摆频率不高，目前在校准时多采用秒表进行校准，校准误差较大，可信度不高。本项目拟研制包含晶振和相应外围电路构成时频信号校准系统，对摇摆试验系统时频信号进行校准，从而实现对摇摆试验系统摇摆周期的校准。

3 校准装置的组建

本项目拟采用NI公司的编程平台，设计组建适用于摇摆试验系统现场校准的专用校准装置。校准装置主要包括高精度线位移校准装置、角位移校准装置、频率校准装置等设备及相应的数据控制、采集分析系统以及相应的校准软件。

依据试验大纲及相关标准的试验要求，以及试验系统技术指标，本项目研建的校准装置将具备以下功能和特点：

（1）具有波形失真度的校准功能;（2）具有动、静态线加速度、角线位移的校准功能;（3）具有动、静态角位置、角速率、角加速度的校准功能;（4）具有多个采集通道，实时多参数采集记录功能，以保证校准结果的准确性和采集数据的完整性;（5）具有集成化程度高、携带方便的特点。

4 校准软件的编制

由于摇摆试验系统现场校准装置中，大部分校准工作均需编制相应校准软件分析计算出结果，与摇摆试验系统测量数据进行比较完成校准，这对校准软件的实用及可靠性提出较高要求。另外，随着被校摇摆试验系统需校准参数有增多趋势，因此該软件还应具备再开发功能，同时保证扩展及移植性较好，以确保及时满足校准需求。

本项目拟采用基于美国NI公司的LabVIEW软件平台研发摇摆试验系统现场校准软件。该软件平台为虚拟仪器平台，即通过软件的编写，实现对硬件功能的控制，可在有限的硬件上实现更多的扩展功能，且后续开发方便，可持续使用率高，可满足本项目对校准软件编制的需求。

5 结语

本文以摇摆台为研究对象，研究多自由度运动平台的校准方法，并开发LabVIEW软件平台研发多自由度运动平台现场校准软件，采用无线通讯技术，实现半实物仿真系统的校准数据无线传输到上位机上进行数据处理，最终实现半实物仿真三轴转台的自动化校准。

参考文献

[1] 孟士超，李彦征，等.惯性平台姿态在高精度摇摆台上的标校方法[J].中国惯性技术学报，2009（04）：56-58.

[2] 曹利.转台校准系统的研制[J].计量技术，2004（12）：98-100.