CN104535079B - 机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统及方法属于光电稳定平台测试技术领域，目的在于解决现有技术存在的测试带宽较低和测试频率点为有限数的问题。本发明的高精度两轴转台包括控制柜和两轴转台台体，主控计算机包括数据显示模块和数据处理模块，高精度两轴转台包括控制柜和两轴转台台体；光电惯性稳定平台安装在两轴转台台体上，光电惯性稳定平台的俯仰轴和方位轴上分别安装有宽频带、高精度陀螺仪A，两轴转台台体的俯仰轴和方位轴上分别安装有宽频带、高精度陀螺仪B，陀螺仪分别通过RS422串行总线与仿真机连接，主控计算机通过千兆网口与仿真机连接，仿真机通过RS422串行总线与控制柜连接，控制柜通过电缆与两轴转台台体连接。

Description

机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统及方法

技术领域

本发明属于光电稳定平台测试技术领域，具体涉及一种机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统及方法。

背景技术

航空光电惯性稳定平台系统是获取高分辨率图像的有效手段，在军事、民用等领域具有重要作用。航空光电惯性稳定平台安装在飞行载体与光电载荷之间，承载并稳定光电载荷，是航空光学成像系统的重要组成部分之一。使用稳定平台能够有效隔离飞行载体非理想姿态运动及其内部各种扰动对光学成像系统视轴的影响，从而使光学成像系统姿态相对惯性空间保持稳定。使用稳定平台后，光电成像系统相邻两帧图像间的重叠度大幅提高，满足成图要求，可显著提高航空光电成像系统的工作效率。稳定精度是惯性稳定平台的主要技术指标之一，反映了稳定平台对干扰力矩的抑制能力。光电惯性稳定平台隔离度又是成像稳定系统的一个重要性能指标。影响稳定平台隔离度的因素很多，包括：平台负载特性、干扰力矩、电机回路参数、扰动频率、扰动幅值、摩擦、探测器信号处理延迟、稳定系统带宽、稳定系统最大加速度等。

传统的隔离度测试方法是控制转台做正弦运动，通过测试不同频率点的稳定平台视轴偏差，与转台扰动信号比较得到系统的隔离度。此种方法可在一定程度上评估稳定平台隔离度水平，但由于输入信号频率的跳变会导致转台出现震荡等情况，并且该种方法只能测试单个频率点或有限带宽内的隔离度性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统及方法，解决现有技术存在的测试带宽较低和测试频率点为有限数的问题，实现对中、高精度的航空光电惯性稳定平台隔离度性能的测试和分析。

为实现上述目的，本发明的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统包括主控计算机、仿真机和高精度两轴转台；所述高精度两轴转台包括控制柜和两轴转台台体，所述主控计算机包括数据存储模块、数据显示模块和数据处理模块；

光电惯性稳定平台安装在所述两轴转台台体上，所述光电惯性稳定平台的俯仰轴和方位轴上分别安装有宽频带、高精度陀螺仪A，两轴转台台体的俯仰轴和方位轴上分别安装有宽频带、高精度陀螺仪B，宽频带、高精度陀螺仪A和宽频带、高精度陀螺仪B分别通过RS422串行总线与所述仿真机连接，所述主控计算机通过千兆网口与所述仿真机连接，所述仿真机通过RS422串行总线与所述控制柜连接，所述控制柜通过电缆与所述两轴转台台体连接，通过主控计算机的数据存储模块、数据显示模块和数据处理模块实现对数据的存储、显示和处理。

所述光电惯性稳定平台和所述两轴转台台体轴系重合。

所述两轴转台台体包括底座、方为框架、俯仰框架、连接轴和旋转轴；所述俯仰框架通过旋转轴与所述方位框架连接，所述方位框架低端通过连接轴与所述底座连接。

所述宽频带、高精度陀螺仪A和宽频带、高精度陀螺仪B的带宽和精度高于光电惯性稳定平台自身的惯性敏感器件。

机载光电惯性稳定平台隔离度测试方法包括以下步骤：

步骤一：利用MATLAB/Simulink软件建立两轴转台的控制指令控制系统，生成控制指令，初始化半实物仿真系统硬件接口，建立数据存储模块、数据显示模块和数据处理模块；

步骤二：将待测光电惯性稳定平台安装在两轴转台台体上，使用全站仪测量出光电惯性稳定平台相对于两轴转台台体的安装误差角并将安装误差角输入到数据处理模块中，

其中，θ、γ、分别为稳定平台相对于转台在俯仰、横滚和方位三个方向上的安装误差角；

步骤三：建立转台坐标系O_bx_by_bz_b与光电惯性稳定平台坐标系O_px_py_pz_p之间的坐标系关系：

转台坐标系O_bx_by_bz_b变换到光电惯性稳定平台坐标系O_px_py_pz_p的变换过程为：

因此可以得到由两轴转台台体坐标系转变到光电惯性稳定平台坐标系的变换矩阵为：

步骤四：通过主控计算机控制仿真机将命令传给控制柜，通过控制柜控制两轴转台台体模拟光电惯性稳定平台的姿态进行运动；

步骤五：分别通过宽频带、高精度陀螺仪A和宽频带、高精度陀螺仪B测得两轴转台台体在惯性空间中的实际转动角速度和以及光电惯性稳定平台的角速度残差和并分别通过RS422将测得的数据发送到仿真机，仿真机将接收的数据通过千兆网口传输到主控计算机，并通过数据显示模块实时显示；

步骤六：主控计算机的数据处理模块将步骤五中获得的两轴转台台体在惯性空间中的实际转动角速度和根据步骤三中得到的变换矩阵转换到光电惯性稳定平台坐标系上，得到光电惯性稳定平台轴系角速度和

步骤七：通过步骤五中得到的光电惯性稳定平台的角速度残差和和步骤六中得到的光电惯性稳定平台轴系角速度和计算光电惯性稳定平台系统隔离度R_dx和R_dz：

步骤八：通过频谱分析将步骤七中得到的光电惯性稳定平台系统隔离度绘制成频域内的隔离度曲线。

所述宽频带、高精度陀螺仪A和宽频带、高精度陀螺仪B的带宽和精度高于光电惯性稳定平台自身的惯性敏感器件。

本发明的有益效果为：本发明的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统及方法用于测试光电惯性稳定平台在0至数百赫兹频域内的隔离度曲线，能够为光电稳定平台设计人员提供准确的稳定平台性能实验数据；本发明使用新的转台控制信号，有效地克服了传统信号的弊端；而且整个系统控制与通信部分通过半实物仿真系统实时硬件系统运行，测试过程简单、易于操作、可以有效的缩短研制周期、降低平台的研制成本，具有很高的社会效益和经济效益；同时本发明具有结构简单、便于工程实现的特点。解决了现有技术存在的测试带宽较低和测试频率点为有限数的问题，实现对中、高精度的航空光电惯性稳定平台隔离度性能的测试和分析。

附图说明

图1为本发明的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统的结构框图；

图2为本发明的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统陀螺仪数据采集处理程序流程图；

图3为本发明的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统半实物仿真器原理及组成框图；

图4为本发明的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统两轴高精度转台构成以及陀螺仪安装示意图；

图5为本发明的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统高精度转台与光电惯性稳定平台安装误差角示意图；

图6为本发明的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统数据处理与隔离度性能分析程序界面示意图；

其中：1、主控计算机，2、仿真机，3、高精度两轴转台，4、控制柜，5、两轴转台台体，6、光电惯性稳定平台，7、宽频带、高精度陀螺仪B，8、宽频带、高精度陀螺仪A，9、旋转轴，10、连接轴，11、俯仰框架，12、方位框架，13、底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统包括主控计算机1、仿真机2和高精度两轴转台3；所述高精度两轴转台3包括控制柜4和两轴转台台体5，所述主控计算机1包括数据存储模块、数据显示模块和数据处理模块，所述高精度两轴转台3包括控制柜4和两轴转台台体5；

光电惯性稳定平台6安装在所述两轴转台台体5上，所述光电惯性稳定平台6的俯仰轴和方位轴上分别安装有宽频带、高精度陀螺仪A8，分别测量光电惯性稳定平台6实际稳定角速度残差，两轴转台台体5的俯仰轴和方位轴上分别安装有宽频带、高精度陀螺仪B7，分别测量两轴转台台体5俯仰轴O_bx_b与方位轴O_bz_b在惯性空间中的运动状态，宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7分别通过RS422串行总线与所述仿真机2连接，所述主控计算机1通过千兆网口与所述仿真机2连接，所述仿真机2通过RS422串行总线与所述控制柜4连接，所述控制柜4通过电缆与所述两轴转台台体5连接，通过主控计算机1的数据存储模块、数据显示模块和数据处理模块实现对数据的存储、显示和处理。

所述光电惯性稳定平台6和所述两轴转台台体5轴系重合。

参见附图4，所述两轴转台台体5包括底座13、方为框架12、俯仰框架11、连接轴10和旋转轴9；所述俯仰框架11通过旋转轴9与所述方位框架12连接，所述方位框架12低端通过连接轴10与所述底座13连接。

所述宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7的带宽和精度高于光电惯性稳定平台6自身的惯性敏感器件。

机载光电惯性稳定平台隔离度测试方法包括以下步骤：

步骤一：利用MATLAB/Simulink软件建立两轴转台的控制指令控制系统，生成控制指令，初始化半实物仿真系统硬件接口，建立数据存储模块、数据显示模块和数据处理模块；

步骤二：参见附图5，将待测光电惯性稳定平台6安装在两轴转台台体5上，使用全站仪测量出光电惯性稳定平台6相对于两轴转台台体5的安装误差角并将安装误差角输入到数据处理模块中，

其中，θ、γ、分别为稳定平台相对于转台在俯仰、横滚和方位三个方向上的安装误差角；

步骤三：建立转台坐标系O_bx_by_bz_b与光电惯性稳定平台6坐标系O_px_py_pz_p之间的坐标系关系：

转台坐标系O_bx_by_bz_b变换到光电惯性稳定平台6坐标系O_px_py_pz_p的变换过程为：

因此可以得到由两轴转台台体5坐标系转变到光电惯性稳定平台6坐标系的变换矩阵为：

步骤四：通过主控计算机1控制仿真机2将命令传给控制柜4，通过控制柜4控制两轴转台台体5模拟光电惯性稳定平台6的姿态进行运动；

步骤五：分别通过宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7测得两轴转台台体5在惯性空间中的实际转动角速度和以及光电惯性稳定平台6的角速度残差和并分别通过RS422将测得的数据发送到仿真机2，仿真机2将接收的数据通过千兆网口传输到主控计算机1，并通过数据显示模块实时显示；

步骤六：主控计算机1的数据处理模块将步骤五中获得的两轴转台台体5在惯性空间中的实际转动角速度和根据步骤三中得到的变换矩阵转换到光电惯性稳定平台6坐标系上，得到光电惯性稳定平台6轴系角速度和

步骤七：通过步骤五中得到的光电惯性稳定平台6的角速度残差和和步骤六中得到的光电惯性稳定平台6轴系角速度和计算光电惯性稳定平台6系统隔离度R_dx和R_dz：

步骤八：通过频谱分析将步骤七中得到的光电惯性稳定平台6系统隔离度绘制成频域内的隔离度曲线。

所述宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7的带宽和精度高于光电惯性稳定平台6自身的惯性敏感器件。

本发明的主控计算机1作为整个测试系统的核心部分，用于两轴转台控制指令的设计、仿真、数据处理及显示。在主控计算机1上使用Matlab/Simulink软件设计转台控制程序，该程序使用由幅值相同，频率不同的正弦波相叠加构成的信号作为两轴转台台体5俯仰轴和方位轴的控制指令。在两轴转台台体5和待测光电惯性稳定平台6各自的轴系上安装宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7。所述宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7的数据经串行口发送至仿真机2。

参见附图2，为数据处理程序的流程图，通过半实物仿真系统的串行接口接收所述宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7回传的数据；当半实物仿真机2的串口接受到宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7发送的数据，判断是否接受指定的字节数，如果宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7发送的数据全部接受完毕，对数据进行存储、处理，经过后续程序分析得到系统的隔离度。

参见附图3，所述的仿真机2为半实物仿真系统，该系统以实时硬件系统为核心，包含串行通信接口RS422/RS232以及DA、AD等接口，仿真机2通过千兆网口与主控计算机1相连，主控计算机1将预先设计的程序进行编译下载到仿真机2中，由实时硬件系统运行，进而对两轴转台台体5进行控制；通过监控测试软件可以方便地对实时硬件进行可视化管理、监控各变量及参数的变化。

参见附图6，本发明实验测试结束后将得到的宽频带、高精度陀螺仪A8和宽频带、高精度陀螺仪B7数据保存在数据存储装置内，通过隔离度性能分析软件可以得到系统的隔离度，具体过程为：

首先，使用软件打开实验过程中所保存的数据，可以支持.dat、.mat、.txt等数据格式；

其次，设置系统参数，将所测得的光电惯性稳定平台6安装误差角输入到软件的安装误差框中；选择要测试俯仰轴或方位轴的隔离度性能；选择数据处理方法，本发明中输入的控制信号中包含宽频带内的多种频率信息，在对信号处理的过程中使用快速傅里叶变换分别对安装在两轴转台台体5上的宽频带、高精度陀螺仪B7测量数据和安装在光电惯性稳定平台6上的宽频带、高精度陀螺仪A8数据进行处理，将得到的结果进行相比的运算可以得到系统的隔离度性能。

最后，在频域内绘制隔离度计算结果的幅频、相频特性图，并保存相关实验结果数据。

转台模拟姿态角运动的指令设计为多频率、等幅值正弦信号叠加后的连续光滑曲线，将其作为高精度两轴转台3的控制信号，利用转台在惯性空间中的实际角运动响应，通过计算可以得到光电惯性稳定平台6的隔离度曲线。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制，任何在本发明的精神范围内所做的改动或等效替换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统，其特征在于，包括主控计算机(1)、仿真机(2)和高精度两轴转台(3)；所述高精度两轴转台(3)包括控制柜(4)和两轴转台台体(5)，所述主控计算机(1)包括数据存储模块、数据显示模块和数据处理模块；

光电惯性稳定平台(6)安装在所述两轴转台台体(5)上，所述光电惯性稳定平台(6)的俯仰轴和方位轴上分别安装有宽频带、高精度陀螺仪A(8)，两轴转台台体(5)的俯仰轴和方位轴上分别安装有宽频带、高精度陀螺仪B(7)，宽频带、高精度陀螺仪A(8)和宽频带、高精度陀螺仪B(7)分别通过RS422串行总线与所述仿真机(2)连接，所述主控计算机(1)通过千兆网口与所述仿真机(2)连接，所述仿真机(2)通过RS422串行总线与所述控制柜(4)连接，所述控制柜(4)通过电缆与所述两轴转台台体(5)连接，通过主控计算机(1)的数据存储模块、数据显示模块和数据处理模块实现对数据的存储、显示和处理。

2.根据权利要求1所述的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统，其特征在于，所述光电惯性稳定平台(6)和所述两轴转台台体(5)轴系重合。

3.根据权利要求1所述的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统，其特征在于，所述两轴转台台体(5)包括底座(13)、方位框架(12)、俯仰框架(11)、连接轴(10)和旋转轴(9)；所述俯仰框架(11)通过旋转轴(9)与所述方位框架(12)连接，所述方位框架(12)低端通过连接轴(10)与所述底座(13)连接。

4.根据权利要求1所述的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统，其特征在于，所述宽频带、高精度陀螺仪A(8)和宽频带、高精度陀螺仪B(7)的带宽和精度高于光电惯性稳定平台(6)自身的惯性敏感器件。

5.基于权利要求1所述的机载光电惯性稳定平台隔离度测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用MATLAB/Simulink软件建立两轴转台的控制指令控制系统，生成控制指令，初始化半实物仿真系统硬件接口，建立数据存储模块、数据显示模块和数据处理模块；

步骤二：将待测光电惯性稳定平台(6)安装在两轴转台台体(5)上，使用全站仪测量出光电惯性稳定平台(6)相对于两轴转台台体(5)的安装误差角并将安装误差角输入到数据处理模块中，

其中，θ、γ、分别为稳定平台相对于转台在俯仰、横滚和方位三个方向上的安装误差角；

步骤三：建立转台坐标系O_bx_by_bz_b与光电惯性稳定平台(6)坐标系O_px_py_pz_p之间的坐标系关系：

转台坐标系O_bx_by_bz_b变换到光电惯性稳定平台(6)坐标系O_px_py_pz_p的变换过程为：

因此可以得到由两轴转台台体(5)坐标系转变到光电惯性稳定平台(6)坐标系的变换矩阵为：

步骤四：通过主控计算机(1)控制仿真机(2)将命令传给控制柜(4)，通过控制柜(4)控制两轴转台台体(5)模拟光电惯性稳定平台(6)的姿态进行运动；

步骤五：分别通过宽频带、高精度陀螺仪A(8)和宽频带、高精度陀螺仪B(7)测得两轴转台台体(5)在惯性空间中的实际转动角速度和以及光电惯性稳定平台(6)的角速度残差和并分别通过RS422将测得的数据发送到仿真机(2)，仿真机(2)将接收的数据通过千兆网口传输到主控计算机(1)，并通过数据显示模块实时显示；

步骤六：主控计算机(1)的数据处理模块将步骤五中获得的两轴转台台体(5)在惯性空间中的实际转动角速度和根据步骤三中得到的变换矩阵转换到光电惯性稳定平台(6)坐标系上，得到光电惯性稳定平台(6)轴系角速度和

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{bx}^P\\ {\mathrm{\ω}}_{by}^P\\ {\mathrm{\ω}}_{bz}^P\end{array}\right]=C_b^P\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{bx}^b\\ 0\\ {\mathrm{\ω}}_{bz}^b\end{array}\right];$

步骤七：通过步骤五中得到的光电惯性稳定平台(6)的角速度残差和和步骤六中得到的光电惯性稳定平台(6)轴系角速度和计算光电惯性稳定平台(6)系统隔离度R_dx和R_dz：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{dx}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{px}^p}{{\mathrm{\ω}}_{bx}^p}\\ R_{dz}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{pz}^p}{{\mathrm{\ω}}_{bz}^p}\end{array}\right.;$

步骤八：通过频谱分析将步骤七中得到的光电惯性稳定平台(6)系统隔离度绘制成频域内的隔离度曲线。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述宽频带、高精度陀螺仪A(8)和宽频带、高精度陀螺仪B(7)的带宽和精度高于光电惯性稳定平台(6)自身的惯性敏感器件。