CN110426058A - 一种激光陀螺仪标度因数测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光陀螺仪标度因数测试系统，包括转台，转台与转台控制柜连接，转台上设置有标度因数测试工装，标度因数测试工装，包括激光陀螺仪、标度因数测试板和电源模块，激光陀螺仪、标度因数测试板均分别与电源模块电性连接；电源模块还通过转台导电环连接有直流稳压源，激光陀螺仪的输出信号与标度因数测试板连接，转台控制柜通过转台导电环与标度因数测试板连接，标度因数测试板通过RS422串口连接标度因数上位机。本发明还公开了激光陀螺仪标度因数测试方法。本发明通过测试工装的集成安装、转台整周期信号的滤波，有效的消除了标度因数测试过程中的主要误差，大大提高了标度因数测试精度。

Description

一种激光陀螺仪标度因数测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于激光陀螺仪测试设备技术领域，具体涉及一种激光陀螺仪标度因数测试系统，还涉及该测试系统的测试方法。

背景技术

激光陀螺是基于Sagnac效应来测量载体相对于惯性空间角增量或者角度率的光学仪器，配合加速度计，能实时解算载体的位置、姿态及速度信息，激光陀螺广泛应用于惯性导航与制导、姿态测量与控制领域。

激光陀螺的标度因数是其输出量与输入量之比，标度因数非线性度和标度因数重复性分别衡量在输入角速率范围内陀螺仪标度因数的最大偏差及同样条件下重复测试陀螺仪标度因数之间的一致程度，该两项指标是激光陀螺的主要性能指标，直接影响导航解算及姿态测量的精度。

激光陀螺标度因数、标度因数重复性及非线性度的测试需要借助高精度速率转台，测量选定转速下转台转动一圈(360°)激光陀螺仪的累计输出脉冲，激光陀螺输出脉冲与转动角度之比即为激光陀螺的标度因数。目前常用的测试方案中，陀螺仪安装在转台上，陀螺仪与供电电源、标度因数测试设备通过转台导电环连接，当转台旋转时，供电电源及陀螺输出信号通过导电环后容易受到电磁干扰，给测量结果带来误差。传统激光陀螺仪的动态范围一般不大于±400°/s，在某些弹载应用上，要求激光陀螺仪能达到±7000°/s的超大动态范围，陀螺仪标度因数非线性度的测试需要覆盖整个动态范围，转台最高转速要达到±7000°/s，转台高速旋转时导电环带来的电磁干扰就尤为明显，导致测量结果超出指标要求。因此，设计一种成本低、操作简单、测量精度高、抗干扰能力强的标度因数测试系统就显得尤其重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光陀螺仪标度因数测试系统，提高了标度因数测试系统的抗干扰能力和测量精度。

本发明的另一目的在于提供一种激光陀螺仪标度因数测试方法。

本发明所采用的第一技术方案是，一种激光陀螺仪标度因数测试系统，包括转台，转台与转台控制柜连接，转台上设置有标度因数测试工装，标度因数测试工装，包括激光陀螺仪、标度因数测试板和电源模块，激光陀螺仪、电源模块以及标度因数测试板均集成安装到转台台面上；激光陀螺仪、标度因数测试板均分别与电源模块电性连接；电源模块还通过转台导电环连接有直流稳压源，激光陀螺仪的输出信号与标度因数测试板连接，转台控制柜通过转台导电环与标度因数测试板连接，标度因数测试板通过RS422串口连接标度因数上位机。

本发明的特点还在于，

电源模块，包括依次电性连接的EMI滤波模块、DC/DC功率变化模块及纹波衰减模块；直流稳压源为28V直流电源；直流稳压源输出+28V直流电，通过转台导电环连接至电源模块的输入端EMI滤波模块，DC/DC功率变换模块将+28V电源转换成±15V、±5V电源，纹波衰减模块对±15V、±5V输出电源的纹波进行衰减。

标度因数测试板，包括电阻R5、电源芯片U8、电源芯片U7，电阻R5一端接转台的整周期信号的正极，电阻R5另一端分别接电阻R2一端、电阻R6一端，电阻R2另一端接FPGA的C16管脚，电阻R6另一端分别接电阻R9一端、电容C5一端、电源芯片U8的管脚1、电容C6一端，电阻R9另一端接转台整周期信号的负极，电容C5另一端接电源芯片U8的管脚3，电容C6另一端接电源芯片U8的管脚2，电源芯片U8的管脚1接地，电源芯片U8的管脚3接+5V电源，电源芯片U7的管脚1分别接电容C3一端、电容C4一端，电容C3另一端接电源芯片U7的管脚3，电容C4另一端接电源芯片U7的管脚2，电源芯片U7的管脚3接+5V电源，电源芯片U7的管脚2接串口芯片U5管脚1，串口芯片U5管脚3接FPGA的P9管脚，串口芯片U5管脚4接地，串口芯片U5管脚5接RS422串口TXD+，串口芯片U5管脚6接RS422串口TXD-，电阻R7一端接激光陀螺仪的输出信号ATTL，电阻R7另一端接FPGA的J16管脚，电阻R10一端接激光陀螺仪的输出信号BTTL，电阻R10另一端接FPGA的L16管脚，电阻R34一端接FPGA的J1管脚，电阻R34另一端接晶振X1的管脚3，晶振X1的管脚2接电容C8一端、GND，电容C8另一端分别接+3.3V电源、晶振X1的管脚4、电阻R33一端，电阻R33另一端分别接FPGA的K1管脚、电容C7一端，电容C7另一端接地。

电源芯片U7型号为TLV1117LV33DCYR；电源芯片U8型号为TLV117112DCYR；FPGA型号为XC3S400AN；串口芯片U5型号为ADM3490ARZ；晶振X1为24.576MHZ。

标度因数上位机，包括采集模块、数据解算模块、数据显示模块，数据存储模块及转台控制模块，转台控制模块通过RS232与转台控制柜连接，用于控制转台的转动。

本发明所采用的另一技术方案是，一种激光陀螺仪标度因数测试方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，打开直流稳压源，给激光陀螺仪和标度因数测试板供电，对激光陀螺仪进行不小于30min的预热；

步骤2，转台控制模块向转台控制柜发送指令，控制转台按照特定角度率进行转动，角度率依次分别为±1000°/s、±2000°/s、±3000°/s、±4000°/s、±5000°/s、±6000°/s、±7000°/s，采集模块通过RS422串口进行数据采集，数据解算模块先对数据进行校验和判断，然后对数据进行解算，转换成陀螺仪脉冲数，最后对两个整周期信号之间的陀螺脉冲数进行累加，按照国军标2427的方法，计算陀螺仪标度因数、标度因数非线性度及标度因数重复性。

本发明的有益效果是，

通过标度因数测试工装将激光陀螺仪、电源模块和标度因数测试板集成安装到转台上，电源模块滤波后的供电电源、陀螺仪输出信号不经过转台导电环进行传输，同时对通过导电环传输的转台整周期信号进行滤波处理，最大程度上避免或滤除导电环带来的电磁干扰，提高了标度因数测试系统的抗干扰能力和测量精度。

附图说明

图1为本发明一种激光陀螺仪标度因数测试系统的结构示意图；

图2为本发明一种激光陀螺仪标度因数测试系统中标度因数测试板的电路图；

图3为本发明一种激光陀螺仪标度因数测试系统中4倍频鉴相电路原理框图；

图4为本发明一种激光陀螺仪标度因数测试方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种激光陀螺仪标度因数测试系统，如图1所示，包括转台，转台与转台控制柜连接，转台上设置有标度因数测试工装，标度因数测试工装，包括激光陀螺仪、标度因数测试板和电源模块，激光陀螺仪、电源模块以及标度因数测试板均集成安装到转台台面上；

激光陀螺仪、标度因数测试板均分别与电源模块电性连接；

电源模块还通过转台导电环连接有直流稳压源，直流稳压源为28V直流电源；

电源模块，包括依次电性连接的EMI滤波模块、DC/DC功率变化模块及纹波衰减模块；

直流稳压源输出+28V直流电，通过转台导电环连接至电源模块的输入端EMI滤波模块，EMI滤波模块能有效的滤除噪声干扰，DC/DC功率变换模块将+28V电源转换成陀螺仪及标度因数测试板工作所需的±15V、±5V电源，纹波衰减模块对±15V、±5V输出电源的纹波进行衰减，提高输出电源的质量，电源模块的输出端为±15V、±5V，其中+15V及±5V输出端连接激光陀螺仪，给激光陀螺仪供电，-15V及±5V输出端连接至标度因数测试板，给标度因数测试板供电；

标度因数测试板，如图2所示，包括电阻R5，电阻R5一端接转台整周期信号的正极，电阻R5另一端分别接电阻R2一端、电阻R6一端，电阻R2另一端接FPGA的C16管脚，电阻R6另一端分别接电阻R9一端、电容C5一端、电源芯片U8的管脚1、电容C6一端，电阻R9另一端接转台整周期信号的负极，电容C5另一端接电源芯片U8的管脚3，电容C6另一端接电源芯片U8的管脚2，电源芯片U8的管脚1接地，电源芯片U8的管脚3接+5V电源，电源芯片U7的管脚1分别接电容C3一端、电容C4一端，电容C3另一端接电源芯片U7的管脚3，电容C4另一端接电源芯片U7的管脚2，电源芯片U7的管脚3接+5V电源，电源芯片U7的管脚2接串口芯片U5管脚1，串口芯片U5管脚3接FPGA的P9管脚，串口芯片U5管脚4接地，串口芯片U5管脚5接RS422串口TXD+，串口芯片U5管脚6接RS422串口TXD-，电阻R7一端接激光陀螺仪输出信号ATTL，电阻R7另一端接FPGA的J16管脚，电阻R10一端接激光陀螺仪输出信号BTTL，电阻R10另一端接FPGA的L16管脚，电阻R34一端接FPGA的J1管脚，电阻R34另一端接晶振X1的管脚3，晶振X1的管脚2接电容C8一端、GND，电容C8另一端分别接+3.3V电源、晶振X1的管脚4、电阻R33一端，电阻R33另一端分别接FPGA的K1管脚、电容C7一端，电容C7另一端接地。

电源芯片U7型号为TLV1117LV33DCYR。

电源芯片U8型号为TLV117112DCYR。

FPGA型号为XC3S400AN。

串口芯片U5型号为ADM3490ARZ。

晶振X1为24.576MHZ。

激光陀螺仪输出ATTL、BTTL分别通过限流电阻R9与R10连接至FPGA的L16与G16管脚，为了将这两路方波信号转换成计数脉冲数，需要在FPGA中对这两路信号进行采集、鉴相、计数和滤波处理，为了提高激光陀螺的分辨率，本发明采用4倍频鉴相电路进行实现，如图3所示，其中ATTL和BTTL为陀螺仪输出的两路方波信号，CCW和CW分别为逆时针、顺时针4倍频脉冲信号，具体实现方式是利用两级D触发器对ATTL和BTTL两路信号进行延迟，延迟后的信号为A1、A2和B1、B2，对A2和B1信号进行异或运算，得到信号C1，对A1和B2信号进行异或运算，得到信号C2，将信号C2取反，与信号C1进行与运算，将信号C1取反，与信号C2进行与运算，得到最终的4倍频鉴相输出CW和CCW，4倍频鉴相输出的信号利用16位增减计数器进行计数，当采样信号到来时，对正脉冲进行增计数，负脉冲进行减计数，从而得到陀螺仪累计脉冲数。为了防止计数器数据溢出，在下一个采样信号到来时，需要将计数器计数结果输出，同时将计数器清零。由于解算后的陀螺累计脉冲数包含陀螺仪机械抖动信号，需要对该信号进行滤除，本发明通过低通滤波器滤除激光陀螺仪的机械抖动信息，激光陀螺仪的机抖频率为800Hz左右，远高于载体的运动频率，因此利用低通数字滤波器，能够很好的滤除陀螺仪机械抖动信号产生的脉冲数，得到反应转台转动角速度的陀螺仪脉冲数。低通滤波器的技术指标为：

采样频率：8kHz

通带频率：100Hz

截止频率：125Hz

阻带衰减：80dB

通带起伏：1

解调后的陀螺仪脉冲数与整周期信号通过RS422串口发送至上位机测试软件，RS422串口通信功能通过ADM3490ARZ芯片实现，如图2所示，陀螺仪脉冲数FPGA-TXD通过FAGA的P9管脚发送到ADM3490ARZ芯片的管脚3，管脚1为ADM3490ARZ芯片的供电端，连接VCC_3.3V，管脚4接地，管脚5和管脚6分别为RS422串口的TXD+和TXD-。

激光陀螺仪输出信号与标度因数测试板连接，转台整周期信号通过导电环与标度因数测试板连接，标度因数采集陀螺仪输出信号和转台整周期信号，并通过RS422串口发送至标度因数上位机。

标度因数上位机，包括采集模块、数据解算模块、数据显示模块，数据存储模块及转台控制模块，转台控制模块向转台控制柜发送指令，控制转台按照特定角度率进行转动，采集模块通过RS422串口进行数据采集，数据解算模块先对数据进行校验和判断，然后对数据进行解算，转换成陀螺仪脉冲数，最后对两个整周期信号之间的陀螺脉冲数进行累加，按照国军标2427的方法，计算陀螺仪标度因数、标度因数非线性度及标度因数重复性，数据显示模块实时显示测量结果，数据存储模块对测试数据进行存储。

转台控制模块通过RS232与转台控制柜连接，用于控制转台的转动。

本发明一种激光陀螺仪标度因数测试系统，其具体工作原理是：

将激光陀螺仪、电源模块及标度因数测试板通过标度因数测试工装安装在转台上，通过电源模块给激光陀螺仪及标度因数测试板供电，激光陀螺仪随转台分别按照±1000°/s、±2000°/s、±3000°/s、±4000°/s、±5000°/s、±6000°/s、±7000°/s的角速率进行匀速转动n圈，通常取n等于10，标度因数测试板采集陀螺输出信号及转台整周期信号，在FPGA中将陀螺输出信号转换成计数脉冲，计数脉冲与整周期信号通过ADM3490ARZ芯片，利用RS422串口发送至标度因数上位机上，上位机以整周期信号为计数标志，对每两个整周期信号上升沿之间的脉冲数进行累加，当整周期信号上升沿到来时，开始对脉冲数进行累加，直至下一个整周期信号的上升沿到来时累加结束，得到转台转动一圈(360°)对应的陀螺输出脉冲数，为了减小误差，提高测量精度，分别控制转台进行正转和反转10圈，计算陀螺仪正转和反转10圈的累计脉冲数，累计脉冲数除以转动圈10，得到陀螺仪正转和反转一圈的平均脉冲数，依据国军标2427激光陀螺仪测试方法中的公式，计算陀螺仪的标度因数、标度因数非线性度及标度因数重复性。

本发明一种激光陀螺仪标度因数测试方法，如图4所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，打开直流稳压源，给陀螺仪和标度因数测试板供电，对陀螺仪进行不小于30min的预热；

步骤2，转台控制模块向转台控制柜发送指令，控制转台按照特定角度率进行转动，采集模块通过RS422串口进行数据采集，数据解算模块先对数据进行校验和判断，然后对数据进行解算，转换成陀螺仪脉冲数，最后对两个整周期信号之间的陀螺脉冲数进行累加，按照国军标2427的方法，计算陀螺仪标度因数、标度因数非线性度及标度因数重复性。

角度率依次分别为±1000°/s、±2000°/s、±3000°/s、±4000°/s、±5000°/s、±6000°/s、±7000°/s；

本发明通过测试工装的集成安装、转台整周期信号的滤波，有效的消除了标度因数测试过程中的主要误差，大大提高了标度因数测试精度，通过上位机测试软件，自动控制转台，实现标度因数的自动化测试，降低了测试成本。同时上位机软件能直观的显示标度因数测试过程中的各项数据，软件界面友好，操作简单，为超大动态范围激光陀螺仪标度因数的测试提供了良好的测试手段。

Claims (7)

1.一种激光陀螺仪标度因数测试系统，其特征在于，包括转台，所述转台与转台控制柜连接，所述转台上设置有标度因数测试工装，所述标度因数测试工装，包括激光陀螺仪、标度因数测试板和电源模块，所述激光陀螺仪、电源模块以及标度因数测试板均集成安装到转台台面上；所述激光陀螺仪、标度因数测试板均分别与电源模块电性连接；所述电源模块还通过转台导电环连接有直流稳压源，所述激光陀螺仪的输出信号与标度因数测试板连接，转台控制柜通过转台导电环与标度因数测试板连接，标度因数测试板通过RS422串口连接标度因数上位机。

2.根据权利要求1所述的一种激光陀螺仪标度因数测试系统，其特征在于，所述电源模块，包括依次电性连接的EMI滤波模块、DC/DC功率变化模块及纹波衰减模块；所述直流稳压源为28V直流电源；所述直流稳压源输出+28V直流电，通过转台导电环连接至电源模块的输入端EMI滤波模块，所述DC/DC功率变换模块将+28V电源转换成±15V、±5V电源，纹波衰减模块对±15V、±5V输出电源的纹波进行衰减。

3.根据权利要求2所述的一种激光陀螺仪标度因数测试系统，其特征在于，所述标度因数测试板，包括电阻R5、电源芯片U8、电源芯片U7，电阻R5一端接转台的整周期信号的正极，电阻R5另一端分别接电阻R2一端、电阻R6一端，电阻R2另一端接FPGA的C16管脚，电阻R6另一端分别接电阻R9一端、电容C5一端、电源芯片U8的管脚1、电容C6一端，电阻R9另一端接转台整周期信号的负极，电容C5另一端接电源芯片U8的管脚3，电容C6另一端接电源芯片U8的管脚2，电源芯片U8的管脚1接地，电源芯片U8的管脚3接+5V电源，电源芯片U7的管脚1分别接电容C3一端、电容C4一端，电容C3另一端接电源芯片U7的管脚3，电容C4另一端接电源芯片U7的管脚2，电源芯片U7的管脚3接+5V电源，电源芯片U7的管脚2接串口芯片U5管脚1，串口芯片U5管脚3接FPGA的P9管脚，串口芯片U5管脚4接地，串口芯片U5管脚5接RS422串口TXD+，串口芯片U5管脚6接RS422串口TXD-，电阻R7一端接激光陀螺仪的输出信号ATTL，电阻R7另一端接FPGA的J16管脚，电阻R10一端接激光陀螺仪的输出信号BTTL，电阻R10另一端接FPGA的L16管脚，电阻R34一端接FPGA的J1管脚，电阻R34另一端接晶振X1的管脚3，晶振X1的管脚2接电容C8一端、GND，电容C8另一端分别接+3.3V电源、晶振X1的管脚4、电阻R33一端，电阻R33另一端分别接FPGA的K1管脚、电容C7一端，电容C7另一端接地。

4.根据权利要求3所述的一种激光陀螺仪标度因数测试系统，其特征在于，所述电源芯片U7型号为TLV1117LV33DCYR；所述电源芯片U8型号为TLV117112DCYR；所述FPGA型号为XC3S400AN；所述串口芯片U5型号为ADM3490ARZ；所述晶振X1为24.576MHZ。

5.根据权利要求1所述的一种激光陀螺仪标度因数测试系统，其特征在于，所述标度因数上位机，包括采集模块、数据解算模块、数据显示模块，数据存储模块及转台控制模块，所述转台控制模块通过RS232与转台控制柜连接，用于控制转台的转动。

6.一种激光陀螺仪标度因数测试方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，打开直流稳压源，给激光陀螺仪和标度因数测试板供电，对激光陀螺仪进行不小于30min的预热；

步骤2，转台控制模块向转台控制柜发送指令，控制转台按照特定角度率进行转动，采集模块通过RS422串口进行数据采集，数据解算模块先对数据进行校验和判断，然后对数据进行解算，转换成陀螺仪脉冲数，最后对两个整周期信号之间的陀螺脉冲数进行累加，按照国军标2427的方法，计算陀螺仪标度因数、标度因数非线性度及标度因数重复性。

7.根据权利要求6所述的一种激光陀螺仪标度因数测试方法，其特征在于，所述步骤2中，角度率依次分别为±1000°/s、±2000°/s、±3000°/s、±4000°/s、±5000°/s、±6000°/s、±7000°/s。