CN113654574B

CN113654574B - 高频大推力动态测试摇摆台及其测试方法

Info

Publication number: CN113654574B
Application number: CN202111214159.XA
Authority: CN
Inventors: 李汉舟
Original assignee: Shenzhen Osno Navigation Technology Co ltd
Current assignee: Guangdong Osno Industry Co.,Ltd.
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2041-10-19
Also published as: CN113654574A

Abstract

本发明实施例公开了一种高频大推力动态测试摇摆台及其测试方法，所述高频大推力动态测试摇摆台包括转轴、转盘和液压驱动机构，液压驱动机构由液压泵、数字液压阀、数字液压缸以及对应油路组成。本发明可采用现有的数字高压液压控制技术来驱动数字液压缸提供非整圆周摇摆运动，结构简单，实现了大负载、高频率、高精度的技术效果。

Description

高频大推力动态测试摇摆台及其测试方法

技术领域

本发明涉及惯性导航系统测试技术领域，尤其涉及一种高频大推力动态测试摇摆台及其测试方法。

背景技术

惯性导航系统（Inertia Navigation System，INS）是导弹、舰船、飞机、战车等移动载体运动信息最主要的来源，是先进移动武器系统必不可少的传感器，具有精度高、量程大、响应快、不受外界干扰等特点。为了能够正常工作，INS需要在使用前通过精确的运动激励，测试标定出其性能指标，标定试验主要分为静态测试和动态测试。常见的静态测试方法有：平板标定、速率转台施加匀速转动、分度头重力场标定等；常见的动态测试方法有：随机振动、离心机、火箭撬等。静态测试主要用于INS工具误差参数标定和误差模型的建立。由于受到设备、场地、精度、带宽等限制，目前INS大多只做静态测试，缺乏能够在实验室使用的动态测试试验手段和设备，因此利用新型技术手段，研发出能够在实验室使用且使用成本比较低的动态测试设备，对惯性导航领域的发展至关重要。

在INS动态指标体系中，系统带宽是一个非常重要的指标。带宽代表了运动载体的机动性能，表征了INS能够敏感的运动参数的最快变化速度，是INS的核心指标之一。对INS和惯性仪表来说，带宽的标准测试设备是摇摆台。该设备使用时，要求摇摆台带动INS或惯性仪表以正弦规律高速摆动，其摆动频率最高达到几百赫兹以上。由于摇摆台的电动机转子、转台台面转动惯量本身就比较大，再加上INS本体重量，整个回转系统的转动惯量就会更大，因此目前摇摆台的高频带负载能力都比较弱，负载重量一般在几百克以内（与外形或转动惯量有关），实际使用时仅仅能够满足测试单个陀螺带宽要求。在工程实践中，由于缺乏试验手段和设备，INS整机级带宽测试往往采用单表测试结果或电信号等效激励等方法得到，不能全面验证INS产品是否能够满足载体运动特性要求。随着激光陀螺、光纤陀螺、MEMS陀螺等新型惯性器件的大量应用，INS的动态性能大幅提升，这些新型惯性器件相应地对其动态测试设备性能也提出了更高的要求。因此，研发一种大负载、高频率INS动态测试摇摆台，实现INS整机带宽测试对惯性领域具有重要意义。

通过专利和文献检索，摇摆台在INS测试和带宽测试方面已经有大量应用，例如：

申请号200710066969.9 ，发明名称为“光纤陀螺带宽测评系统”的专利，采用摇摆台只能给单个陀螺施加正弦摇摆激励，并通过光电转换和数字低通滤波的方式得到陀螺带宽。该专利只是使用现有摇摆台，并没有提出对摇摆台的改进和权利要求，其测试带宽受制于摇摆台的负载和带宽；申请号201410216924.5 基于六自由度摇摆台的动中通天线跟踪性能检测方法，采用六个直线电机实现了一种六自由度摇摆台，可以在航行、横滚、俯仰三个方向往复转动，以及在纵向、横向、升降三个方向上的往复平动，定量模拟各种载体的运动状态。其负载可以达到120kg，但频率最高只能达到20Hz，无法满足100Hz以上的高动态惯性导航系统带宽测试要求；申请号201410750750726.7 ，发明名称为“一种红外制导导弹测试设备及其测试方法”的专利，描述了一种导弹测试方法，采用摇摆台带动导弹做正弦摇摆运动幅度为4°和1°，摇摆频率仅为1Hz，与本专利大负载高带宽目标不同。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种高频大推力动态测试摇摆台及其测试方法，以实现大负载、高频率的测试需求。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种高频大推力动态测试摇摆台，由转轴和转盘组成，所述高频大推力动态测试摇摆台还包括驱动摇摆台运动的液压驱动机构。

进一步地，液压驱动机构由液压泵、数字液压阀、数字液压缸、油路组成。

进一步地，所述高频大推力动态测试摇摆台还包括下位机以及上位机控制台，下位机采用PLC或嵌入式控制系统完成对数字液压阀的闭环伺服控制，上位机控制台采集用户设定的摇摆幅度、摇摆频率、初始相位、负载重量、摇摆运动时间、选择内同步还是外同步、同步信号频率、同步锁存时机、同步补偿相位角参数信息，通过通信电缆将信息下达到下位机。

进一步地，所述摇摆台的转轴上固联角度传感器，角度传感器接收上位机控制台发来的同步锁存频率信号，从而锁存摇摆台角度传感器的实时角度测量结果，用于时间同步或相位补偿。

进一步地，上位机控制台包含内同步和外同步两者同步方式，其中，内同步是指由上位机控制台产生同步信号，同时输出给摇摆台角度传感器和惯性导航系统；外同步是惯性导航系统产生同步信号，同时输出给上位机控制台和摇摆台角度传感器。

进一步地，上位机控制台根据同步信号设置参数，采集摇摆台角度传感器数据，并将该数据和惯性导航系统输出数据对比，得到惯性导航系统的带宽、幅频特性、相频特性、谐振峰值、谐振频率参数。

进一步地，所述摇摆台为单轴摇摆台或双轴摇摆台或三轴摇摆台。

相应地，本发明实施例还提供了一种高频大推力动态测试摇摆台的测试方法，包括：

步骤1：将待测的IMU安装在高频大推力动态测试摇摆台的转盘上，其中，IMU的被测轴与转轴平行；

步骤2：对待测的IMU进行上电预热；

步骤3：设定高频大推力动态测试摇摆台的摇摆参数与时间同步源，根据设定启动高频大推力动态测试摇摆台；

步骤4：记录高频大推力动态测试摇摆台输出的摇摆频率和摇摆幅度数据，同时记录待测的IMU的陀螺和加速度计输出的信号；

步骤5：对记录的数据和信号进行处理，并根据处理结果计算IMU的频域特征参数。

步骤1：将待测的INS安装在高频大推力动态测试摇摆台的转盘上，其中，INS的被测轴与转轴平行；

步骤2：对待测的INS进行上电预热；

步骤3：设定高频大推力动态测试摇摆台的摇摆参数与时间同步源，INS初始对准，根据设定启动高频大推力动态测试摇摆台；

步骤4：记录高频大推力动态测试摇摆台输出的摇摆频率和摇摆幅度数据，同时记录待测的INS输出角速度、线速度以及姿态、位移信号；

步骤5：对记录的数据和信号进行处理，并根据处理结果计算INS的频域特征参数。

本发明的有益效果为：本发明可采用现有的数字高压液压控制技术来驱动数字液压缸提供非整圆周摇摆运动，结构简单，实现了大负载、高频率、高精度、低成本的技术效果。

附图说明

图1是本发明实施例1的高频大推力动态测试摇摆台的结构示意图。

图2是本发明实施例2的高频大推力动态测试摇摆台的结构示意图。

图3是本发明实施例3的高频大推力动态测试摇摆台的结构示意图。

图4是本发明实施例4的高频大推力动态测试摇摆台的结构示意图。

图5是本发明实施例3的高频大推力动态测试摇摆台的主视图。

图6是图5中A-A处的剖视图。

图7是本发明实施例3的高频大推力动态测试摇摆台的俯视图。

图8是本发明实施例3的高频大推力动态测试摇摆台的内部结构图。

图9是本发明实施例在IMU状态下的高频大推力动态测试摇摆台的测试方法的流程示意图。

图10是本发明实施例在INS状态下的高频大推力动态测试摇摆台的测试方法的流程示意图。

附图标号说明

转轴1，转盘2，液压缸3，液压摆缸4，指示灯5，底座6，外罩7，触摸屏8，液压站9，减压阀10，溢流阀11，单向节流阀12，换向阀13，背压阀14。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中若有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

请参照图1～图8，本发明实施例的高频大推力动态测试摇摆台主要由液压驱动机构、转轴和转盘组成。具体的，摇摆台还包括底座、触摸屏、指示灯、外罩、液压站、减压阀、溢流阀、单向节流阀、换向阀、背压阀。液压驱动机构由液压泵、数字液压阀、数字液压缸、油路等部件组成。

作为一种实施方式，所述高频大推力动态测试摇摆台还包括下位机以及上位机控制台，下位机采用PLC或嵌入式控制系统完成对数字液压阀的闭环伺服控制，上位机控制台采集用户设定的摇摆幅度、摇摆频率、初始相位、负载重量、摇摆运动时间、选择内同步还是外同步、同步信号频率、同步锁存时机、同步补偿相位角参数信息，通过通信电缆将信息下达到下位机。

作为一种实施方式，摇摆台的转轴上固联角度传感器，角度传感器接收上位机控制台发来的同步锁存频率信号，从而锁存摇摆台角度传感器的实时角度测量结果，用于时间同步或相位补偿。

作为一种实施方式，上位机控制台包含内同步和外同步两者同步方式，其中，内同步是指由上位机控制台产生同步信号，同时输出给摇摆台角度传感器和惯性导航系统；外同步是惯性导航系统产生同步信号，同时输出给上位机控制台和摇摆台角度传感器。

作为一种实施方式，上位机控制台根据同步信号设置参数，采集摇摆台角度传感器数据，并将该数据和惯性导航系统输出数据对比，得到惯性导航系统的带宽、幅频特性、相频特性、谐振峰值、谐振频率参数，参数计算公式如下：

（1）带宽计算

设定摇摆输入激励为：

（1）

其中：

A为输入摇摆幅值；

ω为输入摇摆角频率；

t为时间；

INS或IMU的信号输出函数为：

（2）

其中：

A’为被测产品输出摇摆幅值；

ω为被测产品输出摇摆角频率；

不断提高输入摇摆角频率ω，记录输出摇摆幅值A’，直到：

（3）

则此时对应的摇摆角频率ω _b，即为带宽角频率。

（2）闭环幅频特性曲线测试

在（1）中，随着输入摇摆角频率ω不断提高，可以得到该产品某一信号的闭环幅频特性为：

（4）

（3）闭环谐振峰值和闭环谐振频率

闭环幅频特性曲线上的最大值即为谐振峰值M；其对应的频率为闭环谐振频率ω _r;

(4) 相频特性测试

与闭环幅频特性一样，从低频开始做摇摆运动，在摇摆台工作时，利用同步锁存信号锁存INS或IMU输出数据，同时锁存摇摆台角度传感器数据，形成两组具有时间对应关系的数据对。将IMU或INS输出数据序列和摇摆台角度传感器数据对形成的时间序列画在一张图上，就会得到两个频率相同但相位不同的正弦曲线。求出其相位差

。随着摇摆频率的增加可以得到：

（5）

即为相频特性。

作为一种实施方式，摇摆台为单轴摇摆台或双轴摇摆台或三轴摇摆台。

作为一种实施方式，数字液压缸采用单液压缸或两个液压缸或液压马达或液压摆缸。其中，两个液压缸时，采取同侧设置或异侧设置的方式，通过铰链连接转盘。单液压缸驱动方式，结构简单，但是会产生一定冲击和振动以及噪音。在负载较大时，采用两个液压缸差动驱动方式，抵消冲击和振动，使得工作平稳。两个液压缸安装位置可选在同一侧（紧凑），也可分别安装在异侧（控制精度高）。若使用高速液压马达或液压摆缸则不存在上述问题。

本发明通过转轴和铰链将液压缸输出的直线往复运动转变成角度往复运动。本发明可采用数字高压液压控制技术（即数字液压伺服系统，数字液压伺服系统包括液压泵、数字液压阀和相关油路）驱动液压缸，实现了高频大推力往复运动。

作为一种实施方式，转轴上设有角度传感器。在摇摆台的转轴上固联角度传感器，其读取电路可以接收上位机控制台发来的同步锁存频率信号，从而锁存摇摆台角度传感器的实时角度测量结果，并由读取电路读出来，发送到上位机控制台，用于时间同步和/或相位补偿。

请参照图4，本发明实施例的高频大推力动态测试摇摆台包括高速液压摆缸、转轴及设于转轴上的转盘。高速液压摆缸与转盘通过铰链连接，驱动转盘摆动。

作为一种实施方式，转轴上设有角度传感器。角度传感器的输出可以作为控制信号对摇摆运动的位置精度和摇摆速度进行控制，也可以作为摇摆台位置检测信号直接输出到控制台，用于惯性导航系统的相频特性测试。

液压摆缸可以提供非整圆周摇摆运动，是本发明实施例最理想的驱动机构，但是高速大推力液压摆缸摇摆力臂固定，无法采用机械杠杆放大驱动力量，在高频时其驱动能力有限，而且该元件价格昂贵。为此，本发明提出的液压驱动机构供摇摆常见的直线油缸，将液压缸的线运动转变成转盘的角运动时，小负载摇摆台可以采用单液压缸驱动，这种配置会产生一定冲击和振动以及噪音。在负载较大时，采用两个液压缸差动驱动方式，抵消冲击和振动，使得工作平稳。两个液压缸安装位置可选在同一侧（设备紧凑，体积小），也可分别安装在两侧（控制简单，精度较高），液压缸优选采用可调双向缓冲液压缸。使用液压马达或液压摆缸则不存在上述问题。

表1分别列出了这四种实施方式，分别为单缸驱动，双缸同侧驱动，双缸两侧驱动，和液压摆缸驱动方式，这四种驱动方式的结构简图和优缺点对比见表1。

本发明可以用于单轴摇摆台也可以用于双轴或三轴摇摆台，采用与现有双轴或三周转台相似的结构方式，利用本发明可以方便实现两轴或三轴摇摆台。

用户可通过上位机控制台设定摇摆幅度、摇摆频率、初始相位、负载重量、摇摆运动时间、选择内同步还是外同步、同步信号频率、同步锁存时机、同步补偿相位角（或同步时间补偿量）等参数，通过通信电缆将信息下达到下位机，而下位机采用PLC或嵌入式控制系统完成对数字液压阀的闭环伺服控制，实现对高频大推力动态测试摇摆台的控制。

上位机控制台可以有两种同步方式选择：内同步和外同步。内同步是指由上位机控制台产生同步信号，同时输出给摇摆台的角度传感器读取电路和惯性导航系统；外同步是惯性导航系统产生同步信号，同时输出给控制台和摇摆台的角度传感器读取电路。

本发明可以对惯性导航系统的角运动测量通道（陀螺通道或航向、俯仰、横滚通道的角加速度、角速度、角位移）的频域特性做全面测试，包括带宽、幅频特性、相频特性、谐振峰值、谐振频率等。

由于将惯性导航系统安装在转盘上时，不可能正好将三个加速度计敏感轴与转盘的转轴重合，必然有一个距离，而偏心距离与角加速度之积就是加速度，因此在转盘做摇摆运动时，其角加速度也是一个正弦信号。因此，通过调整加速度计敏感轴和摇摆台转轴之间距离，就可以利用本发明的摇摆台对加速度计施加输入信号，测试出加速度计通道的频域特性，包括带宽、幅频特性、相频特性、谐振峰值、谐振频率等。

上位机控制台将根据同步信号设置参数，采集摇摆台角度传感器数据。将该数据和惯性导航系统输出数据对比就可以确定惯性导航系统的带宽、幅频特性、相频特性、谐振峰值、谐振频率等参数。

惯性导航系统可以工作在两种状态，分别是惯性测量单元状态（InertiaMeasurement Unit，IMU）和惯性导航状态（Inertia Navigation System， INS）。这两种状态区别为：INS中运行的是导航程序，可以输出位置、姿态等导航信息；而IMU中运行的只有数据采集程序，只能输出三个陀螺和三个加速度计的传感器测量结果。因此，根据被测系统中运行的程序工作状态，本发明的摇摆台可以测试出IMU状态下三个陀螺和三个加速度计及其配套电路共同工作条件下的频域特性或INS状态下航向通道、横滚通道和俯仰通道的频域特性，以及前向速度通道、横法向速度通道、天向速度通道的频域特性。以上频域特性包括带宽、幅频特性、相频特性、谐振峰值、谐振频率等。

请参照图9，被测惯性导航系统工作在IMU状态下的测试方法，包括：

步骤2：对待测的IMU进行上电预热；

请参照图10，被测系统工作在INS状态下的测试方法，包括：

步骤2：对待测的INS进行上电预热；

步骤4：记录高频大推力动态测试摇摆台输出的摇摆频率和摇摆幅度数据，同时记录待测的INS输出角速度、线速度以及姿态、位移等信号；

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims

1.一种高频大推力动态测试摇摆台，由转轴和转盘组成，其特征在于，所述摇摆台还包括驱动摇摆台运动的液压驱动机构；

液压驱动机构由液压泵、数字液压阀、数字液压缸、油路组成；

所述高频大推力动态测试摇摆台还包括下位机以及上位机控制台，下位机采用PLC或嵌入式控制系统完成对数字液压阀的闭环伺服控制，上位机控制台采集用户设定的摇摆幅度、摇摆频率、初始相位、负载重量、摇摆运动时间、选择内同步还是外同步、同步信号频率、同步锁存时机、同步补偿相位角参数信息，通过通信电缆将信息下达到下位机；

所述摇摆台的转轴上固联角度传感器，角度传感器接收上位机控制台发来的同步锁存频率信号，从而锁存摇摆台角度传感器的实时角度测量结果，用于时间同步或相位补偿；

上位机控制台包含内同步和外同步两者同步方式，其中，内同步是指由上位机控制台产生同步信号，同时输出给摇摆台角度传感器和惯性导航系统；外同步是惯性导航系统产生同步信号，同时输出给上位机控制台和摇摆台角度传感器；

上位机控制台根据同步信号设置参数，采集摇摆台角度传感器数据，并将该数据和惯性导航系统输出数据对比，得到惯性导航系统的带宽、幅频特性、相频特性、谐振峰值、谐振频率参数。

2.如权利要求1所述的高频大推力动态测试摇摆台，其特征在于，所述摇摆台为单轴摇摆台或双轴摇摆台或三轴摇摆台。

3.一种如权利要求1-2中任一项所述的高频大推力动态测试摇摆台的测试方法，其特征在于，包括：

步骤2：对待测的IMU进行上电预热；

4.一种如权利要求1-2中任一项所述的高频大推力动态测试摇摆台的测试方法，其特征在于，包括：

步骤2：对待测的INS进行上电预热；

步骤4：记录高频大推力动态测试摇摆台输出的摇摆频率和摇摆幅度数据，同时记录待测的INS输出的角速度、线速度以及姿态、位移信号；