基于VC的转台性能指标自动测试系统

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(1.中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033;2.中国科学院大学，北京 100049)

基于VC的转台性能指标自动测试系统

黄厚田1.2，王德江1

(1.中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033;2.中国科学院大学，北京 100049)

转台是惯性导航设备研制和调试过程中的关键设备。随着现代航空、航天技术对惯性导航设备的性能指标要求越来越高，转台的调试难度也越来越大，调试周期也越来越长。传统的转台性能指标测试方法，虽然通过先进测试仪器保证了转台性能指标的测试精度，但是由于主要是靠人工操作，测试过程效率低，且出错几率高。针对这一问题，在VC编程环境下，通过串口通信和以太网口通信控制转台和测试仪器，实现了转台运动的自动控制，转台运动参数的自动采集以及数据的自动分析处理和自动存储，实现了针对转台速率性能指标、位置性能指标和动态响应性能的自动测试，并提供了友好的人机交互界面。测试系统提高了转台性能指标的测试效率和准确性，应用于618所研制的某型转台出所验收工作，验证了测试系统的有效性。

转台;VC;串口通信;以太网口通信;性能测试

0 引言

高精度、高动态性能转台是测试惯性导航系统过程中必备的关键设备[1-3]。随着现代航天、航空技术的发展，对惯性导航系统的性能指标要求越来越高，进而对转台的性能指标要求也越来越高[4]。高性能指标要求大大增加了转台的调试难度，同时也不可避免的延长了转台的调试周期。

在转台的调试过程中，转台的性能指标要进行反复测试，转台的性能指标包括多项内容，其中最主要的性能指标为转台的稳速精度、静态定位精度和动态响应能力[5]。在转台研制和调试过程中这几个指标都需要进行反复的测试，如果采用半自动的性能指标测试方法，会极大地占用调试时间和调试人员精力。

针对现有对转台性能指标的动态测试需求，在VC开发环境下，设计并实现了转台性能指标自动测试系统。

1 转台性能指标自动测试系统组成

转台性能指标自动测试系统主要由2部分组成，即测试仪器(包括频率计数器和光电自准直仪)和主控计算机。被测试对象为测试和仿真转台。

转台性能指标自动测试系统的组成及通信接口如图1所示。

图1 转台性能指标自动测试系统的组成及通信接口

图1中，主控计算机是转台性能指标自动测试系统的核心，通过RS232接口和以太网口，跟转台以及各个测试设备进行通信，控制转台和测试设备完成转台性能指标的自动测试流程，并对测试数据进行计算和处理。主控计算机需要具备RS232通信接口，以太网口接口，以及支持VC编程环境和RTX(Real Time eXchange)实时通信系统的操作系统。

自动测试系统选用的频率计数器是Agilent公司的53132A频率计数器，该计数器的时间间隔分辨率为150ps，支持RS232通信接口。

选用的光电自准直仪是德国Moller-Wedel Optical GmbH公司的ELCOMAT 3000双轴光电自准直仪，该自准直仪的显示分辨率为0.005″，重复性为0.05″。

需要说明的是，光电自准直仪工作时根据安装接口和使用要求，需要在转台台体上安装标准的23面或24面棱体。频率计数器、光电自准直仪以及标准23面棱体均定期由省级计量单位进行标定。

2 转台性能指标测试设计及实现

2.1 转台性能指标测试方法及流程2.1.1 转台性能速率性能指标测试方法及流程

转台速率性能指标测试依据国军标要求采用的是定角测时法，即转台每转过固定角度发出1个电脉冲信号，通过使用频率计数器精确测量这个时间间隔来计算转台的转动速率。

速率测试流程为：

a.初始化设备和调用用户界面设定测试参数，包括设定要测试转台的自由度，要测试内、中、外的哪一环，测试哪个速度下的分辨力。

b.按照设计好的测试速率顺序，给转台发送指令使转台按照要测试速率运动。

c.通过串口从频率计数器处读回数据。

d.当读到足够的数据后，按照国军标算法开始计算这个速率下的速率精度和速率平稳性。计算完成后判断是否已完成所有要测速度的测试，没有完成回到b继续测试下一个速度。

e.将测试结果保存，生成文件以备检查报表使用。

2.1.2 转台性能位置性能指标测试方法及流程

转台位置性能指标测试依据国军标要求，使用光电自准直仪来测试转台转动角度和指令角度之间的偏差，以确定转动的定位精度和定位重复性。

位置测试流程为：

a.初始化设备和调用用户界面设定测试参数，包括设定要测试转台的自由度，要测试转台的哪个轴，转台是否能连续旋转，使用光电自准直仪的哪个测量轴。

b.按照用户设定参数规划测试流程和测试范围。

c.按照测试流程给转台发送位置信号。

d.从测试仪器读回测试数据，并输出到用户界面。

e.判断是否已经读取到所有的数据，若没有重新执行b。

f.读取到所有数据后，进行计算，计算定位精度和重复性。

g.将计算结果输出到用户界面，并将测试数据和计算结果保存到文件。

2.1.3 转台动态响应能力测试方法及流程

频率特性测试不使用测试仪器，测试依据的是转台对信号响应后的位置，利用FFT算法进行频率特性分析，通信接口为以太网口，需要使用RTX实时子系统实时通信。频响测试的基本原理是给转台位置指令，转台根据这个指令运动，然后反馈回来转台的位置信息，一般采样时间在0.5～1ms左右，要求有很高的实时性。串口通信方式无法满足这个实时性要求，以太网接口满足实时性要求，但是Windows自身的实时性不足，需要RTX实时子系统的支持。基于事件响应的Windows进程和RXT实时子系统，通过在操作系统中开辟共享内存进行数据交互。

频率特性测试流程为：

a.设定用户参数，包括测试范围，频率步进值，正弦信号幅值。

b.开辟共享内存。

c.指令生成模块生成自动测试的指令集并保存到共享内存。

d.开启RTX线程。

e.RTX线程从共享内存中读取指令，通过UDP发送给转台。

f.读取转台发回来的位置数据，并保存到共享内存的数组中。

g.等待线程结束关闭RTX线程。

h.主程序从共享内存中读取测试数据，通过和指令进行比，同时对FFT分析。

i.将分析的结果输出到用户界面，并保存到文件。

2.2 转台性能指标测试系统的软件设计及实现2.2.1 转台性能指标测试系统的模块化设计

按照模块化设计思想，转台性能指标自动测试系统可以分为5个模块：通信模块、参数设置模块、指令生成模块、数据处理模块和输出模块。这5个模块按照具体的应用可以继续向下细分，即

a.通信模块包括与频率计数器的串口通信模块，与光电自准直仪的串口通信模块，与转台的串口通信，与转台的网口通信。

b.参数设置模块包括提示测试参数设定，转台参数设定。

c.指令生成模块包括生成对转台的控制指令和对光电自准直仪的控制指令。

卡类型的编码，0：社保卡；1：医保卡；2：全市统一自费就诊卡；3：医院自费卡；4：区内统一自费就诊卡；5：新农合卡；6：居民健康卡；9：其他卡。对于市管干部、在编军人，这里的卡号、卡类型请填写“TS”

d.数据处理模块包括判断数据是否满足要求，包括对整理好的数据进行分析计算，其中又包括计算速率精度、速率平稳性、速率分辨力、位置精度和位置平稳性，计算转台动态响应的幅值比和相位滞后。

e.输出模块主要是把测试数据和计算结果显示到用户界面，并在测试结束后保存到文件。

2.2.2 转台性能指标测试系统的人机界面

转台性能指标自动测试系统的人机主界面如图2所示。由于界面空间问题和实际工作需要，转台的动态性能测试界面做了单独的界面，如图3所示。

为了能够使能测试系统适应不同的转台，需要先设定要测试转台的参数，转台参数设置的界面具体如图2所示。分为不同的功能区域，左侧主要为参数设置区域，右侧主要为结果显示区域。

图2 转台性能指标自动测试系统界面

图3 转台动态性能指标测试界面

为了能够使能测试系统适应不同的转台，需要先设定要测试转台的参数，转台参数设置的界面具体如图4所示。设置的主要参数为转台的轴数，要测试的性能，目前要测试的是转台的哪一环，转台能否连续360°旋转，如果转台不能360°旋转需要设置转台的限位幅度为多大。

转台的位置测试参数设置如图5所示。

图4 转台参数设置区域

图5 位置测试参数设置区域

主要是设置安装在转台的棱体类别，棱体序号，以及使用的是光电自准直仪的哪个轴向。需要说明的是，由于加工精度问题，23面或24面棱体的每个面之间的夹角并不完全相同，在经过标定之后，可以确定不同序号棱体的每个面的偏差，在棱体安装过程中也要注意初始零度对应初始的基准面，这样才能保证转台位置性能指标的测试精度。

转台的速率测试参数设置如图6所示。速率测试参数设置主要设置的是需要测试的速度和分辨力增量，这些设置的依据主要是根据用户需要和转台设计性能指标。

图6 速度参数设置区域

转台动态性能指标测试界面如图7所示。需要说明的是，为了避免转台受到过大的冲击，实际给定转台的控制指令不是标准的正弦信号，二是斜坡正弦信号，斜坡正弦信号在初始阶段是振荡幅值随时间增大的正弦信号，在信号结束阶段是振荡幅值随时间减小的正弦信号，可以有效地减小频率测试过程对转台台体的冲击。

图7 转台动态性能指标测试界面

2.2.3 测试数据处理

速率测试数据处理算法如下所述。

a.转台工作于速率工作状态，使其按给定的速率指令稳定运转，根据要测试的角速度ω选择定角间隔Δθ，将转台定角信号接入数字频率计，待转台以规定的角速度稳定运行后，用数字频率计连续测量10次，得到T1，…，T10。当ω≤0.005 (°)/s时，连续测量3次，得出T1，T2，T3，以减小测试所需时间，这是符合国军标要求的。

b.数据处理及结果评定。

速度精度为：

(1)

速率平稳性为：

(2)

N为按给定速率选定的测量次数。

速率分辨力为：

Rω=|ω′-ω|

(3)

当Rω大于理论规定速率增量的50%时，即为该速率挡的速率分辨力。

c.位置测试算法。

试验前将多面棱体安装在转台被测轴的旋转中心，将光电自准直仪安装在被测轴静止部分或隔振良好的隔振基础上，使光管光轴垂直于棱体面。启动转台使其工作于角位置控制状态下，并且工作正常、稳定。

假设试验采用23面棱体。从被测轴任意角位置θ1开始，使棱体I面对准光管，记下读数a1i，依次给位置指令Ai(i=1，2，…，23)，使被测轴转过棱体规定角度值，记下光管相应读数a1，i。再从θ1开始，反向转动被测轴，重复上述实验，记下光管相应读数a2，i。

e1，i=a1，i+1-a1，i

(4)

e2，i=a2，i+1-a2，i

(5)

e1，i为被测轴正转时，相邻测试点实测值之差；e2，i为被测轴反转时，相邻测试点实测值之差。

位置重复性为:

(6)

N为角位置测量点数。

位置测量精度为：

(7)

测试采用频率响应法，因此，在动态指标调试时，输入输出均为正弦信号。计算机需要对输入输出数据进行FFT分析，才能得到输入输出的幅值和相角，所用到的快速FFT算法为较为常见的普通算法，在这里就不给出推导过程了。

需要注意的是，FFT分析的数据是保存在共享内存中的，进行FFT分析前，要找到这部分数据，并把它们按照测试的频率进行分组，和原指令一起进行FFT分析，这个操作需要在下一组指令发送之前完成，避免新指令覆盖共享内存中的内容。

指令数据保存在共享内存的fCmd数组中，位置相应保存在fPos数组中，每个测试频率保存的数据个数为在该频率测试的时间乘以采样时间的倒数，在分别取出每个测试频率的数据后还要把幅值渐变的正弦信号去掉。

取完数据，计算对应的指令数据的幅值和相移与位置响应的幅值和相移。然后计算指令和位置的幅值比和相移差，就得到最终结果。

3 结束语

为了解决转台调试过程中，性能测试需要反复进行，测试耗时耗力且人为读数易出错的问题，基于VC开发环境开发了转台性能指标自动测试系统，可以实现对转台速率性能指标、位置性能指标和动态响应能力的自动测试，提高了测试效率和测试的正确性。测试系统实现了从控制转台，到控制测试设备，到数据的自动分析计算存储的完整测试流程，已经成功应用于为618所研制的某型转台的出所测试过程，极大地提升了工作效率，缩短了调试时间。后续还希望可以将转台性能指标自动测试系统和转台控制软件相结合，减少通信接口，进一步提高工作效率。

[1] 徐 莉.三轴惯导元件测试转台的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[2] 张锦江，王常虹，陈兴林，等.三轴仿真转台的总体设计与关键技术研究[J]. 系统仿真学报，1999,11(6)：446-449.

[3] Wit C C，Olsson H，Astrom K J，et al. A new model for control of systems with friction[J]. IEEE Transactions on Automatic Control，1995，40(3): 419-425.

[4] 赵 军.转台频域性能测试软件开发及控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[5] 孙 伟，车莉娜，徐爱功.三轴惯性仿真转台的动态性能测试方法[J].压电与声光，2013，35(4)：519-523.

Auto Testing System of the Performance Data of Turntable Based on VC

HUANGHoutian1，2，WANGDejiang1

(1.Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033China;2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Turntable plays a pivot role in the inertial navigation equipment manufacture and debugging. As the modern aviation and aerospace engineering set up higher performance requirement for inertial navigation equipment，the turntable debugging becomes more difficult，and needs more time. Although the traditional testing method ensures the veracity of the test procedure of turntable by using the modern testing instrument，but because of that the testing procedure is mainly finished by manual operation，the testing procedure is inefficiency and fallibility. To solve this problem，based on the VC software，by serial port and Ethernet port controlling the turntable and testing instrument，the auto controlling of the turntable is achieved，the test of speed，position and frequency characteristics of turntables is achieved，and the friendly human-computer interface is provided. The efficiency and veracity of turntable testing is improved by the testing system，and the validity of the testing system is checked by the real testing procedure of some kind of turntable designed for the 618 research institute.

turntable; VC; serial port；ethernet port；performance test

2014-04-23

国家自然科学基金资助项目(61308099)

TP311.52

A

1001-2257(2014)09-0066-05

黄厚田(1986-)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，研究实习员，研究方向为伺服控制。