某伺服系统实时性自动化测试优化设计.pdf
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1、计算机测量与控制 ()C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&C o n t r o l 测试与故障诊断 收稿日期:;修回日期:.作者简介:祝军生(),男,江西宜春人,在读博士研究生,研究员,主要从事信息对抗、伺服系统、复杂装备研制和管理方向的研究.引用格式:祝军生,方志耕,冯敏洁,等某伺服系统实时性自动化测试优化设计J计算机测量与控制,():,文章编号:()D O I:/j c n k i /t p 中图分类号:T P 文献标识码:A某伺服系统实时性自动化测试优化设计祝军生,方志耕,冯敏洁,樊雪晨,王鹏(南京航空航天大学 经济与管理学院,南京 ;中国航天科
2、工集团八五一一研究所,南京 ;北京宇航系统工程研究所,北京 ;北京航天测控技术有限公司,北京 )摘要:伺服系统具有验收指标要求高,测试复杂,运行条件有限等特性,传统的人工测试局限性高且精度无法得到保证;伺服系统具有圆周扫、扇扫等功能,而转台作为该伺服系统的核心部件,是伺服系统旋转的主要机构,因此对伺服系统部分指标的测试可简化为对转台进行指标测试;基于P X I e总线的自动测试设备,具有高数据处理速度、高集成度、高国产化度、高稳定性等特点,适用于转台设备的自动化测试;采用F P G A和惯性传感器作为数据采集核心,设计P X I e总线转台自动测试设备,对多个指标同时测试,可将测试效率提升,满
3、足转台测试设备的设计要求,同时具备良好的扩展性,该设计能够推广至其他需对转台进行测试的应用场景.关键词:P X I e总线;自动测试系统;转台测试O p t i m i z a t i o nD e s i g no fR e a l t i m eA u t o m a t i cT e s tE q u i p m e n t f o rC e r t a i nS e r v oS y s y t e mZ HUJ u n s h e n g,F ANGZ h i g e n g,F E NG M i n g j i e,F ANX u e c h e n,WANGP e n g(S c
4、 h o o l o fE c o n o m i c sa n dM a n a g e m e n t,N a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s,N a n j i n g ,C h i n a;C h i n aA e r o s p a c eS c i e n c ea n dI n d u s t r yC o r p o r a t i o n,N a n j i n g ,C h i n a;B e i j i n gI n s t i t u t e
5、o fA s t r o n a u t i c a lS y s t e m sE n g i n e e r i n g,B e i j i n g ,C h i n a;B e i j i n gA e r o s p a c eM e a s u r e m e n t&C o n t r o lT e c h n o l o g yC o,L t d,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:As e r v os y s t e mh a s t h e c h a r a c t e r i s t i c so f h i g h i n
6、 d e x e s,c o m p l e x t e s t i n g,l i m i t e do p e r a t i n gc o n d i t i o n s a n ds oo n T r a d i t i o n a lm a n u a l t e s t i n gh a sh i g hl i m i t a t i o n sa n da c c u r a c yc a n n o tb eg u a r a n t e e d Wh e nt h es e r v os y s t e mh a st h ef u n c t i o n so fc i r
7、 c u l a rs w e e pa n df a ns w e e p,a s t h ec o r ec o m p o n e n to f t h es e r v os y s t e m,t h et u r n t a b l e i st h em a i nm e c h a n i s mf o rt h er o t a t i o no f t h es e r v os y s t e m,s os o m e i n d i c a t o r so ft h es e r v os y s t e mc a nb es i m p l i f i e da s
8、t h ei n d e xt e s to ft h et u r n t a b l e T h ea u t o m a t i ct e s te q u i p m e n tb a s e do nP X I eb u sh a s t h e c h a r a c t e r i s t i c so f h i g hd a t ap r o c e s s i n gs p e e d,h i g h i n t e g r a t i o n,h i g h l o c a l i z a t i o na n dh i g hs t a b i l i t y,w h
9、i c h i ss u i t a b l e f o r t h ea u t o m a t i c t e s to f t u r n t a b l ee q u i p m e n t F P G Aa n d i n e r t i a l s e n s o ra r eu s e dt ob e t a k e na sad a t aa c q u i s i t i o nc o r e,a n dd e s i g nt h eP X I eb u st u r n t a b l ea u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t
10、T h et e s te f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e db y w h e nm u l t i p l ei n d i c a t o r sa r et e s t e da t t h es a m e t i m e,w h i c hm e e t s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so f t h e t u r n t a b l e t e s t e q u i p m e n t,a n d i th a sag o o ds c a l a b i l i t y T h
11、ed e s i g nc a nb ee x t e n d e dt oo t h e rs i m i l a ra p p l i c a t i o ns c e n a r i o s t h a tn e e dt ot e s t t u r n t a b l e s K e y w o r d s:P X I eb u s;a u t o m a t i c t e s t s y s t e m;t u r n t a b l e t e s t引言转台作为某型伺服系统的核心,承担着作为伺服系统转动结构的重要功能.作为伺服系统的核心组成部件,转台的转动速度、转动加速度、随
12、动精度、控制分辨率等指标影响着整个伺服系统的性能.对转台性能指标的测试主要使用光学方法与人工测量结合的方法,这种传统方法在测试时产生数据量庞大且处理繁琐.在实际测试中,精度偏低,且因使用多种测量仪器,系统误差巨大.因此有必要研制该型转台自动测试设备,来提升转台在研发阶段进行测试的效率.该设备选用技术成熟的P X I e总线架构,具有高开放性、可热插拔、高可靠性、高密度的特性;其高开放性极大地便利了开发测试人员进行设备调试,并提高了设备的可扩展性;其可持热插拔的特性支持板卡采用热插拔的方式进行更换,提高了系统可维修性;其高可靠性体现在P X I e总线具有良好的抗震性,可提高设备克服转台振动的能
13、力;其高密度的结构符合I E E E 的 U标准,保证了系统良好的兼容性.综上,结合对转台指标的测试需求,采用P X I e总线模块化设备构建自动测试设备.转台测试需求转台安装于伺服系统底部,功能是接收伺服系统向转投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期祝军生,等:某伺服系统实时性自动化测试优化设计 台控制箱发送控制指令,并解析指令进行相应转动动作.该型 转 台 为 两 轴 转 台,转 台 转 动 范 围 为:方 位 角,),俯仰角,.转台详细指标要求见表.表转台指标转轴方向转动速度/(/s)转动加速度/(/s)随动精度/()控制分辨率/()方位,俯仰,以转台速度与加
14、速度测试为例,传统方法使用秒表记录转台转动 所用时间,利用此时间算出实际速度值;使用上位机软件读取转台速度,导入电子表格中,绘制速度时间图像,根据图像斜率得到转动加速度.以转台随动精度测试为例(测试示意图见图),在距离转台 米的墙上固定好标靶,在转台上固定好激光笔,记录下此时的方位角度值作为初始角;打开激光笔,在标靶上将当前激光点位置标记为零位点,手动将转台方位角度值增加 ,到位后再将转台方位转回记录的初始角,测量激光笔的偏移量,小于 mm,则方位指向精度小于 .使用传统方法试验数据如表 .图随动精度测试连接示意图表传统方法实测数据序号指标名称指标要求测试结果转动速度/(/s)方位角,方位角,
15、俯仰角,俯仰角,转动加速度/(/s)方位角,方位角 俯仰角,俯仰角 随动精度/()根据转动范围,该型转台可进行扇扫和圆周扫,扇扫从静止位置开始转动,经历从加速运动到匀速运动再到减速运动,并减速至达到目标位置的过程;而圆周扫从静止位置开始转动,加速运动到额定速度后进行匀速扫描.因此针对转台的性能测试主要检测转台转动的速度、加速度、随动精度、控制分辨率等指标 .基于P X I e总线的转台自动测试设备总体设计方案针对转台测试需求,自动测试系统采用基于P X I e总线的模块化测试架构,自动测试系统采用P X I e总线与实时操作系统组合,硬件资源包括基于龙芯C P U的国产化处理器的控制器模块、数
16、字I O模块、R S 总线通信模块、网络通信模块、P X I e总线信号背板模块、信号调理板模块、背板转接板、固态硬盘、A C/D C直流电源模块及单机设备机箱(含前后面板器件及指示灯驱动电路)等.系统结构如图所示.图系统结构图软件设计方面,自动测控软件运行于龙芯C P U主控制器上,通过P X I e总线仪器驱动控制各P X I e总线测试模块.当实际开展转台测试工作时,自动测控软件按照软件配置文件中预设流程控制各测试模块,采集测试信号;将捕获测试信号进行处理,分析数据并将结果保存为文件入转台自动测试设备硬盘内,由测试人员读取测试文件后对被测设备状态做出评估和诊断.通过计算机图形界面与测试人
17、员进行交互,方便开发人员实时了解转台参数.测试设备硬件设计结合转台测试需求,转台自动测试设备硬件主要包括惯性仪表、控制电源、P X I e测控设备三部分组成,组成结构如图所示.图硬件组成图投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m计算机测量与控制第 卷 惯性仪表惯性仪表采用F P G A、三轴加表与三轴陀螺结合的方案(惯性仪表结构如图所示),可向外输出俯仰角、航向角等角度数据;输出速度、加速度等运动数据.图惯性仪表结构图下面给出处理算法.)F P G A板卡采集加表、陀螺 m s脉冲,并进行温度补偿与安装误差补偿;对补偿后的数据进行九阶滤波,滤除抖动噪声.)计算三轴线加速度
18、、三轴角加速度:()将连续 组 m s三轴角度增量和分别按X轴、Y轴、Z轴进行累加,得到X轴、Y轴、Z轴m s角度增量和,将m s角度增量除以采样周期 ,得到三轴角速率;()将连续组m s速度增量和分别按X轴、Y轴、Z轴进行累加,得到X轴、Y轴、Z轴m s速度增量和,将速度增量和除以采样周期 ,得到三轴线加速度.)圆锥补偿计算:旋转矢量的计算采用优化五子样圆锥补偿算法,每个姿态更新周期包含个圆锥补偿周期.输入:陀螺角增量输入.输出:圆锥误差补偿量.)四元数更新计算:根据姿态矩阵双速更新的思想,载体相对导航系的姿态变化可以看作是载体坐标系相对惯性系的姿态变化与导航坐标系相对惯性系的变化的合成作用
19、,因此,姿态矩阵的更新分为两步完成:首先求出m时刻载体系相对m时刻导航系的姿态,再求出m时刻载体系相对m时刻导航系的姿态.上述过程可以用四元数的连乘形式表示如下:qN(m)b(m)qN(m)b(m)qb(m)b(m)()qN(m)b(m)qN(m)N(m)qN(m)b(m)()式中,qN(m)b(m)为tm时刻载体系到导航系四元数,即为所求姿态四元数;qN(m)b(m)为tm 时刻载体系到导航系的四元数,即上个姿态更新周期的结果;qN(m)b(m)为tm时刻载体系到tm 导航系的姿态四元数;qb(m)b(m)为以惯性系为参考系,载体系从tm时刻相对tm 时刻的转动四元数;qN(m)N(m)为以
20、惯性系为参考系,导航系从tm 时刻相对tm时刻的转动四元数;载体系从tm时刻相对tm 时刻的转动四元数表示为:qb(m)b(m)C SxSySzT()其中:Cc o s,Ss i n,(T)/,就是把前面式代入上式中求得的旋转矢量,x,y,z是三个轴上的分量.一般不考虑导航系相对惯性系的圆锥误差,其旋转矢量就表示为:tmtm i nndt()取东北天地理坐标系为导航坐标系,有ni nni ene nVtyRy ti ec o sVtxRx ti es i nVtxRx tt g()其中:i e是地球自转角速率;是地理纬度;Vtx,Vty是地速分量;Ry t,Rx t是地球子午面及其垂直平面的主
21、曲率半径.则导航系从tm 时刻相对tm时刻的转动四元数为:qN(m)N(m)CSxSySzT()其中:Cc o s,Ss i n,(T)/.输入:t时刻圆锥补偿以后的陀螺输出:bi bbi b xbi b ybi b zT()t时刻平台指令角速率:ni nni n xni n yni n zni ene nVtyRy ti ec o sVtxRx ti es i nVtxRx tt g()t时刻姿态四元数qn.处理:)将t时刻圆锥补偿以后的陀螺输出表示成四元数:qb(m)b(m)C SxSySzT()其中:Cc o s,Ss i n,(T)/,(bi b x)(bi b y)(bi b z)x
22、yzbi b xbi b ybi b z令qN(m)b(m)qn,则t时刻载体系到t时刻导航系的姿态四元数:qN(m)b(m)qN(m)b(m)qb(m)b(m).)将t时刻平台指令角速率表示成四元数:qN(m)N(m)CSxSySzT()其中:Cc o s,Ss i n,(T),投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期祝军生,等:某伺服系统实时性自动化测试优化设计(ni n x)(ni n y)(ni n z)xyzni n xni n yni n z则t时刻载体系到导航系四元数:qN(m)b(m)qN(m)N(m)qN(m)b(m).输出:当前时刻的姿态四元数.)
23、四元数姿态矩阵转化:输入:更新以后的四元数QqqqqT.处理:qiqiqqqq,i,()输出:规范化以后的姿态四元数QqqqqT.姿态矩阵提取:输入:规范化以后的四元数QqqqqT.处理:Cbnqqqq(qqqq)(qqqq)(qqqq)qqqq(qqqq)(qqqq)(qqqq)qqqq()输出:更新以后的姿态矩阵Cbn.)姿态航向解算:输入:当前时刻的姿态矩阵Cbn.处理:CbnT T T T T T T T T a r c t a n(T T)()输出:航向角.图R S 模块原理框图)比力变换计算:输入:当前时刻的姿态矩阵Cbn,加表误差补偿和温度补偿以后的输出Ababi b xabi
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- 关 键 词:
- 伺服系统 实时 自动化 测试 优化 设计
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