某导弹自动驾驶仪的自动测试系统实现

谢 侃，吉亚平

(上海航天控制技术研究所，上海 201109)

某导弹自动驾驶仪的自动测试系统实现

谢 侃，吉亚平

(上海航天控制技术研究所，上海 201109)

为了更准确地获得某型号导弹自动驾驶仪产品批产验收测试的电性能结果，并有效降低型号批产任务的测试成本，缓解交付时间紧而测试人员不足的矛盾，介绍了一种自动驾驶仪产品自动测试系统的实现方法。该自动测试系统以测试计算机和自动测试软件为核心，采用转台支架机构和压缩空气模拟导弹飞行环境，使用高稳定性程控电源提供产品工作所需的电压和电流，自动完成产品测试状态控制、信号采集处理等过程。与传统的简易设备和测试方法相比，自动测试系统的转台支架控制、信号采集电路以及自动测试软件采用模块化设计，其控制精度更高、配置更合理，具有测试结果精度高、一致性好、测试效率高的优点。结果证明，该非标设备能自动保存和输出产品测试结果，从而减少测试人员的数量、缩短每批次产品的测试时间。该自动测试系统的实现与应用具有一定的军事与经济意义。

自动测试系统； 导弹； 自动驾驶仪； 转台支架； 模块化设计； 非标设备； 批量测试； LabVIEW

0 引言

现代导弹自动驾驶仪由姿态敏感元件、电子处理单元和舵系统组成，其功能主要是维持导弹在飞行过程中的稳定性，为制导系统提供合适的弹体动态响应，降低导引系统对导弹参数变化和各种干扰的敏感性。自动驾驶仪是导弹控制系统的重要组成部分，其性能直接影响导弹自控终点的散布，最终关系到导弹飞行的成败[1]。

随着计算机技术的发展，自动测试技术显示出一系列优点，如测试速度快、精度高、一致性好、效率高等[2]。因此，在导弹自动驾驶仪的批产测试中使用计算机自动测试系统的需求亦越来越迫切。本文主要介绍了一种自动驾驶仪的测试原理、系统组成和实现过程等。

1 测试原理

某型号导弹为正在服役产品，是已批产化项目导弹。每批次产品出厂交付前，必须完成自动驾驶仪整件的调试与验收测试，并保证其性能指标的正确性和稳定性。

对自动驾驶仪产品进行验收测试时，除了确保产品基本机械性能参数和外观等满足要求外，更重要的是确保产品研制与批产验收的电性能指标满足严格的项目指标要求。这些电性能指标包括产品的稳定工作电压、稳定工作电流、产品舵控信号波形和产品舵偏信号的合力分解系数等。

自动驾驶仪外壳为圆柱形，弹轴中心线与舵面中心线、翼面中心线成空间正交关系，其中舵面可绕舵面中心线旋转。产品舵控信号是由电子处理单元根据弹体飞行状态产生的舵系统控制信息，舵控信号用于驱动舵面的旋转，可通过自动驾驶仪电气插座中引出。舵偏信号由自动驾驶仪舵面绕其中心线偏转的轨迹反映，采用光电传感器，可以将舵面偏转轨迹转化为高低电平信号。自动驾驶仪产品外形示意图如图1所示。

图1 自动驾驶仪产品外形示意图

产品电源用于提供自动驾驶仪正常工作时的电压和电流。转台支架用于实现模拟导弹飞行状态，其中：通过转台的旋转实现弹体飞行过程中姿态角速度的模拟；通过支架的旋转实现模拟导弹绕弹轴自旋转状态。外部气源可以提供自动驾驶仪舵面克服舵力矩负载正常运动时的压缩空气。自动驾驶仪测试原理框图如图2所示。

图2 自动驾驶仪测试原理框图

在完全模拟导弹飞行模式的环境下，通过采集被测自动驾驶仪输出的产品舵控信号解算产品波形信息，通过采集舵偏光电传感器信号获取舵面偏转的高低电平信息，再利用合力分解器单机解算产品舵偏信号合力分解系数。

现在常用的简易测试台由直流电源、转台支架系统、气体管路、示波器、万用表与合力分解器单机组成，其中示波器、万用表与合力分解器单机组成信号采集系统。在控制转台支架达到预定转速、外部气源提供产品工作时的压缩空气后，即产品处于测试环境，通过万用表采集产品电源的电压电流信号；通过示波器直接显示自动驾驶仪的舵控信号，可获取舵控信号的频率幅值等信息；再通过合力分解器单机采集舵偏传感器输出信息，解算出该套产品的舵偏合力分解系数。

舵控信号的波形信息与舵偏信号的合力分解系数测试结果，除了与室内温湿度以及人为误差有关，更主要的是受到转台支架的转速、压缩空气的压力、示波器与合力分解器的采集精度的影响。简易测试台一般为早期研制产品，转台支架控制精度较低，导致测试结果随机性较大，一致性差；合力分解器单机由模拟器件构建，测试结果精度不高。随着测试技术与计算机软硬件的发展，研制测试精度高、自动化程度高的测试仪器已成为可能。

2 系统组成

2.1 自动测试系统组成与测试原理

采用测试计算机为核心的自动驾驶仪自动测试系统，可实现产品的自动测试过程。自动测试系统由测试计算机、转台支架模块、适配器电路、电源模块以及电缆系统组成。自动驾驶仪自动测试系统原理框图如图3所示。

图3 自动测试系统原理框图

在测试系统中，测试计算机包括多功能板卡和自动测试软件。其中：多功能板卡用于实现模拟数字信号的采集以及系统控制指令的输出；自动测试软件用于实现测试系统的自动控制流程、测试数据处理与保存以及人机操作界面功能，自动测试软件是自动测试系统实现自动化测试的关键。转台支架模块由转台、支架、下位机以及转台支架控制软件组成，装载控制软件的下位机是转台支架模块的控制中心，转台和支架等执行机构能按照控制软件指令进行旋转，用于对导弹运行姿态的模拟；支架上设有舵偏信号编码器，用于产生舵偏信号。适配器电路可将产品模拟信号和状态信号转换成测试计算机多功能板卡可以采集的匹配信号，并实现向下传输自动测试控制指令的功能。外部气源通过管路为被测自动驾驶仪提供压缩空气，管路上设置电磁阀控制。电源模块由直流电源组合而成，其主要功能是为产品提供工作电压和电流，为测试设备和测试计算机等部分提供电源。电缆系统实现模块之间的信号通路。

系统启动后，测试计算机中的测试软件自动控制电源模块，为产品提供正常测试所需的工作电源。通过与转台支架模块下位机之间的相互通信，测试软件自动设置转台和支架的角速度并完成对转台、支架执行机构的发控指令。测试计算机与测试软件实时接收转台支架的角速度与角度位置信息，并对其进行监视，等待转台和支架达到预定的角速度后，自动测试软件控制继电器、电磁阀等为被测产品提供压缩空气，此时产品处于信号测试状态。通过多功能板卡连续采集适配器电路传输的产品电源信号、舵控信号和舵偏信号，测试计算机自动获取并解算被测产品的电压、电流、舵控信号波形信息和舵偏信号的合力分解系数等电性能参数。

2.2 自动测试系统主要模块

2.2.1 转台支架模块

转台支架模块采用下位机控制模式，下位机发送转台支架电机的控制信号，回采转台支架反馈信号形成闭环控制，以精确控制转台支架角速度和偏置角度。其原理框图如图4所示。

图4 转台与支架控制系统原理框图

控制软件采用VxWorks 嵌入式强实时操作系统设计[3]，实现实时多任务运行，具有软件模块集成度高、相对独立性强、能充分利用CPU资源等优点，特别适合用于控制电机等灵敏性高的执行器。采用16 bit D/A转换器向电机驱动器发送指令信号，使用高精度编码器进行反馈采集。与传统的使用模拟电路进行电机控制相比，这种控制模式和软硬件资源的利用使控制精度有了很大的提高[4]。

转台和支架机械结构用于模拟弹体飞行过程中姿态角速度功能和弹体旋转功能。转台台体和支架本体结构采用三维CAD设计工具SolidWorks软件实现，SolidWorks软件具有零件设计、装配体和装配图三大模块，提供了从设计、性能分析到优化设计的全部流程。利用SolidWorks软件的插件COSMOS/Motion对结构框与结构体进行运动仿真，并对仿真输出的运动曲线进行分析[5]，获取了设计方案。在转台台体与支架本体内安装导电滑环，用于被测产品电信号的传输。支架通过夹装结构和四个爪子固定被测产品；夹装结构内部使用尼龙零件，外部使用螺旋连接零件，在确保结构体与产品绝缘的同时，不影响同轴度要求。其中，固定舵面的爪子上设有舵偏信号编码器，将舵面运动轨迹转化成连续模拟电信号，即可得到舵面每一时刻的偏转位置。支架与产品连接示意图如图5所示。

图5 支架与产品连接示意图

2.2.2 电源模块

电源模块由产品电源转换器和设备电源转换器组成，将外部220 V交流电压转换成供给产品的±20 V/3 A直流电源和设备自用电源。

为实现产品电源的自动控制过程，产品电源转换器选用高稳定性程控电源。该程控电源可以实现20 V/100 W两路电压输出，最大输出直流电流达5 A。另外，该电源带有LAN和USB接口，能够进行远程编程。自动测试软件可以通过远程控制，实现电源打开、输出、断电以及电源状态采集等多种功能。与传统简易设备电源相比，该电源输出电源纹波更小，稳定性、可靠性更高。

2.2.3 测试计算机

在测试计算机上安装多功能板卡和自动测试软件，它是整个测试系统的核心组成部分。

多功能板卡具有AI通道、可配置DIO通道等资源。AI通道用于实现产品信号和其他模拟信号的采集，其采样速率高达250 kHz。可配置DIO通道用于实现产品通断电、电磁阀开关等功能控制与状态监视，通过配置文件形式由测试软件进行自动控制数字量的输出与接收。

自动测试软件可以自动完成产品电源通断电控制、状态控制与监视、信号采集与处理以及测试结果显示等过程[6]。自动测试系统软件的主要功能模块包括程控电源控制、状态控制、状态回采监视、转台与支架远程控制、数据采集与处理以及生成测试报表等[7]。软件采用LabVIEW图形化编程平台开发，LabVIEW提供了丰富的图形控件，采用图形化编程可以方便地创建用户界面[8]。

2.2.4 适配器电路

适配器电路主要用于产品信号的滤波、整形、隔离。该电路对信号进行AI通道配置以及对测试计算机控制信号的放大与输出[9-10]，并将控制信号分配到各执行机构。适配器电路使用自研电路印制板实现，自研电路具有多功能板卡DIO通道驱动器和继电器元件，用于控制电源线干路或其他线路的通断[11]；自研电路使用隔离运算放大器对电源传感器输出信号进行采集，以防止电源干扰；使用跟随放大器将舵偏编码器信号配置整形为可以连续采集的模拟信号。另外，适配器电路还包括保护、状态指示等辅助电路，用于提高测试系统的安全性和可操作性。

2.2.5 电缆系统

自动测试系统的转台支架模块、电源模块、适配器电路以及测试计算机之间通过电缆进行连接，电缆系统包括产品电缆、控制电缆和通信电缆。其中，产品电缆包括电源线路和产品信号线路，它用于连接测试计算机与转台的电缆插座；而在转台支架内部，通过导电滑环实现被测产品与电缆插座连接。设备控制电缆实现下位机与转台支架控制电线路的连接，以及转台支架直流电机、电机编码器的闭环控制。另外，系统还包括通信电缆，其连接在测试计算机与程控电源、下位机之间，实现自动测试软件远程控制功能。

3 自动测试的实现

自动驾驶仪自动测试系统可以实现一键式测试，自动模拟产品测试状态环境，自动采集产品电压电流、舵控信号、舵偏信号等被测信号，并对有效信息进行处理与保存[12]。打开自动测试软件后，首先进行硬件初始化，并进入自动测试软件界面。其中硬件初始化程序包括硬件资源配置、程控电源控制与转台支架加载等步骤。

输入被测产品编号并点击测试软件界面上的“开始测试”按钮，自动测试软件将进入自动测试子程序，并按照子程序中规定的测试步骤依次执行以下操作：产品通电、转台支架控制、通压缩空气、产品信号采集、测试数据处理、断电断气释放硬件、数据保存。自动测试子程序执行完毕后，即完成对被测产品的测试过程。测试人员可以更换被测自动驾驶仪产品，再次输入产品的编号并点击“开始测试”按钮，即再次进入自动测试子程序。完成产品测试任务后，操作员关闭软件操作界面，退出测试程序。

针对该系统具有在信号连续采集过程中还要进行实时控制的特点，使用LabVIEW平台对生产者/消费者架构模式进行程序设计[13-14]，使测试软件设计响应更快、执行效率更高。此外，自动测试软件还具有人机界面友好、操作简单、可靠性和安全性高的优点[15]。

4 结束语

本文提出的自动驾驶仪自动测试系统，是计算机技术与测控技术相结合的非标机电一体化产物。与传统测试设备相比，自动测试系统的机械结构设计合理、硬件资源配置高、测试流程简单直观，能自动完成所有测试过程，具有测试结果精度高、一致性好、操作简便、效率高的优点。自动测试系统有效地降低了生产测试成本、提高了测试效率，大大缓解了产品批产阶段任务工作量集中、交付时间紧迫、测试人员不足的矛盾。

[1] 崔世海,吴振雨,张晓东，等.导弹自动驾驶仪设计方法综述[J].飞航导弹，2009(9)：56-60.

[2] 王建林,刘静宜.虚拟集成测试与虚拟仪器技术[J].北京化工大学学报，2011,28(2)：84-88.

[3] 章志敏.VxWorks嵌入式实时操作系统在某导弹火控系统中的应用[J].上海航天，2006，23(2)：57-60.

[4] 李铁才,杜坤梅.电机控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000：7-55.

[5] 北京兆迪科技有限公司.Solidworks 2012实例宝典[M].北京：机械工业出版社，2012：202-205.

[6] 董湘,邹国奎.基于LabVIEW的远程测控方法研究[J].自动化仪表，2006，27(1)：6-8.

[7] 邹坚,李世平,魏小飞.基于LabVIEW的自动测试系统中的报表生成研究[J].自动化仪表，2006，27(11)：68-70.

[8] 陈锡辉,张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007：2-5.

[9] 李建民,董红生.模拟电子技术基础[M].2版.北京：清华大学出版社，2012：44-201.

[10]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：74-391.

[11]余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2006：432-445.

[12]张仁亮,刘北英,李占峰.基于LabVIEW虚拟仪器自动测试系统的设计开发[J].机械制造与自动化，2006，35(3)：143-145.

[13]雷晏瑶,李智.基于生产者/消费者的数据采集系统设计[J].机械，2011，38(9)：39-43.

[14]曹李莉,王有春,周雷.通用化数据采集处理系统的LabVIEW实现[J].计算机测量与控制，2015，23(4)：1375-1377.

[15]沈保山,姬长英,郭玉平,等.基于LabVIEW数据采集系统的设计[J].机械与电子，2009(4)：76-78.

Realization of the Automatic Test System for A Missile Autopilot

XIE Kan，JI Yaping

(Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology,Shanghai 201109,China)

In order to accurately acquire results of electrical properties of the batch acceptance test for a certain type of missile autopilot,and availably reduce the testing cost and relieve the contradiction of the tight delivery time and insufficient testers,a realization method of the automatic test system for missile autopilot is introduced.In this system,with the test computer and auto-testing software as the core,and the turntable bracket and compressed air are adopted to simulate the flight environment of the missile.The voltage and current needed for the product are provided by highly stable programmable controlled power supply; the test state control, signal acquisition and processing of the product are completed automatically.Comparing with the traditional simple equipment and test method,the modular design is adopted for turntable bracket control,signal acquisition circuit and automatic test software of this automatic test system,thus the control accuracy is higher,the configuration is more reasonable; so the test is highly accurate,with good consistency and high efficiency,etc. The results prove that this non-standard equipment can automatically save and output the test results of electrical properties, and reduce the number of testers and time of test. The implementation and application of this automatic test system possesses certain military and economic significance.

Automatic test system;Missile; Autopilot; Turntable bracket; Modular design; Non-standard equipment; Batch test; LabVIEW

谢侃(1986—)，男，硕士，工程师，主要从事非标设备的设计、开发与研制工作。E-mail：xiejixk@163.com。

TH39;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706018

修改稿收到日期:2016-12-08