直升机机载三轴速率陀螺校准技术研究

钟德辉， 曾建华， 李 明

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

陀螺仪是惯性制导系统的核心元件之一，是舰船、飞机、导弹和航天飞行器惯性控制系统的重要组成部分，用来测量基座的转角或角速度，其性能好坏直接影响惯性导航的精度[1]。在直升机研制、试验过程中，运用到大量的精密角速率类传感器，如直升机试飞试验中监测飞机姿态的三轴速率陀螺组件等。三轴速率陀螺是直升机飞控系统的重要组成部分，它能精确地测量直升机相对于惯性空间的方位、俯仰和横滚3个角速度，并输出相应的电信号[2-3]，传输给直升机作为飞行控制的重要参数[4]。因此，在速率陀螺装机使用前，对其速率精度进行测试校准具有十分重要的意义。

针对传统的航空机载陀螺仪测试系统采用分立仪器搭建，具有成本高、自动化程度低、扩展性差等特点[5]，国内速率陀螺的测试一般采用常温单轴速率台进行测试，这种测试方式需要通过多次装拆测试夹具，效率低下[6]。

针对某型无人直升机研制、试验过程中使用的TSZ-12AA型三轴速率陀螺，设计了专用校准工装，开发了一套专门的校准系统软件，极大地提升了校准工作效率，对系统校准结果的不确定度进行了分析评定，验证了校准系统和方法的有效性，满足了机载三轴速率陀螺的校准需求，有效地保证了该型无人直升机试飞试验数据准确可靠。

1 校准系统

校准系统主要由测控计算机、高精度单轴速率转台、直流稳压源、数字多用表、专用夹具等组成。

1.1 校准系统原理

该校准系统依据GJB1692-93《试飞测试仪器校准要求》，采用高精度单轴速率转台作为角速率标准装置，模拟飞机的运动角速度作为速率陀螺的输入，用数字多用表测量并采集不同速率状态下的输出，从而获得速率陀螺的输入-输出特性[7]，实现对速率陀螺的校准。校准系统原理框图如图1所示。

图1 校准系统原理框图

1.2 测控计算机

测控计算机是整个校准系统的核心，它建立了与速率转台控制系统和数字多用表的通信，实现对速率转台的控制，实时采集校准输出电压，并对校准数据进行处理和分析。

1.3 速率转台

速率转台为被校速率陀螺提供装夹位置和标准输入角速率，测控计算机通过通信协议对转台进行控制，进而完成速率陀螺的校准。

某型无人直升机机载速率陀螺是一个包含3个单轴速率陀螺的惯性组件，其工作速率范围为±(5～200)°/s，速率精度为0.2%。为满足校准需求，采用型号为LX-10G的单轴速率转台，其角速率范围为±(5～1450)°/s)，速率精度为0.01%，满足量值传递要求。

1.4 直流稳压源及数字多用表

为保证被校陀螺工作的可靠性和校准的准确性，系统选用了较高精度的直流稳压电源，其电压精度为±(0.5%+5字)，万用表采用了6位半数字万用表，其最大允许误差(10 V)为±(0.0035L%+0.0005D%) V。

1.5 专用夹具

专用夹具用于将被校三轴速率陀螺安装在速率转台台面上，其结构示意图如图2所示。

图2 专用夹具结构示意图

将专用夹具通过4个紧固螺钉固定安装在速率转台台面中心位置，将被校机载三轴速率陀螺通过紧固螺钉固定在该夹具的装夹台面上，装夹台具有沿水平方向360°旋转、沿俯仰方向±90°旋转的功能，校准时，只需一次装夹被校机载陀螺，通过调整装夹台的位置，即可实现被校三轴速率陀螺3个输出轴方向(航向、倾斜、俯仰)的快速转换。专用夹具保证了被校三轴速率陀螺的装夹可靠、定位精确，实现了快速装夹和换向。

2 数据采集和处理

2.1 数据采集

系统采用型号为33401A的数字多用表作为校准数据的采集装置，为提高采集效率，利用RS232进行串口通信，RS232采取不平衡传输方式，即所谓单端通信，收、发端的数据信号是相对于信号的。典型的RS232信号在正负电平之间摆动。RS232是为单对点通信而设计的，其驱动器负载为3～7 kΩ。所以RS232适合本地设备之间的通信[8]。

将数字多用表设置于复位状态，改变数字多用表设置，建立触发条件，测量初始化，从输出缓冲区或内存器中获取数据，将测量结果读入总线控制器，进入工作状态，打开串口，接收数据。采用五线的DTR协议连接方式，可有效地避免数据丢失，确保数据准确可靠。

2.2 数据处理方法

为探究不同拟合方法对校准结果的影响，采用实验室对型号为TSZ-12AA、编号为11002(倾斜)、有效量程为(-100～100)°/s、幅值线性度为0.20%的速率陀螺的一组校准数据进行分析，校准点参照GJB1692-93《试飞测试仪器校准要求》，在规定的校准范围内均匀等间隔地选取11个校准点[8]，校准数据如表1所示。

分别采用端点拟合、平均法拟合和最小二乘法拟合3种拟合方法对表1校准数据进行拟合，所获得的拟合结果如表2所示。

表1 速率陀螺校准数据

表2 拟合结果

表2数据表明，采用最小二乘法拟合直线非线性误差最小。最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配[9]，能够最真实地反映速率陀螺性能指标，因此为了确保校准数据的准确性，本系统在数据处理环节采用最小二乘法拟合直线方程。

2.3 校准系统软件设计

C语言是嵌入式软件开发使用最多的语言[10]，系统数据采集与处理软件采用C语言设计，软件设计流程图如图3所示。软件可以实现被测传感器信息的输入、自定义输入校准点、利用R232串口通信自动采集校准数据、对采集到的数据进行处理、比较和分析，得到一系列采样点的测量误差以及拟合直线，并自动生成和保存原始记录。

图3 系统软件设计流程

3 校准结果的不确定度分析

3.1 数学模型

速率陀螺的参比直线采用最小二乘线性回归的直线，线性回归方程[11]为

Yi=Y0+KRi

(1)

式中,Yi为速率陀螺在i个校准点处输出量的线性回归值(V)；Y0为截距(V)；K为速率陀螺的灵敏度(V/(°/s))；Ri为速率陀螺第i个校准点的角位移量(°/s)。

灵敏度K和Y0的计算公式[11]如下。

(2)

(3)

(4)

则第i个受检点的线性度为

(5)

线性度为

(6)

式中，YFS为输出信号量程(V)，YFS=YM-YN。YM为速率陀螺为上限值时3组正、反行程所测得的实际输出的平均值(V)，YN为速率陀螺为下限值时3组正、反行程所测得的实际输出的平均值(V)。

3.2 方差和灵敏系数

根据线性度公式

(7)

可得：

根据表1校准数据。

取YFS=10.1369 V；Ri=100°/s

3.3 标准不确定度分量

(1) 角位移传感器的灵敏系数K和截距Y0引入的标准不确定度分量u(K)和u(Y0)。

采用最小二乘法计算出的理论直线方程

(8)

因Yi独立，则

(9)

(10)

其中：

根据表1校准数据可得：

Y0=-0.001116 V

K=0.050698

(2) 标准角速率引入的标准不确定度分量u(Ri)。

单轴速率转台速率精度为±1×10-4，服从均匀分布，则：

(3) 电压输出值引入的标准不确定度分量u(yi)。

① 数字表引入的标准不确定度分量u1(yi)。

校准使用的数字万用表10 V档位的直流测量示值误差为±(0.0035L%+0.0005D%) V，满量程输出电压为5 V,最大允许误差为±(0.0035×5+0.0005×10)%=±0.000225 V，服从均匀分布，则：

② 重复性引入的不确定度分量u2(yi)。

选取100°/s校准点，正行程、反行程各测量3次，采用极差法计算重复性，数据见表3。

表3 100°/s校准点测量数据 单位：V

u2(yi)=|5.0693-5.0655|/2.53=0.0015 V

3.4 合成标准不确定度

经分析，不确定度分量及影响系数见表4。

表4 不确定度分量及影响系数

由以上内容可得：

u2(li)=0.09862×0.001512+(-0.0986)2×0.000842+

(-9.8649)2×0.0000132+

(-0.005)2×0.000057742

u(li)=0.021%

3.5 扩展不确定度

取包含因子k=2[12]，则有：

U=k·u(li)=2×0.021%≈0.05%

由以上数据可知，线性度校准结果的扩展不确定度为0.05%，小于被校速率陀螺线性度指标(0.2%)的1/3，表明该校准系统可靠，校准方法合理可行。

4 结束语

提出了一种三轴速率陀螺校准方法，设计了校准系统及专用校准夹具，开发了数据采集及处理软件，采用最小二乘法进行数据处理，实现了三轴速率陀螺的快速、准确校准；校准结果的不确定分析表明，校准方法合理可行，为直升机科研试验提供了可靠的技术保证。