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惯导测试与运动仿真设备与技术研究
2014年4月1日    评论:    分享:

    来源:中国航空报

    随着先进的飞行器控制、导航制导、目标探测技术发展,惯导测试与运动仿真技术和相应的试验设备受到广泛的重视,成为发展中不可或缺的地面试验手段。通常意义上的惯导测试设备(Inertial Guidance Test Equipment——IGTE)主要应用于为惯性敏感器件和导航制导系统的性能测试、标定提供精确的空间坐标定位、精密的运动测试基准,如三轴惯导转台(图1)。

惯导测试与运动仿真设备与技术研究
带温度环境三轴测试转台(图1)

    运动仿真设备通常包括飞行运动仿真(Flight Motion Simulator——FMS)、目标运动仿真(Target Motion Simulator——TMS)和负载仿真设备(Load Simulator),主要用于复现载体姿态,模拟目标的运动和提供诸如气动铰链力矩等的机动载荷模拟环境。仿真试验设备针对的运动载体对象可以是飞机、航天器、水面舰船、地面机动车辆及导弹等武器系统,所模拟的可以是单个载体的姿态运动,也可以是多个载体间的相对运动,如目标跟踪、交汇过程等等。图2所示为用于模拟弹目相对运动的五轴飞行仿真转台。在仿真试验设备中嵌入实际部件以取代相应部分数学模型的半实物仿真(Hardware-in-the-loop)系统,可以使试验更加接近实际情况,从而能够获得更确切的信息;将超载、振动、温度等多种环境因素融入到测试过程,有助于深入研究被测对象体实际工况下的性能特性。近些年来,惯导测试与运动仿真试验技术的应用范围在不断拓宽,技术水平不断提高,在军事、民用高科技领域发挥出越来越重要的作用。

惯导测试与运动仿真设备与技术研究
带温度环境双轴测试转台(图2)

    关键技术和发展趋势

    作为测试与仿真技术的一个重要组成部分,惯导测试与运动仿真技术与设备涉及的领域很宽,包括光学、机械、电子、液压、接口、计算机控制及系统技术,针对性强、精度高是其基本特点。

    设备结构性能直接影响测试精度。负载安装基准的几何误差、轴系的倾角回转误差和两两正交的轴线垂直误差是机械结构的重要性能指标,在多轴联动时,结构不对称性将引起轴间非线性动力学耦合力矩。摩擦力矩、旋转轴结构刚性和耦合力矩是影响运动控制性能的重要因素。因此,高精度、高刚性、高对称(性)、低惯量、低摩擦是该类设备结构技术的关键问题。国外异型高强度铝合金型焊接结构已经广泛采用,与国内传统的铸造框架结构相比,降低了重量,从而减小了设备自身的转动惯量并提高了整体结构刚性。国外开展的碳纤维新型材料,球形对称结构球形电机等方面的研究,有望进一步减轻重量,提高结构的精度和刚性。

    液压驱动由于其出力大、体积和重(惯)量小仍占有不可替代的位置。而随着磁性材料、电机技术的发展,电驱动方式受到越来越多的青睐。实际应用中,转台往往需要平稳地工作在低至地球自转速度数倍以下,高到每秒几千度以上的转速范围,这就要求驱动电机和配套放大器具有很高的低速运行和调速能力,极低的转矩波动。另一方面,为了适应大加速度、高动态要求,又需要驱动电机和配套放大器具更大驱动功率和较小的响应时间。从驱动电机特性、使用寿命、扰动特性和技术进步的角度出发,交流驱动方式被越来越多地应用到惯导测试与运动仿真试验设备中。

    惯导测试与运动仿真试验设备中已普遍采用了角秒级的圆感应同步器(Inductosyn)和光电轴角编码器(Encoder),并通过高倍率的电子细分和编码技术实现角度测量。高精度、高稳定性、高分辨力、宽动态范围是转台角度测量技术的重要特征,实现优于1″位置测量精度、0.00001o分辨力和109以上速率动态范围的角度实时测量技术对转台来说不仅具有现实意义,而且在技术上也极具挑战性。DSP技术的应用为高精度、高稳定性、高分辨力、宽动态范围的角度测量提供了新的实现途径。国外非常重视角度传感器测量技术的开发,Acutronic 公司不断推出Acutronic3000e型专用测控系统,在技术上处于领先水平。

惯导测试与运动仿真设备与技术研究
ACUTROL3000e多轴数字运动控制器(图3)

    控制及软件技术在高性能的惯导测试与运动仿真设备中发挥着越来越重要的作用,它既要通过对角度传感器信号的处理实现运动状态的精确解算、伺服控制,又要针对诸如摩擦、轴间动力学耦合等扰动因素完成复杂的补偿计算,还要实现故障监控以及在线显示和信息交换等等综合管理功能。目前以计算机、DSP技术为基础的数字化、智能化、综合化转台专用控制系统已经成为发展趋势,控制技术面对的主要问题包括:宽频带及快速、高精度跟踪问题;摩擦、转矩波动等扰动抑制及极低转速下的平稳控制问题和多轴联动的运动耦合作用影响及解耦控制问题。

    随着技术发展,惯导测试与运动仿真试验设备从过去的独立单元向分布式、集成测试系统的方向发展,因此需要有更强大的智能化、综合化测试能力和兼容性, 系统集成与接口技术显得十分重要。在半实物仿真试验中,子系统通讯面临着时间同步和任务同步问题,接口需要有很高的实时性、快速性、灵活性,数据更新时间一般要求在微秒到毫秒量级。在经历了模拟、数字并行、高速串行技术后,目前反射内存光纤网络技术被广泛应用, 大大提高了传输容量和快速性,而信号传输延迟、同步问题还有待于深入研究解决。

惯导测试与运动仿真设备与技术研究
五轴飞行仿真转台(图4)

    随着技术的发展和应用研究的不断深入,复合环境仿真测试技术已经受到越来越多的关注,图4、图5所示为带温箱的测试系统,预计将成为今后测试、实验领域的发展重点。环境模拟测试设备主要面临两个技术问题: 在模拟环境下如何保证测试性能不变、保持结果的一致性,这就要求测试设备在环境适应性、电磁兼容方面有独特的考虑; 如何尽可能逼真的实现环境模拟,以至是多种环境因素的综合模拟,这就需要有能够将多种环境因素模拟综合一体的复合测试设备。目前离心机是产生过载环境的基础,在过载环境下综合振动、温度、气压等环境模拟因素并保证测试基准精度,需要在结构、驱动、控制等方面做深入的研究。

惯导测试与运动仿真设备与技术研究
三轴惯导转台(图5)

    应用前景

    新一代以精确打击、高机动性、先敌发现、超视距攻击等为特征的武器装备平台,对测试与试验及仿真技术的要求主要体现在测试与仿真设备精度的显著提高,动态调速范围、加速度、系统带宽的显著提高。高新技术武器装备平台的不断发展,使测试与仿真技术在新品型号任务的研制中发挥越来越重要的作用,并要求试验功能、系统功能有高度灵活性、综合化,应用范围能不断扩展。武器装备平台、新型惯性敏感器件、民用航空的制造、储存、维护、运行的质量保障需要有高可靠性、高度智能化、模块化的通用仿真测试系统平台技术。

    惯性敏感器件及导航系统需要高精度的专用测试系统评价其性能,精度提高越来越依赖建立在测试基础上的误差分离和补偿技术,高精度陀螺仪和加速度计的发展要求测试设备的角度测量和转速控制性能优于1″或 1×10-6量级,并需要具有长时间的稳定性。光学陀螺、MEMS传感器等一批新型惯性器件及其集成化、小型化的测量、导航和制导系统需要包括准确的动态参数测试和温度、振动、磁场、机动过载等多种环境因素参与下的复合环境测试设备与技术。

    姿态传感、探测、制导装置需要试验设备生成关于导弹等机动载体和目标的特定模拟机动条件,通过数据采集和处理获得输入输出关系,分析与评价其性能,验证设计结果。新型航空武器装备平台的飞行控制、导航系统需要高性能的半实物仿真系统在地面完成特定环境的飞行仿真试验。航空发动机高速转子等结构部件需要地面动态载荷模拟试验,以专用仿真测试设备及通用仪表系统为基础构成的高效、高可靠、通用性强的智能化集成在线仿真测试系统是惯性敏感器件、导航系统、军、民用飞机性能质量保障的重要技术基础。实现大规模复杂系统的分布式交互仿真是信息化武器装备平台研制、评价的重要技术手段。

    惯性测试与试验技术是惯性技术的一个重要分支,惯导测试与运动仿真设备是以精密机电及控制等技术为基础的专用、高端试验装备,在航空、航天、兵器、船舶、电子等工程领域具有重要的应用价值,具有广阔的发展前景。

标签:航空飞行运动仿真
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