基于CP-132UL V2的IMU地面測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

2 CP-132UL V2簡(jiǎn)介
    CP一132UL V2是Moxa公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)多串口采集板，可信賴的信息傳輸最遠(yuǎn)可達(dá)4 000英尺，最大波特率為92 160 b／s，使其傳輸RS一422／485的信息傳輸像RS一232一樣簡(jiǎn)單?；贑P一132UL V2的自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸控制的特點(diǎn)可為數(shù)據(jù)通道的開啟和關(guān)閉提供精確的時(shí)間控制，即使在高速數(shù)據(jù)傳輸下，也不會(huì)產(chǎn)生故障。將該器件置于電路板中的終端電阻器，為電阻器提供合適的阻值。絕緣保護(hù)方案可使電路板能夠承受2 000 V的高壓。下面給出CP-132UL V2的接口針?lè)峙鋱D，其中圖1是電路板和計(jì)算機(jī)的接口，25針結(jié)構(gòu)，可以直接插入工控機(jī)的主板插槽，表1為其各針接口功能；圖2是與設(shè)備連接的接口，9針結(jié)構(gòu)，連接需要測(cè)量的信號(hào)發(fā)生器，表2為其各針接口功能。

3 標(biāo)定測(cè)試方法
    IMU的核心部件是陀螺和加速度計(jì)，由于陀螺和加速度計(jì)自身的標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差因素的影響，使得IMU輸出存在較大誤差，所以需要標(biāo)定IMU實(shí)現(xiàn)輸出補(bǔ)償。

    采用分立標(biāo)定方法標(biāo)定慣組的誤差參數(shù)，所謂分立標(biāo)定方法就是直接利用加速度計(jì)和陀螺的輸出作為觀測(cè)量，與已知基準(zhǔn)信息相比較從而確定誤差參數(shù)。標(biāo)定測(cè)試主要包括：①加速度計(jì)誤差參數(shù)的標(biāo)定；②陀螺標(biāo)度因數(shù)以及安裝誤差系數(shù)的標(biāo)定；③陀螺常值漂移的標(biāo)定；④標(biāo)定結(jié)果評(píng)估。

4 標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)
    基于CP-132UL V2的標(biāo)定測(cè)試軟件主要包括RS-422串行通訊，靜漂測(cè)試和標(biāo)定測(cè)試等功能模塊。
4．1 RS-422串行通訊
    地面測(cè)試設(shè)備通過(guò)RS-422串行總線與慣組通訊，主要完成慣組數(shù)據(jù)接收和慣組誤差補(bǔ)償參數(shù)寫入，其波特率為921．6 Kb／s。而數(shù)據(jù)包括幀計(jì)數(shù)、3路陀螺數(shù)據(jù)及溫度3路加表數(shù)據(jù)及溫度，以及溫度控制板溫度。慣組的數(shù)據(jù)每隔10 ms發(fā)送一組數(shù)據(jù)。利用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)RS一422串口通信的訪問(wèn)，在實(shí)現(xiàn)控制通信中，主要調(diào)用3個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口控制：首先配置串口，串口打開，然后通過(guò)對(duì)串口操作，接收數(shù)據(jù)后，關(guān)閉串口。程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。設(shè)計(jì)時(shí)，串口設(shè)計(jì)是針對(duì)CP-132UL V2采集板，由于采集板內(nèi)部可自動(dòng)分配地址，所以不需要對(duì)硬件做任何操作，只需在軟件上編寫串口功能即可實(shí)現(xiàn)串口通訊。

4．2 靜漂測(cè)試
    靜漂測(cè)試主要是對(duì)慣組進(jìn)行一次通電穩(wěn)定性測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)采樣周期T、測(cè)試數(shù)據(jù)組數(shù)N可預(yù)先設(shè)定，最后計(jì)算靜漂測(cè)試數(shù)據(jù)平均值和隨機(jī)誤差，評(píng)估慣組穩(wěn)定性。
    設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意的是采樣周期和測(cè)試組數(shù)可任意設(shè)定，所以要將采樣周期和測(cè)試組數(shù)設(shè)為全局變量，計(jì)算平均值和隨機(jī)誤差時(shí)，只需將前面采集的數(shù)值進(jìn)行簡(jiǎn)單算法。
4．3 標(biāo)定測(cè)試
4．3．1 加速度計(jì)標(biāo)定
    加速度計(jì)誤差參數(shù)的標(biāo)定采用在重力場(chǎng)靜態(tài)條件下多位置標(biāo)定方法。慣組加溫穩(wěn)定以后，按照表3所示的12個(gè)位置順序進(jìn)行標(biāo)定。

    在測(cè)試過(guò)程中，如果某個(gè)位置數(shù)據(jù)不夠理想，可重新測(cè)定，也可在完成所有位置測(cè)試后，重新測(cè)定某個(gè)或幾個(gè)位置。所以在程序設(shè)計(jì)中，需要增加允許糾錯(cuò)補(bǔ)錯(cuò)功能，為每個(gè)位置設(shè)定其標(biāo)志符，并且確定每個(gè)位置數(shù)據(jù)存入的數(shù)組位置，這樣重新測(cè)定某個(gè)位置后，新數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)補(bǔ)錯(cuò)功能。由于前面每個(gè)位置的數(shù)據(jù)都固定位置，所以處理數(shù)據(jù)時(shí)只需到已確定的位置讀取數(shù)據(jù)即可。
4．3．2 陀螺標(biāo)度因數(shù)與安裝誤差系數(shù)的標(biāo)定
    采用速率標(biāo)定方法來(lái)標(biāo)定陀螺標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差系數(shù)。按X、Y、Z軸標(biāo)定，允許糾錯(cuò)或補(bǔ)錯(cuò)。在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)，利用轉(zhuǎn)臺(tái)的正反轉(zhuǎn)相互抵消地球角速度的影響。為了減小轉(zhuǎn)臺(tái)不水平的影響，采用提高轉(zhuǎn)速的方法，以高于30°／s的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于地球自轉(zhuǎn)角速率相對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速來(lái)說(shuō)很?。虼藢⑥D(zhuǎn)臺(tái)近似視為繞慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)。為了避免動(dòng)態(tài)效應(yīng)．轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)和停止均不包括在測(cè)試時(shí)間之內(nèi)。為提高試驗(yàn)精度，采用整圈標(biāo)定法，其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為120 s，轉(zhuǎn)數(shù)為10圈。
4．3．3 陀螺零位的標(biāo)定
    取天北西，天南東，地南西，地北東4個(gè)位置，每個(gè)位置靜態(tài)測(cè)試時(shí)間約20 min。設(shè)置4個(gè)標(biāo)志位分別對(duì)應(yīng)4個(gè)位置，然后將4個(gè)位置的數(shù)據(jù)分別存入內(nèi)存數(shù)組中。將存入內(nèi)存數(shù)組中的4個(gè)位置的數(shù)據(jù)分別帶入(1)式得到陀螺零位。陀螺零位為4個(gè)位置陀螺輸出的算術(shù)平均值(Dx0)。

   
4．3．4 程序設(shè)計(jì)流程
    標(biāo)定測(cè)試共分為3步：①位置標(biāo)定，完成對(duì)加速度計(jì)的標(biāo)定；②速率標(biāo)定，標(biāo)定陀螺的安裝誤差和標(biāo)度因數(shù)；(9陀螺常值標(biāo)定。圖4為總程序設(shè)計(jì)流程。按照?qǐng)D4的流程，設(shè)計(jì)圖5所示的測(cè)試軟件。設(shè)計(jì)中首先判斷功能．選擇所需的功能，只需設(shè)置3個(gè)標(biāo)志符，每個(gè)標(biāo)志符對(duì)應(yīng)相應(yīng)的功能。具體測(cè)試功能中，建立3個(gè)類，各個(gè)類編寫各自的測(cè)試功能。位置標(biāo)定時(shí)，由于位置比較多，對(duì)每一個(gè)位置都應(yīng)設(shè)置各自的標(biāo)志符，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中固定位置。這樣處理數(shù)據(jù)時(shí)只需讀取相應(yīng)位置，避免誤操作，縮短操作時(shí)間。在速率標(biāo)定時(shí)，設(shè)置3個(gè)全局變量分別表示3個(gè)軸，同時(shí)在補(bǔ)測(cè)時(shí)，可直接將舊數(shù)據(jù)覆蓋新數(shù)據(jù)。陀螺零位測(cè)試時(shí)，由于測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，在測(cè)試初始化中需占用的數(shù)組存儲(chǔ)空間較大，數(shù)據(jù)處理部分和位置標(biāo)定差不多。圖5是測(cè)試界面。

5 結(jié)果評(píng)估
    將IMU組合置于平板上，利用所測(cè)得的陀螺和加表的各項(xiàng)誤差系數(shù)，根據(jù)陀螺和加表的誤差方程，求得此時(shí)陀螺和加表在標(biāo)得的誤差系數(shù)下的輸入，即陀螺各軸敏感的地球自轉(zhuǎn)角速度和加表各軸敏感的重力加速度，然后與理想的地球自轉(zhuǎn)角速度及重力加速度相比較，評(píng)估標(biāo)定結(jié)果。如果相差在陀螺和加表的精度允許范圍內(nèi)，說(shuō)明標(biāo)定結(jié)果比較滿意。

6 結(jié)語(yǔ)
    CP一132UL V2一端接IMU組合，另一端直接插入工控機(jī)，采用VC6．0編寫滿足測(cè)試方案的測(cè)試軟件。經(jīng)工程測(cè)試證明，測(cè)試軟件與CP一132UL V2兼容性好，在高波特率下工作穩(wěn)定，順利完成IMU的地面測(cè)試。