无人机惯性测量单元（IMU） 实验室测试方案

一、测试方案概述

1.1 测试目的

无人机惯性测量单元（IMU）作为无人机姿态感知、位置解算的核心部件，其测量精度、稳定性、动态响应特性直接决定无人机飞行控制的可靠性与安全性。本测试方案旨在通过实验室可控环境，系统性验证无人机IMU在静态、动态等不同工况下的性能指标，全面排查潜在性能缺陷，为IMU选型、优化设计及无人机飞行控制系统调试提供精准、可靠的测试数据支撑，确保IMU满足无人机预定飞行任务的性能要求。

1.2 测试范围

本方案覆盖无人机IMU核心性能参数的实验室测试，主要包括：静态精度测试（零偏、标度因数误差、安装误差）、动态响应测试（角速率跟踪精度、加速度跟踪精度）、环境适应性测试（温度、湿度影响）、稳定性测试（长时间工作性能）及数据输出一致性测试等。测试对象为某型号无人机配套的IMU模块，测试环境限定为专业实验室可控环境，不涉及户外真实飞行工况测试。

1.3 参考标准与依据

本测试方案制定过程中，主要参考以下标准与依据：

• JJF 1535-2015 微机电(MEMS)陀螺仪校准规范

• JJF 1427-2013 微机电(MEMS)线加速度计校准规范

• GBT 28587-2012 《移动测量系统惯性测量单元》

• GB/T 38996-2020 《民用轻小型固定翼无人机飞行控制系统通用要求》

• GJB 2426A-2015 《光纤陀螺仪测试方法》

• IMU模块产品技术手册及无人机飞行控制系统设计要求

• 相关航空航天惯性导航设备测试规范

二、测试环境与设备

2.1 实验室环境要求

为确保测试数据的准确性与稳定性，实验室环境需满足以下条件：

• 温度：（20±5）℃

• 相对湿度：≤85%RH，无凝露

• 振动：≤0.1g，避免外界振动干扰

• 电磁环境：符合GB/T 17618-2015要求，远离强电磁干扰源

• 供电：稳定交流220V±10%，频率50Hz±1Hz，配备不间断电源（UPS）

2.2 核心测试设备清单

测试设备需经过计量校准并在有效期内，具体清单及用途如下表所示：

三、测试内容与步骤

3.1 测试前准备

1. 设备检查：确认所有测试设备供电正常，经过计量校准且在有效期内；检查转台、振动台等设备运行状态，确保无异常噪音、卡顿现象。

2. 环境确认：调节实验室温度、相对湿度至测试要求范围，确保环境无明显振动、电磁干扰。

3. IMU安装与连接：通过安装工装将IMU精准固定于测试平台，连接IMU供电线、数据线，确保连接牢固、接触良好；将数据采集卡与电脑端测试软件建立通信，完成参数配置（采样率、数据格式等）。

4. 预热与初始化：为IMU供电并进行预热，预热时间不少于30分钟；启动IMU初始化程序，完成自校准后，确认IMU输出数据稳定（无跳变、异常值）。

3.2 静态精度测试

静态精度测试旨在验证IMU在静止状态下的测量误差，核心测试参数包括陀螺零偏、加速度计零偏、标度因数误差及安装误差。

3.2.1 陀螺零偏测试

1. 将IMU固定于水平测试台，确保IMU敏感轴与水平面平行，无角位移激励。

2. 启动数据采集系统，设置采样率为100Hz，持续采集IMU三轴陀螺输出数据，采集时长为2小时。

3. 采集完成后，对数据进行处理：剔除异常值（采用3σ准则），计算三轴陀螺输出数据的平均值与标准差，平均值即为陀螺零偏误差。

4. 记录测试数据，与产品技术手册规定的零偏指标进行对比，判断是否合格。

3.2.2 加速度计零偏测试

1. 保持IMU静止状态，调整IMU姿态，使三轴加速度计分别处于水平、垂直向上、垂直向下三种姿态（每种姿态确保IMU稳定5分钟）。

2. 在每种姿态下，以100Hz采样率持续采集IMU三轴加速度计输出数据，每种姿态采集时长为30分钟。

3. 数据处理：剔除异常值后，计算每种姿态下加速度计输出数据的平均值；根据重力加速度标准值（9.80665m/s²），计算加速度计零偏误差（测量值与理论值的偏差）。

4. 记录各姿态下的零偏数据，验证是否符合指标要求。

3.2.3 标度因数误差测试

1. 陀螺标度因数测试：将IMU固定于高精度转台，使转台旋转轴与IMU某一陀螺敏感轴重合；设置转台以不同角速率（如5°/s、10°/s、20°/s、50°/s、100°/s）匀速旋转，在正转、反转方向输人角速率范围内，分别不少于11个角速率点，每个角速率稳定运行1分钟，采集IMU陀螺输出数据。更换其他两轴敏感轴，重复上述测试。

2. 加速度计标度因数测试：将IMU固定于转台，使转台旋转轴与IMU某一加速度计敏感轴重合；在正转、反转方向按角度增量θ=360/n转动转台，在每一角位置上记录加速度计的输出值。更换其他两轴敏感轴，重复上述测试。

3. 数据处理：根据转台设定的标准激励值与IMU实际输出值，采用最小二乘法拟合标度因数曲线，计算标度因数误差（拟合值与理论标度因数的偏差）。

4. 记录各轴标度因数误差，判断是否符合指标要求。

3.2.4 安装误差测试

1. 将IMU固定于转台，通过安装工装确保IMU坐标系与转台坐标系初始对齐；设置转台绕X、Y、Z轴分别进行小角度（±5°）步进旋转，每步停留30秒，采集IMU三轴陀螺输出数据。

2. 基于转台实际旋转角度与IMU输出角度数据，建立安装误差模型，通过最小二乘法求解安装误差角。

3. 记录安装误差数据，若误差超过允许范围，需重新调整安装工装并再次测试。

3.3 动态响应测试

动态响应测试旨在验证IMU在动态激励下的跟踪精度与响应速度，核心测试参数包括角速率跟踪误差、加速度跟踪误差及动态响应时间。

3.3.1 陀螺动态跟踪测试

1. 将IMU固定于转台，使转台旋转轴与IMU陀螺敏感轴重合；启动转台，按照预设的动态激励曲线（如阶跃、正弦、三角波）运行，阶跃角速率范围：0~100°/s，正弦角速率幅值：0~50°/s，频率：0.1~10Hz。

2. 同步启动数据采集系统，采集转台基准角速率数据与IMU陀螺输出数据，采样率设置为1kHz。

3. 数据处理：对比IMU输出数据与转台基准数据，计算动态跟踪误差（峰值误差、均方根误差）；通过阶跃响应曲线，计算陀螺的上升时间、调整时间等动态响应参数。

4. 更换其他两轴敏感轴，重复上述测试，记录各轴动态性能数据。

3.3.2 加速度计动态跟踪测试

1. 将IMU固定于振动台，输人基准轴（IRA）的方向与振动台的振动方向平行；启动振动台，按照预设的动态激励曲线（阶跃、正弦）运行，阶跃加速度范围：0~20g，正弦加速度幅值：0~10g，频率：0.1~50Hz。

2. 同步采集振动台基准加速度数据与IMU加速度计输出数据，采样率设置为1kHz。

3. 数据处理：对比两者数据，计算动态跟踪误差（峰值误差、均方根误差）；通过阶跃响应曲线，计算加速度计的上升时间、调整时间等动态响应参数。

4. 更换其他两轴敏感轴，重复上述测试，记录各轴动态性能数据。

3.4 环境适应性测试

环境适应性测试旨在验证IMU在不同温湿度环境下的性能稳定性，重点测试温度对IMU精度的影响。

3.4.1 低温环境测试

1. 将固定有IMU的测试工装放入高低温湿热试验箱，连接好供电线、数据线（确保线缆可随试验箱门关闭正常工作）。

2. 设置试验箱温度为IMU下限工作温度，保温至IMU输出稳定。

3. 在低温环境下，重复3.2节静态精度测试与3.3节动态响应测试的核心项目（陀螺零偏、加速度计零偏、阶跃跟踪误差），采集并记录测试数据。

4. 测试完成后，将试验箱温度恢复至室温，保持30分钟，观察IMU输出数据是否恢复正常。

3.4.2 高温环境测试

1. 设置试验箱温度为IMU上限工作温度，保温至IMU输出稳定。

2. 在高温环境下，重复3.2节静态精度测试与3.3节动态响应测试的核心项目，采集并记录测试数据。

3. 测试完成后，将试验箱温度恢复至室温，保持30分钟，观察IMU输出数据是否恢复正常。

3.5 稳定性测试（长时间工作测试）

1. 将IMU置于标准实验室环境（20℃±5℃，≤85%RH），固定于水平测试台，确保供电稳定、数据传输正常。

2. 启动IMU并预热30分钟，设置数据采集系统以100Hz采样率持续采集IMU输出数据，采集时长为12小时。

3. 数据处理：每隔30min提取一次陀螺零偏、加速度计零偏数据，分析数据随时间的变化趋势；计算12小时内数据的最大波动范围，验证IMU长时间工作的稳定性。

3.6 数据输出一致性测试

1. 选取3台同型号IMU样品，在相同实验室环境、相同测试设备及相同测试参数下，分别进行3.2节静态精度测试。

2. 采集并记录3台IMU的陀螺零偏、加速度计零偏、标度因数误差等核心数据。

3. 计算3台IMU同一参数的变异系数（标准差/平均值），验证同型号IMU产品的输出一致性。

四、数据处理与判定标准

4.1 数据处理方法

• 异常值剔除：采用3σ准则剔除测试数据中的异常值，确保数据有效性。

• 精度指标计算：零偏误差采用平均值法计算，标度因数误差采用最小二乘法拟合计算，跟踪误差采用峰值误差与均方根误差（RMSE）计算。

• 数据可视化：通过测试软件绘制数据曲线（如零偏随时间变化曲线、动态跟踪对比曲线），直观呈现IMU性能变化趋势。

• 重复性验证：对同一测试项目进行3次重复测试，计算测试结果的重复性误差，确保测试数据可靠。

4.2 判定标准

依据IMU产品技术手册及无人机飞行控制系统设计要求，制定以下核心性能指标判定标准（可根据实际产品参数调整）：

若测试数据全部满足上述指标要求，则判定IMU实验室测试合格；若存在任意一项指标不满足要求，需分析原因（如安装误差、设备干扰、IMU自身缺陷等），并重新进行测试验证。

五、测试安全与注意事项

• 设备操作安全：操作人员需熟悉各测试设备的操作规范，严格按照操作规程启动、运行设备；转台、振动台运行过程中，禁止靠近设备旋转/振动部位，避免发生机械伤害。

• 电气安全：确保所有测试设备接地良好，避免漏电事故；连接、拆卸线缆前，需先切断设备电源，防止短路损坏设备或IMU模块。

• 温湿度测试安全：高低温试验箱运行过程中，禁止随意打开箱门，避免温差过大造成人员烫伤/冻伤；测试完成后，需待箱内温度恢复至室温后再取出测试样品。

• 数据安全：测试过程中实时保存测试数据，定期备份数据文件；测试完成后，对数据进行分类整理，确保数据可追溯。

• 设备维护：测试结束后，关闭所有测试设备电源，清理设备表面灰尘；定期对转台、振动台等设备进行润滑、校准，确保设备长期稳定运行。

六、测试报告编制

测试完成后，需编制详细的无人机IMU实验室测试报告，报告应包含以下内容：

• 测试概述：包括测试目的、测试范围、测试依据、测试环境等。

• 测试设备：列出所有测试设备的型号、规格、计量校准情况等。

• 测试过程：详细描述各测试项目的测试步骤、测试参数设置等。

• 测试数据：整理并呈现各测试项目的原始数据、处理后数据及数据曲线。

• 结果分析：对比测试数据与合格指标要求，分析IMU性能表现；针对测试中发现的问题，提出原因分析及改进建议。

• 测试结论：明确判定IMU实验室测试是否合格。

• 附件：包括原始测试数据、测试设备校准证书、测试现场照片等。