1. نظرة عامة على خطة الاختبار

1.1 هدف الاختبار

وحدة القياس القصوري (IMU) للطائرات بدون طيار، كمكون أساسي لاستشعار وضعية الطائرة وحساب الموضع، تحدد دقة القياس واستقرارها وخصائص الاستجابة الديناميكية بشكل مباشر موثوقية وأمان التحكم في طيران الطائرة. يهدف هذا البرنامج الاختباري إلى التحقق بشكل منهجي من مؤشرات أداء IMU للطائرات بدون طيار في ظروف عمل مختلفة مثل الوضعية والديناميكية في بيئة معملية قابلة للتحكم، وفحص جميع العيوب المحتملة في الأداء، وتقديم دعم بيانات اختبار دقيق وموثوق لاختيار IMU وتحسين تصميمه وضبط نظام التحكم في طيران الطائرة، لضمان تلبية IMU لمتطلبات الأداء المطلوبة لمهمة الطيران المحددة للطائرة بدون طيار.

1.2 نطاق الاختبار

يغطي هذا البرنامج الاختبار المختبري للمعايير الأساسية لأداء وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) للطائرات بدون طيار، بما في ذلك: اختبار الدقة الساكنة (الانحراف الثابت، خطأ عامل المقياس، خطأ التثبيت)، اختبار الاستجابة الديناميكية (دقة تتبع معدل الدوران، دقة تتبع التسارع)، اختبار التكيف البيئي (تأثير درجة الحرارة والرطوبة)، اختبار الاستقرار (أداء العمل لفترات طويلة)، واختبار اتساق إخراج البيانات. يتم اختبار وحدة IMU المرافقة لنموذج معين من الطائرات بدون طيار، مع تحديد بيئة الاختبار في مختبر محترف قابل للتحكم، دون تضمين اختبار ظروف الطيران الفعلية في الهواء الطلق.

1.3 المعايير المرجعية والأسس

في عملية وضع خطة الاختبار هذه، تم الرجوع بشكل رئيسي إلى المعايير والأسس التالية:

JJF 1535-2015 مواصفات معايرة الجيروسكوبات الدقيقة الإلكترونية الميكانيكية (MEMS)

JJF 1427-2013 مواصفات معايرة مقياس التسارع الخطي للأنظمة الدقيقة الكهربائية الميكانيكية (MEMS)

GBT 28587-2012 "وحدة القياس القصوري للنظام القياسي المتنقل"

GB/T 38996-2020 "المتطلبات العامة لنظام التحكم في طيران الطائرات بدون طيار ذات الأجنحة الثابتة الصغيرة والمتوسطة الحجم المدنية"

GJB 2426A-2015 "طريقة اختبار الليزر الليفي الجيروسكوبية"

دليل تقني منتجات وحدة IMU ومتطلبات تصميم نظام تحكم طيران الطائرات بدون طيار

مواصفات اختبار معدات الملاحة القصورية الفضائية ذات الصلة

ثانياً، بيئة الاختبار والمعدات

2.1 متطلبات بيئة المختبر

لضمان دقة واستقرار بيانات الاختبار، يجب أن تفي بيئة المختبر بالشروط التالية:

درجة الحرارة: (20±5) درجة مئوية

الرطوبة النسبية: ≤85% RH، بدون تكثف

الاهتزاز: ≤0.1g، تجنب التداخل بالاهتزازات الخارجية

البيئة الكهرومغناطيسية: تتوافق مع متطلبات GB/T 17618-2015، بعيدًا عن مصادر التداخل الكهرومغناطيسي القوية

التيار الكهربائي: تيار متردد مستقر 220 فولت ±10٪، تردد 50 هرتز ±1 هرتز، مزود بمصدر طاقة غير منقطع (UPS)

2.2 قائمة معدات الاختبار الأساسية

يجب أن تكون معدات الاختبار معتمدة عدديًا وفي صلوحية، وقائمة التفاصيل والاستخدامات كما هو موضح في الجدول التالي:

3. محتوى الاختبار والخطوات

3.1 التحضير قبل الاختبار

1. فحص المعدات: التأكد من أن جميع معدات الاختبار تعمل بالطاقة بشكل طبيعي، ومعايرة وقياسية وفعالة خلال فترة الصلاحية؛ فحص حالة تشغيل المعدات مثل المنصة الدوارة ومنصة الاهتزاز، وضمان عدم وجود ضوضاء غير طبيعية أو توقف مؤقت.

2.  تأكيد البيئة: ضبط درجة حرارة المختبر والرطوبة النسبية إلى نطاق متطلبات الاختبار، وضمان خلو البيئة من الاهتزازات الواضحة والتدخلات الكهرومغناطيسية.

3. تركيب IMU واتصاله: يتم تثبيت IMU بدقة على منصة الاختبار باستخدام أدوات التركيب، ثم يتم توصيل أسلاك طاقة IMU وأسلاك البيانات مع التأكد من التوصيل المتين واتصال جيد؛ يتم إنشاء اتصال بين بطاقة جمع البيانات وبرنامج الاختبار على الكمبيوتر، وإكمال تكوين المعلمات (معدل العينة، تنسيق البيانات، إلخ).

4. التسخين والتهيئة: تزويد IMU بالطاقة وتسخينه، مع ضمان وقت تسخين لا يقل عن 30 دقيقة؛ تشغيل برنامج تهيئة IMU، وبعد الانتهاء من المعايرة الذاتية، التأكد من استقرار بيانات إخراج IMU (بدون قفزات أو قيم غير طبيعية).

3.2 اختبار الدقة الثابتة

يهدف اختبار الدقة الساكن إلى التحقق من خطأ القياس في حالة الوضعية للجهاز الملاحي، وتشمل المعلمات الأساسية للاختبار انحراف الجيروسكوب، انحراف مقياس التسارع، خطأ معامل التوقيع، وخطأ التثبيت.

3.2.1 اختبار انحراف الجيروسكوب

1. قم بتثبيت وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) على منصة الاختبار الأفقية، مع التأكد من أن المحور الحساس لـ IMU موازٍ لمستوى الأفق دون أي تحفيز لزاوية الإزاحة.

2. تشغيل نظام جمع البيانات، وضبط معدل أخذ العينات على 100 هرتز، واستمرار جمع بيانات إخراج الجيروسكوب ثلاثي المحاور من IMU، لمدة ساعتين.

3. بعد الانتهاء من جمع البيانات، يتم معالجة البيانات: استبعاد القيم الشاذة (باستخدام معيار 3σ)، وحساب متوسط وانحراف معياري لبيانات إخراج الجيروسكوب ثلاثي المحاور، حيث يمثل المتوسط خطأ انحياز الجيروسكوب.

4. تسجيل بيانات الاختبار، ومقارنتها مع مؤشر الانحراف الصفري المحدد في دليل المنتج الفني، وتحديد ما إذا كانت مطابقة للمواصفات.

3.2.2 اختبار انحراف مقياس التسارع

1. احتفظ بوضعية IMU ثابتة، وضبط وضعية IMU بحيث يكون مقياس التسارع ثلاثي المحاور في ثلاثة وضعيات: الأفقية، والعمودية لأعلى، والعمودية لأسفل (تأكد من استقرار IMU لمدة 5 دقائق في كل وضعية).

2. في كل وضعية، يتم جمع بيانات إخراج مقياس التسارع ثلاثي المحاور من وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) باستمرار بمعدل أخذ عينات 100 هرتز، ويستمر جمع البيانات في كل وضعية لمدة 30 دقيقة.

3. معالجة البيانات: بعد استبعاد القيم الشاذة، يتم حساب متوسط بيانات إخراج مقياس التسارع لكل وضعية؛ وبناءً على القيمة القياسية لتسارع الجاذبية (9.80665 م/ث²)، يتم حساب خطأ التحيز لمقياس التسارع (الانحراف بين القيمة المقاسة والقيمة النظرية).

4. تسجيل بيانات الانحراف الصفر في كل وضعية، والتحقق من مطابقتها لمتطلبات المؤشرات.

3.2.3 اختبار خطأ عامل القياس

1. اختبار عامل مقياس الجيروسكوب: ثبت IMU على منصة دوران عالية الدقة بحيث يتطابق محور دوران المنصة مع أحد المحاور الحساسة للجيروسكوب في IMU؛ ضع المنصة للدوران بسرعات زاوية مختلفة (مثل 5°/s، 10°/s، 20°/s، 50°/s، 100°/s) بسرعة ثابتة، وفي نطاق سرعة الزاوية الداخلة في الاتجاه الأمامي والعكسي، يجب أن يكون هناك ما لا يقل عن 11 نقطة سرعة زاوية، مع تشغيل كل سرعة زاوية بشكل مستقر لمدة دقيقة واحدة، وجمع بيانات إخراج الجيروسكوب من IMU. قم بتغيير المحورين الحساسين الآخرين وكرر الاختبار المذكور أعلاه.

2. اختبار معامل مقياس مقياس التسارع: ثبت جهاز القياس بالقصور الذاتي (IMU) على منصة الدوران بحيث يتطابق محور دوران المنصة مع أحد محاور حساسية مقياس التسارع في IMU؛ قم بتدوير المنصة في اتجاهين عكسيين بزيادة زاوية θ=360/n، وسجل قيم إخراج مقياس التسارع في كل زاوية. قم بتغيير محاور الحساسية الأخرى وكرر الاختبار المذكور أعلاه.

3. معالجة البيانات: وفقًا للقيمة المحفزة القياسية المحددة على منصة الدوران والقيمة الفعلية المخرجة من وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU)، يتم استخدام طريقة المربعات الصغرى لملاءمة منحنى معامل التكبير، وحساب خطأ معامل التكبير (الانحراف بين القيمة الملائمة ومعامل التكبير النظري).

4. تسجيل أخطاء معاملات مقياس المحاور وتحديد ما إذا كانت تتوافق مع متطلبات المؤشرات.

3.2.4 اختبار خطأ التثبيت

1. تثبيت IMU على منصة الدوران، وضمان المحاذاة الأولية لنظام إحداثيات IMU مع نظام إحداثيات المنصة باستخدام أدوات التثبيت؛ ضبط المنصة لتدور بزوايا صغيرة (±5°) حول المحاور X وY وZ على التوالي، مع البقاء في كل خطوة لمدة 30 ثانية، وجمع بيانات إخراج الجيروسكوب الثلاثي المحاور من IMU.

2. بناء نموذج خطأ التثبيت بناءً على زاوية الدوران الفعلية للطاولة وبيانات زاوية إخراج IMU، وحل زاوية خطأ التثبيت باستخدام طريقة المربعات الصغرى.

3. تسجيل بيانات خطأ التثبيت، إذا تجاوز الخطأ النطاق المسموح به، يجب إعادة ضبط أدوات التثبيت وإعادة الاختبار.

3.3 اختبار الاستجابة الديناميكية

اختبار الاستجابة الديناميكية يهدف إلى التحقق من دقة التتبع وسرعة الاستجابة لوحدة قياس الحركة (IMU) تحت التحفيز الديناميكي، وتشمل معايير الاختبار الأساسية خطأ تتبع السرعة الزاوية، خطأ تتبع التسارع، ووقت الاستجابة الديناميكي.

3.3.1 اختبار تتبع ديناميكي للجايروسكوب

1. ثبت وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) على منصة الدوران بحيث يتطابق محور دوران المنصة مع المحور الحساس للجايروسكوب في IMU. ابدأ تشغيل المنصة وقم بتشغيلها وفقًا لمنحنى الإثارة الديناميكية المحدد مسبقًا (مثل الدرجات، الجيبية، المثلثية). نطاق سرعة الزاوية الدرجية: 0~100°/s، سعة سرعة الزاوية الجيبية: 0~50°/s، التردد: 0.1~10Hz.

2. تشغيل نظام جمع البيانات بشكل متزامن، وجمع بيانات معدل الزاوية الأساسية للطاولة الدوارة وبيانات جيروسكوب IMU، مع ضبط معدل أخذ العينات على 1 كيلوهرتز.

3. معالجة البيانات: مقارنة بيانات إخراج IMU مع بيانات مرجعية للطاولة الدوارة، وحساب أخطاء التتبع الديناميكية (أقصى خطأ، جذر متوسط الخطأ التربيعي)؛ من خلال منحنى الاستجابة للخطوة، حساب معايير الاستجابة الديناميكية مثل وقت الصعود ووقت الضبط للجايروسكوب.

4. استبدال المحور الحساس الآخران، كرر الاختبار المذكور أعلاه، وسجل بيانات الأداء الديناميكي لكل محور.

3.3.2 اختبار التتبع الديناميكي للمقاس السرعة

1. ثبت جهاز القياس بالقصور الذاتي (IMU) على منصة الاهتزاز، بحيث يكون اتجاه المحور المرجعي (IRA) موازياً لاتجاه اهتزاز المنصة. قم بتشغيل المنصة وفقاً لمنحنى الإثارة الديناميكية المحدد مسبقاً (خطوة، جيبية)، مع نطاق تسارع الخطوة: 0~20g، وسعة تسارع الجيبية: 0~10g، والتردد: 0.1~50Hz.

2. جمع بيانات تسارع المنصة الاهتزازية الأساسية وبيانات تسارع IMU بشكل متزامن، مع ضبط معدل أخذ العينات على 1 كيلوهرتز.

3. معالجة البيانات: مقارنة البيانات بين الاثنين، وحساب خطأ التتبع الديناميكي (خطأ الذروة، جذر متوسط الخطأ التربيعي)؛ من خلال منحنى الاستجابة للخطوة، حساب معايير الاستجابة الديناميكية مثل وقت الصعود ووقت الضبط للمقياس التسارعي.

4. استبدل المحور الحساس الآخران، كرر الاختبار المذكور أعلاه، وسجل بيانات الأداء الديناميكي لكل محور.

3.4 اختبار التكيف البيئي

اختبار التكيف البيئي يهدف إلى التحقق من استقرار أداء وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) في بيئات مختلفة من درجات الحرارة والرطوبة، مع التركيز على اختبار تأثير درجة الحرارة على دقة IMU.

3.4.1 اختبار البيئة منخفضة الحرارة

1. ضع جهاز الاختبار المثبت به IMU في حجرة اختبار الحرارة والرطوبة العالية والمنخفضة، وقم بتوصيل أسلاك التغذية وخطوط البيانات (تأكد من أن الكابلات تعمل بشكل طبيعي عند إغلاق باب حجرة الاختبار).

2. ضبط درجة حرارة صندوق الاختبار إلى الحد الأدنى لدرجة حرارة عمل IMU، والحفاظ على هذا الحرارة حتى يصبح إخراج IMU مستقرًا.

3. في البيئة ذات درجات الحرارة المنخفضة، كرر المشاريع الأساسية لاختبار الدقة الساكنة في القسم 3.2 واختبار الاستجابة الديناميكية في القسم 3.3 (انحراف الجيروسكوب، انحراف الجيروسكوب، خطأ تتبع الخطوة)، وقم بجمع وتسجيل بيانات الاختبار.

4. بعد انتهاء الاختبار، استعيد درجة حرارة صندوق الاختبار إلى درجة حرارة الغرفة واحتفظ بها لمدة 30 دقيقة، ثم راقب ما إذا كانت بيانات إخراج IMU قد عادت إلى طبيعتها.

3.4.2 اختبار البيئة ذات درجات الحرارة العالية

1. ضبط درجة حرارة صندوق الاختبار على درجة حرارة العمل القصوى لـ IMU، والحفاظ على درجة الحرارة حتى يصبح إخراج IMU مستقرًا.

2. في بيئة عالية الحرارة، كرر الاختبارات الأساسية لدقة السكون في القسم 3.2 واختبار الاستجابة الديناميكية في القسم 3.3، وقم بجمع وتسجيل بيانات الاختبار.

3. بعد انتهاء الاختبار، استعيد درجة حرارة صندوق الاختبار إلى درجة حرارة الغرفة واحتفظ بها لمدة 30 دقيقة، ولاحظ ما إذا كانت بيانات إخراج IMU قد عادت إلى طبيعتها.

3.5 اختبار الاستقرار (اختبار العمل لفترات طويلة)

1. ضع وحدة قياس الحركة (IMU) في بيئة مختبرية قياسية (20℃±5℃، ≤85% رطوبة نسبية)، وثبتها على منصة الاختبار الأفقية، وتأكد من استقرار التغذية الكهربائية ونقل البيانات بشكل طبيعي.

2. تشغيل وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) وتسخينها لمدة 30 دقيقة، ثم ضبط نظام جمع البيانات لجمع بيانات إخراج IMU باستمرار بمعدل عينة 100 هرتز، مع تحديد مدة الجمع لتصل إلى 12 ساعة.

3. معالجة البيانات: استخراج بيانات انحياز الجيروسكوب وانحياز الأكسلريوم كل 30 دقيقة، وتحليل اتجاه تغير البيانات مع مرور الوقت؛ حساب نطاق التذبذب الأقصى للبيانات خلال 12 ساعة، والتحقق من استقرار IMU أثناء العمل لفترات طويلة.

3.6 اختبار اتساق إخراج البيانات

1. اختر 3 عينات من وحدات IMU من نفس الموديل، وأجرِ اختبارات الدقة الساكنة كما هو موضح في القسم 3.2 في نفس بيئة المختبر، وباستخدام نفس معدات الاختبار ونفس معايير الاختبار.

2. جمع وتسجيل البيانات الأساسية لثلاثة أجهزة IMU مثل انحراف الجيروسكوب، انحراف عداد التسارع، وخطأ معامل التحجيم.

3. حساب معامل الاختلاف (انحراف معياري/متوسط) لنفس المعلمة لثلاثة أجهزة IMU، والتحقق من اتساق إخراج منتجات IMU من نفس الموديل.

4. معالجة البيانات ومعايير التقييم

4.1 طرق معالجة البيانات

استبعاد القيم الشاذة: يتم استبعاد القيم الشاذة من بيانات الاختبار باستخدام معيار 3σ لضمان فعالية البيانات.

حساب مؤشرات الدقة: يتم حساب خطأ الانحراف باستخدام طريقة المتوسط، ويتم حساب خطأ معامل المقياس باستخدام طريقة المربعات الصغرى، ويتم حساب خطأ التتبع باستخدام خطأ الذروة والخطأ التربيعي المتوسط (RMSE).

تصور البيانات: رسم منحنيات البيانات (مثل منحنى الانحراف الصفر مع مرور الوقت، منحنى المقارنة الديناميكية) من خلال برنامج الاختبار، لعرض اتجاه تغير أداء IMU بشكل مرئي.

التحقق من التكرار: إجراء اختبار متكرر 3 مرات لنفس عنصر الاختبار، وحساب خطأ التكرار في نتائج الاختبار، لضمان موثوقية بيانات الاختبار.

4.2 معايير التقييم

بناءً على دليل منتج IMU ومتطلبات تصميم نظام التحكم في طيران الطائرة بدون طيار، يتم وضع معايير تحديد المؤشرات الرئيسية للأداء (يمكن تعديلها وفقًا لمعايير المنتج الفعلية):

إذا استوفت بيانات الاختبار جميع متطلبات المؤشرات المذكورة أعلاه، فيُعتبر اختبار المختبر لجهاز IMU ناجحًا؛ وإذا لم يستوف أي مؤشر متطلباته، يجب تحليل الأسباب (مثل أخطاء التركيب، أو تداخل المعدات، أو عيوب في جهاز IMU نفسه) وإعادة اختبار التحقق.

5. أمان الاختبار والاحتياطات

سلامة تشغيل المعدات: يجب على المشغلين الإلمام بمواصفات تشغيل أجهزة الاختبار المختلفة، والالتزام الصارم بإجراءات التشغيل عند بدء تشغيل المعدات وتشغيلها؛ أثناء تشغيل منصات الدوران والهياكل الاهتزازية، يُمنع الاقتراب من أجزاء الدوران/الاهتزاز للمعدات لتجنب الإصابات الميكانيكية.

السلامة الكهربائية: تأكد من تأريض جميع معدات الاختبار بشكل جيد لتجنب حوادث تسرب الكهرباء؛ قبل توصيل أو فصل الكابلات، يجب قطع إمداد الطاقة عن الجهاز لمنع حدوث قصر كهربائي قد يتلف الجهاز أو وحدة IMU.

اختبارات درجة الحرارة والرطوبة آمنة: أثناء تشغيل غرفة اختبار درجات الحرارة العالية والمنخفضة، يُمنع فتح باب الغرفة بشكل عشوائي لتجنب الإصابات الحرارية أو التجميد الناجمة عن اختلاف كبير في درجة الحرارة. بعد انتهاء الاختبار، يجب الانتظار حتى تعود درجة الحرارة داخل الغرفة إلى درجة حرارة الغرفة قبل إخراج عينات الاختبار.

أمن البيانات: حفظ بيانات الاختبار في الوقت الفعلي أثناء عملية الاختبار، ونسخ ملفات البيانات احتياطيًا بانتظام؛ بعد اكتمال الاختبار، يتم تصنيف وتنظيم البيانات لضمان إمكانية تتبعها.

صيانة المعدات: بعد انتهاء الاختبار، قم بإيقاف تشغيل جميع أجهزة الاختبار وتنظيف الغبار عن أسطح المعدات؛ وأضف تزييت وضبطًا منتظمًا لأجهزة مثل المنصات الدوارة ومنصات الاهتزاز لضمان التشغيل المستقر طويل الأجل للمعدات.

6. إعداد تقرير الاختبار

بعد اكتمال الاختبار، يجب إعداد تقرير مختبري مفصل لاختبار IMU للطائرة بدون طيار، ويجب أن يشمل التقرير المحتويات التالية:

ملخص الاختبار: يشمل أهداف الاختبار، نطاق الاختبار، أساس الاختبار، بيئة الاختبار، وما إلى ذلك.

معدات الاختبار: سرد جميع نماذج معدات الاختبار ومواصفاتها وحالة المعايرة وغيرها.

عملية الاختبار: وصف مفصل لخطوات اختبار كل عنصر واختيار معلمات الاختبار وما إلى ذلك.

بيانات الاختبار: تنظيم وعرض البيانات الأولية لمشاريع الاختبار، والبيانات المعالجة، ومنحنيات البيانات.

تحليل النتائج: مقارنة بيانات الاختبار مع متطلبات المؤشرات المؤهلة، وتحليل أداء IMU؛ واقتراح تحليل الأسباب واقتراحات التحسين للمشكلات المكتشفة أثناء الاختبار.

الاستنتاج الاختباري: تحديد ما إذا كانت اختبارات المختبر لـ IMU مؤهلة أم لا.

المرفقات: تشمل بيانات الاختبار الأصلية، شهادة معايرة معدات الاختبار، صور موقع الاختبار، وما إلى ذلك.