I. Descripción General del Plan de Pruebas

1.1 Propósito de las Pruebas

La unidad de medición inercial (IMU) del vehículo aéreo no tripulado (VANT), como componente central para la percepción de actitud y el cálculo de posición, determina directamente la fiabilidad y seguridad del control de vuelo del VANT mediante su precisión de medición, estabilidad y características de respuesta dinámica. Este plan de pruebas tiene como objetivo verificar sistemáticamente, en un entorno de laboratorio controlado, los indicadores de rendimiento de la IMU del VANT en diferentes condiciones de trabajo, como estados estáticos y dinámicos, identificar exhaustivamente posibles defectos de rendimiento, y proporcionar datos de prueba precisos y fiables para la selección de la IMU, el diseño optimizado y la puesta a punto del sistema de control de vuelo del VANT, asegurando que la IMU cumple con los requisitos de rendimiento de la misión de vuelo prevista para el VANT.

1.2 Alcance de las Pruebas

Este plan cubre las pruebas de laboratorio de los parámetros de rendimiento central de la IMU del VANT, incluyendo principalmente: pruebas de precisión estática (desvío, error del factor de escala, error de instalación), pruebas de respuesta dinámica (precisión de seguimiento de velocidad angular, precisión de seguimiento de aceleración), pruebas de adaptabilidad ambiental (efectos de temperatura, humedad), pruebas de estabilidad (rendimiento en funcionamiento prolongado) y pruebas de consistencia de salida de datos. El objeto de prueba es el módulo IMU para un modelo determinado de VANT. El entorno de prueba se limita a un entorno controlado de laboratorio profesional y no involucra pruebas en condiciones reales de vuelo exterior.

1.3 Normas y Bases de Referencia

La formulación de este plan de pruebas se basa principalmente en las siguientes normas y bases:

JJF 1535-2015 Especificación de calibración para giroscopios de sistema micro-electromecánico (MEMS)

JJF 1427-2013 Especificación de calibración para acelerómetros lineales de sistema micro-electromecánico (MEMS)

GB/T 28587-2012 "Unidad de medición inercial para sistemas de medición móviles"

GB/T 38996-2020 "Requisitos generales para sistemas de control de vuelo de VANT civiles ligeros y pequeños de ala fija"

GJB 2426A-2015 "Métodos de prueba para giroscopios de fibra óptica"

Manual Técnico del Producto Módulo IMU y Requisitos de Diseño del Sistema de Control de Vuelo del VANT

Especificaciones de Pruebas Relevantes para Equipos de Navegación Inercial Aeroespacial

II. Entorno y Equipos de Prueba

2.1 Requisitos del Entorno de Laboratorio

Para garantizar la exactitud y estabilidad de los datos de prueba, el entorno del laboratorio debe cumplir las siguientes condiciones:

Temperatura: (20±5)°C

Humedad Relativa: ≤85% HR, sin condensación

Vibración: ≤0.1g, evitando interferencias de vibraciones externas

Entorno Electromagnético: Cumple con los requisitos de GB/T 17618-2015, alejado de fuertes fuentes de interferencia electromagnética

Suministro de Energía: CA estable 220V±10%, frecuencia 50Hz±1Hz, equipado con suministro ininterrumpido de energía (UPS)

2.2 Lista de Equipos de Prueba Principales

Los equipos de prueba deben estar calibrados y dentro del período de validez. La lista específica y sus propósitos se muestran en la siguiente tabla:

III. Contenido y Procedimientos de las Pruebas

3.1 Preparación Previo a la Prueba

1.  Verificación del Equipo: Confirmar que todos los equipos de prueba estén energizados normalmente, calibrados y dentro del período de validez; verificar el estado operativo de equipos como la mesa giratoria y la mesa vibratoria para asegurar que no haya ruidos anormales o fenómenos de atasco. 2.  Confirmación del Entorno: Ajustar la temperatura y humedad relativa del laboratorio al rango requerido para la prueba, asegurando que no haya vibraciones o interferencias electromagnéticas significativas. 3.  Instalación y Conexión de la IMU: Fijar con precisión la IMU a la plataforma de prueba utilizando el accesorio de montaje; conectar los cables de alimentación y datos de la IMU, asegurando conexiones firmes y buen contacto; establecer comunicación entre la tarjeta de adquisición de datos y el software de prueba en la PC, completando la configuración de parámetros (frecuencia de muestreo, formato de datos, etc.). 4.  Calentamiento e Inicialización: Alimentar la IMU para un calentamiento de no menos de 30 minutos; iniciar el programa de inicialización de la IMU, y después de la auto-calibración, confirmar que los datos de salida de la IMU sean estables (sin saltos ni valores anómalos).

3.2 Pruebas de Precisión Estática

Las pruebas de precisión estática tienen como objetivo verificar el error de medición de la IMU en estado estacionario. Los parámetros de prueba principales incluyen el desvío del giroscopio, el desvío del acelerómetro, el error del factor de escala y el error de instalación.

3.2.1 Prueba de Desvío del Giroscopio

1.  Fijar la IMU en una mesa de prueba horizontal, asegurando que los ejes sensibles de la IMU estén paralelos al plano horizontal, sin excitación de desplazamiento angular. 2.  Iniciar el sistema de adquisición de datos, establecer la frecuencia de muestreo a 100Hz, y adquirir continuamente los datos de salida del giroscopio de tres ejes de la IMU durante 2 horas. 3.  Después de la adquisición, procesar los datos: eliminar valores atípicos (usando el criterio 3σ), calcular el promedio y la desviación estándar de los datos de salida del giroscopio de tres ejes. El valor promedio es el error de desvío del giroscopio. 4.  Registrar los datos de prueba y comparar con el índice de desvío especificado en el manual técnico del producto para determinar el cumplimiento.

3.2.2 Prueba de Desvío del Acelerómetro

1.  Mantener la IMU en estado estacionario. Ajustar la actitud de la IMU para que los tres acelerómetros estén en orientaciones horizontal, vertical hacia arriba y vertical hacia abajo (estabilizar la IMU durante 5 minutos en cada orientación). 2.  En cada orientación, adquirir continuamente los datos de salida del acelerómetro de tres ejes de la IMU a una frecuencia de muestreo de 100Hz durante 30 minutos por orientación. 3.  Procesamiento de datos: Después de eliminar valores atípicos, calcular el valor promedio de los datos de salida del acelerómetro para cada orientación; basándose en el valor estándar de la gravedad (9.80665 m/s²), calcular el error de desvío del acelerómetro (desviación entre el valor medido y el teórico). 4.  Registrar los datos de desvío para cada orientación y verificar el cumplimiento de los requisitos del índice.

3.2.3 Prueba de Error del Factor de Escala

1.  Prueba del Factor de Escala del Giroscopio: Fijar la IMU en una mesa giratoria de alta precisión, alineando el eje de rotación de la mesa con un eje sensible del giroscopio de la IMU. Configurar la mesa giratoria para que gire a diferentes velocidades angulares (ej. 5°/s, 10°/s, 20°/s, 50°/s, 100°/s) uniformemente. Utilizar no menos de 11 puntos de velocidad angular dentro de los rangos de velocidad angular de entrada positiva y negativa. Cada velocidad angular opera de manera estable durante 1 minuto mientras se adquieren los datos de salida del giroscopio de la IMU. Repetir la prueba para los otros dos ejes sensibles. 2.  Prueba del Factor de Escala del Acelerómetro: Fijar la IMU en la mesa giratoria, alineando el eje de rotación de la mesa con un eje sensible del acelerómetro de la IMU. Hacer girar la mesa en direcciones positiva y negativa con incrementos de ángulo θ=360/n, registrando la salida del acelerómetro en cada posición angular. Repetir para los otros dos ejes. 3.  Procesamiento de datos: Basándose en el valor de excitación estándar establecido por la mesa giratoria y el valor de salida real de la IMU, usar el método de mínimos cuadrados para ajustar la curva del factor de escala y calcular el error del factor de escala (desviación entre el valor ajustado y el factor de escala teórico). 4.  Registrar el error del factor de escala para cada eje y determinar el cumplimiento de los requisitos del índice.

3.2.4 Prueba de Error de Instalación

1.  Fijar la IMU en la mesa giratoria, utilizando el accesorio de montaje para garantizar la alineación inicial del sistema de coordenadas de la IMU con el sistema de coordenadas de la mesa giratoria. Configurar la mesa giratoria para realizar rotaciones paso a paso de ángulo pequeño (±5°) alrededor de los ejes X, Y y Z por separado, haciendo una pausa de 30 segundos en cada paso, y adquirir los datos de salida del giroscopio de tres ejes de la IMU. 2.  Basándose en los ángulos de rotación reales de la mesa giratoria y los datos de ángulo de salida de la IMU, establecer un modelo de error de instalación y resolver los ángulos de error de instalación utilizando el método de mínimos cuadrados. 3.  Registrar los datos de error de instalación. Si el error excede el rango permitido, reajustar el accesorio de montaje y repetir la prueba.

3.3 Pruebas de Respuesta Dinámica

Las pruebas de respuesta dinámica tienen como objetivo verificar la precisión de seguimiento y la velocidad de respuesta de la IMU bajo excitación dinámica. Los parámetros de prueba principales incluyen el error de seguimiento de velocidad angular, el error de seguimiento de aceleración y el tiempo de respuesta dinámica.

3.3.1 Prueba de Seguimiento Dinámico del Giroscopio

1.  Fijar la IMU en la mesa giratoria, alineando el eje de rotación de la mesa con un eje sensible del giroscopio de la IMU. Iniciar la mesa giratoria para que funcione según una curva de excitación dinámica preestablecida (ej. escalón, senoidal, triangular). Rango de velocidad angular en escalón: 0~100°/s, amplitud de velocidad angular senoidal: 0~50°/s, frecuencia: 0.1~10Hz. 2.  Iniciar sincrónicamente el sistema de adquisición de datos para adquirir los datos de referencia de velocidad angular de la mesa giratoria y los datos de salida del giroscopio de la IMU, con una frecuencia de muestreo establecida en 1kHz. 3.  Procesamiento de datos: Comparar los datos de salida de la IMU con los datos de referencia de la mesa giratoria para calcular el error de seguimiento dinámico (error pico, error cuadrático medio); calcular parámetros de respuesta dinámica como el tiempo de subida y el tiempo de estabilización a partir de la curva de respuesta al escalón. 4.  Repetir la prueba para los otros dos ejes sensibles y registrar los datos de rendimiento dinámico para cada eje.

3.3.2 Prueba de Seguimiento Dinámico del Acelerómetro

1.  Fijar la IMU en la mesa vibratoria, con la dirección del eje de referencia de entrada (IRA) paralela a la dirección de vibración. Iniciar la mesa vibratoria para que funcione según una curva de excitación dinámica preestablecida (escalón, senoidal). Rango de aceleración en escalón: 0~20g, amplitud de aceleración senoidal: 0~10g, frecuencia: 0.1~50Hz. 2.  Adquirir sincrónicamente los datos de referencia de aceleración de la mesa vibratoria y los datos de salida del acelerómetro de la IMU, con una frecuencia de muestreo establecida en 1kHz. 3.  Procesamiento de datos: Comparar ambos conjuntos de datos para calcular el error de seguimiento dinámico (error pico, error cuadrático medio); calcular parámetros de respuesta dinámica como el tiempo de subida y el tiempo de estabilización para el acelerómetro a partir de la curva de respuesta al escalón. 4.  Repetir la prueba para los otros dos ejes sensibles y registrar los datos de rendimiento dinámico para cada eje.

3.4 Pruebas de Adaptabilidad Ambiental

Las pruebas de adaptabilidad ambiental tienen como objetivo verificar la estabilidad del rendimiento de la IMU bajo diferentes entornos de temperatura y humedad, centrándose en el impacto de la temperatura en la precisión de la IMU.

3.4.1 Prueba en Ambiente de Baja Temperatura

1.  Colocar el accesorio de prueba con la IMU instalada dentro de la cámara de pruebas térmicas y de humedad, conectando los cables de alimentación y datos (asegurar que los cables puedan funcionar normalmente con la puerta cerrada). 2.  Establecer la temperatura de la cámara en el límite inferior de temperatura de funcionamiento de la IMU y mantener hasta que la salida de la IMU se estabilice. 3.  En el ambiente de baja temperatura, repetir los elementos centrales de las secciones 3.2 (pruebas de precisión estática) y 3.3 (pruebas de respuesta dinámica) (desvío del giroscopio, desvío del acelerómetro, error de seguimiento en escalón), recopilar y registrar los datos de prueba. 4.  Después de la prueba, restaurar la temperatura de la cámara a temperatura ambiente, mantener durante 30 minutos, y observar si los datos de salida de la IMU vuelven a la normalidad.

3.4.2 Prueba en Ambiente de Alta Temperatura

1.  Establecer la temperatura de la cámara en el límite superior de temperatura de funcionamiento de la IMU y mantener hasta que la salida de la IMU se estabilice. 2.  En el ambiente de alta temperatura, repetir los elementos centrales de las secciones 3.2 y 3.3, recopilar y registrar los datos de prueba. 3.  Después de la prueba, restaurar la temperatura de la cámara a temperatura ambiente, mantener durante 30 minutos, y observar si los datos de salida de la IMU vuelven a la normalidad.

3.5 Prueba de Estabilidad (Prueba de Funcionamiento Prolongado)

1.  Colocar la IMU en un entorno de laboratorio estándar (20℃±5℃，≤85% HR), fijada en una mesa de prueba horizontal, asegurando un suministro de energía estable y una transmisión de datos normal. 2.  Encender la IMU y calentar durante 30 minutos. Configurar el sistema de adquisición de datos para adquirir continuamente los datos de salida de la IMU a una frecuencia de muestreo de 100 Hz durante 12 horas. 3.  Procesamiento de datos: Extraer los datos de desvío del giroscopio y del acelerómetro cada 30 minutos para analizar la tendencia a lo largo del tiempo; calcular el rango máximo de fluctuación de los datos durante 12 horas para verificar la estabilidad de la IMU durante el funcionamiento prolongado.

3.6 Prueba de Consistencia de Salida de Datos

1.  Seleccionar 3 muestras del mismo modelo de IMU. En condiciones de laboratorio idénticas, utilizando el mismo equipo de prueba y los mismos parámetros, realizar por separado las pruebas de precisión estática de la sección 3.2. 2.  Recopilar y registrar los datos centrales (desvío del giroscopio, desvío del acelerómetro, error del factor de escala, etc.) de las 3 IMU. 3.  Calcular el coeficiente de variación (desviación estándar/promedio) para el mismo parámetro entre las 3 IMU para verificar la consistencia de salida de los productos del mismo modelo.

IV. Procesamiento de Datos y Criterios de Aceptación

4.1 Métodos de Procesamiento de Datos

Eliminación de Valores Atípicos: Utilizar el criterio 3σ para eliminar valores atípicos de los datos de prueba, asegurando la validez de los datos. Cálculo de Indicadores de Precisión: El error de desvío se calcula utilizando el método del valor promedio; el error del factor de escala se calcula utilizando el método de ajuste por mínimos cuadrados; el error de seguimiento se calcula utilizando el error pico y el error cuadrático medio (ECM). Visualización de Datos: Usar el software de prueba para trazar curvas de datos (ej. curva de desvío vs. tiempo, curva de comparación de seguimiento dinámico) para presentar visualmente las tendencias de rendimiento de la IMU. Verificación de Repetibilidad: Realizar 3 pruebas repetidas para el mismo ítem de prueba, calcular el error de repetibilidad de los resultados de prueba para asegurar la fiabilidad de los datos de prueba.

4.2 Criterios de Aceptación

Basándose en el manual técnico del producto IMU y los requisitos de diseño del sistema de control de vuelo del VANT, se establecen los siguientes criterios de aceptación para los indicadores de rendimiento central (ajustables según los parámetros reales del producto):

Si todos los datos de prueba cumplen con los requisitos de los índices anteriores, la prueba de laboratorio de la IMU se considera calificada. Si algún índice no cumple con el requisito, analizar la causa (ej. error de instalación, interferencia del equipo, defecto de la IMU) y repetir la prueba para su verificación.

V. Seguridad y Precauciones en las Pruebas

Seguridad en la Operación de Equipos: Los operadores deben estar familiarizados con las especificaciones de operación de cada equipo de prueba y seguir estrictamente los procedimientos para arrancar/operar los equipos. Durante la operación de la mesa giratoria/mesa vibratoria, mantenerse alejado de las partes giratorias/vibratorias para evitar lesiones mecánicas. Seguridad Eléctrica: Asegurar que todos los equipos de prueba estén correctamente conectados a tierra para evitar descargas eléctricas. Antes de conectar/desconectar cables, cortar la alimentación para evitar cortocircuitos que dañen el equipo o el módulo IMU. Seguridad en Pruebas de Temperatura/Humedad: No abrir la puerta de la cámara durante su funcionamiento para evitar quemaduras/ congelación por cambios rápidos de temperatura. Después de la prueba, esperar a que la temperatura interna vuelva a la temperatura ambiente antes de retirar la muestra de prueba. Seguridad de los Datos: Guardar los datos de prueba en tiempo real durante las pruebas y realizar copias de seguridad de los archivos de datos regularmente. Después de las pruebas, categorizar y organizar los datos para asegurar su trazabilidad. Mantenimiento del Equipo: Después de las pruebas, apagar todos los equipos de prueba y limpiar las superficies. Lubricar y calibrar regularmente equipos como mesas giratorias y mesas vibratorias para asegurar un funcionamiento estable a largo plazo.

VI. Preparación del Informe de Pruebas

Después de completar las pruebas, se debe preparar un informe de prueba de laboratorio de la IMU del VANT detallado. El informe debe incluir:

Descripción General de la Prueba: Incluyendo propósito, alcance, base, entorno de la prueba, etc. Equipos de Prueba: Listar el modelo, especificaciones y estado de calibración de todos los equipos de prueba. Proceso de Prueba: Describir en detalle los pasos de prueba y la configuración de parámetros para cada ítem de prueba. Datos de Prueba: Organizar y presentar los datos brutos, datos procesados y curvas de datos para cada ítem de prueba. Análisis de Resultados: Comparar los datos de prueba con los requisitos de calificación, analizar el rendimiento de la IMU; para los problemas encontrados, proporcionar análisis de causas y sugerencias de mejora. Conclusión de la Prueba: Indicar claramente si la prueba de laboratorio de la IMU está calificada o no. Anexos: Incluir datos de prueba brutos, certificados de calibración de equipos de prueba, fotos del sitio de prueba, etc.