I. Aperçu du plan de test

1.1 Objectif du test

L'unité de mesure inertielle (IMU) de drone, en tant que composant clé pour la perception de l'attitude et le calcul de la position, détermine directement la fiabilité et la sécurité du contrôle de vol par sa précision de mesure, sa stabilité et ses caractéristiques de réponse dynamique. Ce plan de test vise à vérifier systématiquement, dans un environnement de laboratoire contrôlé, les indicateurs de performance de l'IMU de drone dans différentes conditions (statiques, dynamiques), à identifier de manière exhaustive d'éventuels défauts de performance, et à fournir des données de test précises et fiables pour la sélection de l'IMU, l'optimisation de sa conception et le réglage du système de contrôle de vol du drone, garantissant que l'IMU répond aux exigences de performance de la mission de vol prévue.

1.2 Périmètre du test

Ce plan couvre les tests en laboratoire des paramètres de performance clés de l'IMU de drone, incluant principalement : les tests de précision statique (biais, erreur de facteur d'échelle, erreur d'installation), les tests de réponse dynamique (précision de suivi de vitesse angulaire, précision de suivi d'accélération), les tests d'adaptabilité environnementale (effets de la température, de l'humidité), les tests de stabilité (performance en fonctionnement prolongé) et les tests de cohérence de sortie des données. L'objet testé est le module IMU pour un modèle spécifique de drone. L'environnement de test est limité à un laboratoire professionnel contrôlé et n'implique pas de tests en conditions réelles de vol extérieur.

1.3 Normes et références

L'élaboration de ce plan de test s'appuie principalement sur les normes et références suivantes :

JJF 1535-2015 Spécification d'étalonnage des gyroscopes micro-électro-mécaniques (MEMS)

JJF 1427-2013 Spécification d'étalonnage des accéléromètres linéaires micro-électro-mécaniques (MEMS)

GB/T 28587-2012 "Unité de mesure inertielle pour systèmes de mesure mobiles"

GB/T 38996-2020 "Exigences générales pour les systèmes de contrôle de vol des drones légers et petits à voilure fixe civils"

GJB 2426A-2015 "Méthodes d'essai des gyroscopes à fibre optique"

Manuel technique du produit module IMU et exigences de conception du système de contrôle de vol du drone

Spécifications d'essai pertinentes pour les équipements de navigation inertielle aérospatiale

II. Environnement et équipements de test

2.1 Exigences de l'environnement de laboratoire

Pour garantir l'exactitude et la stabilité des données de test, l'environnement du laboratoire doit répondre aux conditions suivantes :

Température : (20±5)°C

Humidité relative : ≤85% HR, pas de condensation

Vibrations : ≤0,1g, éviter les interférences vibratoires externes

Environnement électromagnétique : Conforme aux exigences GB/T 17618-2015, éloigné des sources de fortes interférences électromagnétiques

Alimentation : Courant alternatif stable 220V±10%, fréquence 50Hz±1Hz, équipé d'une alimentation sans interruption (ASI)

2.2 Liste des principaux équipements de test

Les équipements de test doivent être étalonnés et dans leur période de validité. La liste spécifique et leurs usages sont présentés dans le tableau ci-dessous :

III. Contenu et procédures des tests

3.1 Préparation avant test

1.  Vérification des équipements : S'assurer que tous les équipements de test sont sous tension normalement, étalonnés et dans leur période de validité ; vérifier l'état de fonctionnement des équipements comme le plateau tournant et la table vibrante pour s'assurer de l'absence de bruit anormal ou de blocage. 2.  Vérification de l'environnement : Ajuster la température et l'humidité relative du laboratoire dans la plage requise, s'assurer de l'absence de vibrations ou d'interférences électromagnétiques significatives. 3.  Installation et connexion de l'IMU : Fixer précisément l'IMU sur la plateforme de test à l'aide du dispositif de montage ; connecter les câbles d'alimentation et de données de l'IMU, en s'assurant de la solidité des connexions et du bon contact ; établir la communication entre la carte d'acquisition de données et le logiciel de test sur PC, et configurer les paramètres (fréquence d'échantillonnage, format des données, etc.). 4.  Mise en température et initialisation : Alimenter l'IMU pour une mise en température d'au moins 30 minutes ; lancer le programme d'initialisation de l'IMU, et après l'auto-étalonnage, confirmer que les données de sortie de l'IMU sont stables (pas de sauts ou de valeurs anormales).

3.2 Test de précision statique

Le test de précision statique vise à vérifier l'erreur de mesure de l'IMU à l'état stationnaire. Les paramètres de test clés comprennent le biais du gyroscope, le biais de l'accéléromètre, l'erreur de facteur d'échelle et l'erreur d'installation.

3.2.1 Test de biais du gyroscope

1.  Fixer l'IMU sur un banc d'essai horizontal, en s'assurant que les axes sensibles de l'IMU sont parallèles au plan horizontal, sans excitation de déplacement angulaire. 2.  Démarrer le système d'acquisition de données, régler la fréquence d'échantillonnage à 100 Hz, et acquérir continuellement les données de sortie des trois gyroscopes de l'IMU pendant 2 heures. 3.  Après l'acquisition, traiter les données : éliminer les valeurs aberrantes (en utilisant le critère 3σ), calculer la moyenne et l'écart-type des données de sortie des trois gyroscopes. La valeur moyenne est l'erreur de biais du gyroscope. 4.  Enregistrer les données de test et les comparer à l'indice de biais spécifié dans le manuel technique du produit pour déterminer la conformité.

3.2.2 Test de biais de l'accéléromètre

1.  Maintenir l'IMU à l'état stationnaire. Ajuster l'attitude de l'IMU pour que les trois accéléromètres soient dans des orientations horizontale, verticale vers le haut et verticale vers le bas (stabiliser l'IMU pendant 5 minutes dans chaque orientation). 2.  Dans chaque orientation, acquérir continuellement les données de sortie des trois accéléromètres de l'IMU à une fréquence d'échantillonnage de 100 Hz pendant 30 minutes par orientation. 3.  Traitement des données : Après élimination des valeurs aberrantes, calculer la valeur moyenne des données de sortie de l'accéléromètre pour chaque orientation ; sur la base de la valeur standard de la gravité (9,80665 m/s²), calculer l'erreur de biais de l'accéléromètre (écart entre la valeur mesurée et la valeur théorique). 4.  Enregistrer les données de biais pour chaque orientation et vérifier la conformité aux exigences de l'indice.

3.2.3 Test d'erreur de facteur d'échelle

1.  Test du facteur d'échelle du gyroscope : Fixer l'IMU sur un plateau tournant de haute précision, en alignant l'axe de rotation du plateau avec un axe sensible du gyroscope de l'IMU. Régler le plateau pour qu'il tourne à différentes vitesses angulaires (par ex. 5°/s, 10°/s, 20°/s, 50°/s, 100°/s) de manière uniforme. Utiliser pas moins de 11 points de vitesse angulaire dans les plages de vitesse angulaire d'entrée positive et négative. Chaque vitesse angulaire fonctionne de manière stable pendant 1 minute pendant l'acquisition des données de sortie du gyroscope de l'IMU. Répéter le test pour les deux autres axes sensibles. 2.  Test du facteur d'échelle de l'accéléromètre : Fixer l'IMU sur le plateau tournant, en alignant l'axe de rotation du plateau avec un axe sensible de l'accéléromètre de l'IMU. Faire tourner le plateau dans les sens positif et négatif avec des incréments d'angle θ=360/n, en enregistrant la sortie de l'accéléromètre à chaque position angulaire. Répéter pour les deux autres axes. 3.  Traitement des données : Sur la base de la valeur d'excitation standard définie par le plateau tournant et de la valeur de sortie réelle de l'IMU, utiliser la méthode des moindres carrés pour ajuster la courbe du facteur d'échelle et calculer l'erreur de facteur d'échelle (écart entre la valeur ajustée et le facteur d'échelle théorique). 4.  Enregistrer l'erreur de facteur d'échelle pour chaque axe et déterminer la conformité aux exigences de l'indice.

3.2.4 Test d'erreur d'installation

1.  Fixer l'IMU sur le plateau tournant, en utilisant le dispositif de montage pour assurer l'alignement initial du système de coordonnées de l'IMU avec celui du plateau tournant. Régler le plateau pour effectuer des rotations par petits pas angulaires (±5°) autour des axes X, Y et Z séparément, en faisant une pause de 30 secondes à chaque pas, et acquérir les données de sortie des trois gyroscopes de l'IMU. 2.  Sur la base des angles de rotation réels du plateau tournant et des données d'angle de sortie de l'IMU, établir un modèle d'erreur d'installation et résoudre pour les angles d'erreur d'installation en utilisant la méthode des moindres carrés. 3.  Enregistrer les données d'erreur d'installation. Si l'erreur dépasse la plage autorisée, réajuster le dispositif de montage et refaire le test.

3.3 Test de réponse dynamique

Le test de réponse dynamique vise à vérifier la précision de suivi et la vitesse de réponse de l'IMU sous excitation dynamique. Les paramètres de test clés comprennent l'erreur de suivi de vitesse angulaire, l'erreur de suivi d'accélération et le temps de réponse dynamique.

3.3.1 Test de suivi dynamique du gyroscope

1.  Fixer l'IMU sur le plateau tournant, en alignant l'axe de rotation du plateau avec un axe sensible du gyroscope de l'IMU. Démarrer le plateau tournant pour qu'il fonctionne selon une courbe d'excitation dynamique prédéfinie (par ex. échelon, sinusoïdale, triangulaire). Plage de vitesse angulaire en échelon : 0~100°/s, amplitude de vitesse angulaire sinusoïdale : 0~50°/s, fréquence : 0,1~10 Hz. 2.  Démarrer synchronement le système d'acquisition de données pour acquérir les données de référence de vitesse angulaire du plateau tournant et les données de sortie du gyroscope de l'IMU, avec une fréquence d'échantillonnage réglée à 1 kHz. 3.  Traitement des données : Comparer les données de sortie de l'IMU avec les données de référence du plateau tournant pour calculer l'erreur de suivi dynamique (erreur de crête, erreur quadratique moyenne) ; calculer les paramètres de réponse dynamique comme le temps de montée et le temps d'établissement à partir de la courbe de réponse à un échelon. 4.  Répéter le test pour les deux autres axes sensibles et enregistrer les données de performance dynamique pour chaque axe.

3.3.2 Test de suivi dynamique de l'accéléromètre

1.  Fixer l'IMU sur la table vibrante, avec la direction de l'axe de référence d'entrée (IRA) parallèle à la direction de vibration. Démarrer la table vibrante pour qu'elle fonctionne selon une courbe d'excitation dynamique prédéfinie (échelon, sinusoïdale). Plage d'accélération en échelon : 0~20g, amplitude d'accélération sinusoïdale : 0~10g, fréquence : 0,1~50 Hz. 2.  Acquérir simultanément les données de référence d'accélération de la table vibrante et les données de sortie de l'accéléromètre de l'IMU, avec une fréquence d'échantillonnage réglée à 1 kHz. 3.  Traitement des données : Comparer les deux ensembles de données pour calculer l'erreur de suivi dynamique (erreur de crête, erreur quadratique moyenne) ; calculer les paramètres de réponse dynamique comme le temps de montée et le temps d'établissement pour l'accéléromètre à partir de la courbe de réponse à un échelon. 4.  Répéter le test pour les deux autres axes sensibles et enregistrer les données de performance dynamique pour chaque axe.

3.4 Test d'adaptabilité environnementale

Le test d'adaptabilité environnementale vise à vérifier la stabilité des performances de l'IMU sous différentes températures et humidités, en se concentrant sur l'impact de la température sur la précision de l'IMU.

3.4.1 Test en environnement basse température

1.  Placer le dispositif de test avec l'IMU installé dans la chambre climatique, en connectant les câbles d'alimentation et de données (s'assurer que les câbles peuvent fonctionner normalement avec la porte fermée). 2.  Régler la température de la chambre à la limite inférieure de température de fonctionnement de l'IMU et maintenir jusqu'à stabilisation de la sortie de l'IMU. 3.  Dans l'environnement basse température, répéter les éléments clés des sections 3.2 (test de précision statique) et 3.3 (test de réponse dynamique) (biais du gyroscope, biais de l'accéléromètre, erreur de suivi en échelon), collecter et enregistrer les données de test. 4.  Après le test, ramener la température de la chambre à la température ambiante, maintenir pendant 30 minutes, et observer si les données de sortie de l'IMU reviennent à la normale.

3.4.2 Test en environnement haute température

1.  Régler la température de la chambre à la limite supérieure de température de fonctionnement de l'IMU et maintenir jusqu'à stabilisation de la sortie de l'IMU. 2.  Dans l'environnement haute température, répéter les éléments clés des sections 3.2 et 3.3, collecter et enregistrer les données de test. 3.  Après le test, ramener la température de la chambre à la température ambiante, maintenir pendant 30 minutes, et observer si les données de sortie de l'IMU reviennent à la normale.

3.5 Test de stabilité (test de fonctionnement prolongé)

1.  Placer l'IMU dans un environnement de laboratoire standard (20℃±5℃，≤85% HR), fixé sur un banc d'essai horizontal, en assurant une alimentation stable et une transmission normale des données. 2.  Mettre l'IMU sous tension et laisser chauffer pendant 30 minutes. Régler le système d'acquisition de données pour acquérir continuellement les données de sortie de l'IMU à une fréquence d'échantillonnage de 100 Hz pendant 12 heures. 3.  Traitement des données : Extraire les données de biais du gyroscope et de l'accéléromètre toutes les 30 minutes pour analyser la tendance dans le temps ; calculer la plage de fluctuation maximale des données sur 12 heures pour vérifier la stabilité de l'IMU en fonctionnement prolongé.

3.6 Test de cohérence de sortie des données

1.  Sélectionner 3 échantillons du même modèle d'IMU. Dans des conditions de laboratoire identiques, en utilisant le même équipement de test et les mêmes paramètres, effectuer séparément les tests de précision statique de la section 3.2. 2.  Collecter et enregistrer les données clés (biais du gyroscope, biais de l'accéléromètre, erreur de facteur d'échelle, etc.) pour les 3 IMU. 3.  Calculer le coefficient de variation (écart-type/moyenne) pour le même paramètre parmi les 3 IMU pour vérifier la cohérence de sortie des produits de même modèle.

IV. Traitement des données et critères d'acceptation

4.1 Méthodes de traitement des données

Élimination des valeurs aberrantes : Utiliser le critère 3σ pour éliminer les valeurs aberrantes des données de test, assurant la validité des données. Calcul des indicateurs de précision : L'erreur de biais est calculée en utilisant la méthode de la moyenne ; l'erreur de facteur d'échelle est calculée en utilisant la méthode des moindres carrés ; l'erreur de suivi est calculée en utilisant l'erreur de crête et l'erreur quadratique moyenne (EQM). Visualisation des données : Utiliser le logiciel de test pour tracer des courbes de données (par ex. courbe de biais en fonction du temps, courbe de comparaison de suivi dynamique) pour présenter visuellement les tendances de performance de l'IMU. Vérification de la répétabilité : Effectuer 3 tests répétés pour le même élément de test, calculer l'erreur de répétabilité des résultats de test pour assurer la fiabilité des données de test.

4.2 Critères d'acceptation

Sur la base du manuel technique du produit IMU et des exigences de conception du système de contrôle de vol du drone, les critères d'acceptation suivants pour les indicateurs de performance clés sont établis (ajustables selon les paramètres réels du produit) :

Si toutes les données de test répondent aux exigences des indices ci-dessus, le test en laboratoire de l'IMU est jugé conforme. Si un seul indice ne répond pas à l'exigence, analyser la cause (par ex. erreur d'installation, interférence de l'équipement, défaut de l'IMU) et refaire le test pour vérification.

V. Sécurité des tests et précautions

Sécurité d'exploitation des équipements : Les opérateurs doivent connaître les spécifications d'exploitation de chaque équipement de test et suivre strictement les procédures pour démarrer/faire fonctionner les équipements. Pendant le fonctionnement du plateau tournant/de la table vibrante, se tenir à l'écart des parties en rotation/en vibration pour éviter les blessures mécaniques. Sécurité électrique : S'assurer que tous les équipements de test sont correctement mis à la terre pour éviter les électrocutions. Avant de connecter/déconnecter des câbles, couper l'alimentation pour éviter les courts-circuits endommageant l'équipement ou le module IMU. Sécurité des tests température/humidité : Ne pas ouvrir la porte de la chambre pendant le fonctionnement pour éviter les brûlures/engelures dues aux changements rapides de température. Après le test, attendre que la température interne revienne à la température ambiante avant de retirer l'échantillon testé. Sécurité des données : Sauvegarder les données de test en temps réel pendant les tests et archiver régulièrement les fichiers de données. Après les tests, classer et organiser les données pour assurer leur traçabilité. Maintenance des équipements : Après les tests, mettre hors tension tous les équipements de test et nettoyer les surfaces. Lubrifier et étalonner régulièrement les équipements comme les plateaux tournants et les tables vibrantes pour assurer un fonctionnement stable à long terme.

VI. Rédaction du rapport d'essai

Après achèvement des tests, un rapport d'essai de laboratoire détaillé pour l'IMU de drone doit être rédigé. Le rapport doit inclure :

Aperçu du test : Incluant l'objectif, le périmètre, les références, l'environnement du test, etc. Équipements de test : Lister le modèle, les spécifications et l'état d'étalonnage de tous les équipements de test. Processus de test : Décrire en détail les étapes de test et les paramètres pour chaque élément de test. Données de test : Organiser et présenter les données brutes, les données traitées et les courbes de données pour chaque élément de test. Analyse des résultats : Comparer les données de test aux exigences de qualification, analyser les performances de l'IMU ; pour les problèmes identifiés, fournir une analyse des causes et des suggestions d'amélioration. Conclusion du test : Indiquer clairement si le test en laboratoire de l'IMU est conforme ou non. Annexes : Inclure les données de test brutes, les certificats d'étalonnage des équipements de test, les photos du site de test, etc.