I. Обзор программы испытаний

1.1 Цель испытаний

Инерциальный измерительный блок (ИИБ) беспилотного летательного аппарата (БПЛА), являясь ключевым компонентом для определения ориентации и расчёта положения, напрямую определяет надёжность и безопасность управления полётом БПЛА благодаря своей точности измерений, стабильности и динамическим характеристикам отклика. Настоящая программа испытаний направлена на систематическую проверку в контролируемых лабораторных условиях рабочих характеристик ИИБ БПЛА в различных режимах, таких как статический и динамический, всестороннее выявление потенциальных дефектов производительности, а также предоставление точных и достоверных данных испытаний для выбора ИИБ, оптимизации конструкции и отладки системы управления полётом БПЛА, обеспечивая соответствие ИИБ требованиям к характеристикам для предполагаемой полётной задачи.

1.2 Область испытаний

Настоящая программа охватывает лабораторные испытания ключевых параметров производительности ИИБ БПЛА, включая, главным образом: испытания статической точности (смещение нуля, ошибка масштабного коэффициента, ошибка монтажа), испытания динамического отклика (точность отслеживания угловой скорости, точность отслеживания ускорения), испытания на устойчивость к условиям окружающей среды (влияние температуры, влажности), испытания на стабильность (работа в течение длительного времени) и испытания на воспроизводимость выходных данных. Объектом испытаний является модуль ИИБ для конкретной модели БПЛА. Испытательная среда ограничена контролируемыми условиями профессиональной лаборатории и не включает испытания в реальных условиях наружного полёта.

1.3 Стандарты и нормативные документы

При разработке данной программы испытаний в основном использовались следующие стандарты и нормативные документы:

JJF 1535-2015 Методика калибровки микромеханических (MEMS) гироскопов

JJF 1427-2013 Методика калибровки микромеханических (MEMS) линейных акселерометров

GB/T 28587-2012 «Интерциальный измерительный блок для мобильных измерительных систем»

GB/T 38996-2020 «Общие требования к системам управления полётом гражданских лёгких и малых БПЛА с фиксированным крылом»

GJB 2426A-2015 «Методы испытаний волоконно-оптических гироскопов»

Техническое руководство на модуль ИИБ и требования к проектированию системы управления полётом БПЛА

Соответствующие нормы испытаний аэрокосмического инерциального навигационного оборудования

II. Испытательная среда и оборудование

2.1 Требования к лабораторным условиям

Для обеспечения точности и стабильности данных испытаний лабораторная среда должна соответствовать следующим условиям:

Температура: (20±5)°C

Относительная влажность: ≤85%, без конденсации

Вибрация: ≤0.1g, исключить внешние вибрационные помехи

Электромагнитная среда: Соответствует требованиям GB/T 17618-2015, вдали от источников сильных электромагнитных помех

Электропитание: Стабильное переменное напряжение 220В±10%, частота 50Гц±1Гц, оборудовано источником бесперебойного питания (ИБП)

2.2 Перечень основного испытательного оборудования

Испытательное оборудование должно быть откалибровано и иметь действующий сертификат. Конкретный перечень и назначение приведены в таблице ниже:

III. Содержание и процедура испытаний

3.1 Подготовка к испытаниям

1.  Проверка оборудования: Убедиться, что всё испытательное оборудование находится под напряжением, откалибровано и имеет действующий сертификат; проверить рабочее состояние поворотного стола, виброплатформы и т.д. на отсутствие аномального шума или заеданий. 2.  Подготовка среды: Отрегулировать температуру и влажность в лаборатории до требуемого для испытаний диапазона, обеспечить отсутствие значительных вибраций и электромагнитных помех. 3.  Монтаж и подключение ИИБ: С помощью монтажного приспособления надёжно закрепить ИИБ на испытательной платформе; подключить кабели питания и данных ИИБ, обеспечив надёжный контакт; установить связь между платой сбора данных и испытательным ПО на ПК, выполнить настройку параметров (частота дискретизации, формат данных и т.д.). 4.  Прогрев и инициализация: Подать питание на ИИБ для прогрева не менее 30 минут; запустить процедуру инициализации ИИБ, после завершения самокалибровки убедиться в стабильности выходных данных ИИБ (отсутствие скачков и аномальных значений).

3.2 Испытания статической точности

Испытания статической точности предназначены для проверки погрешности измерений ИИБ в неподвижном состоянии. Основные проверяемые параметры: смещение нуля гироскопа, смещение нуля акселерометра, ошибка масштабного коэффициента и ошибка монтажа.

3.2.1 Испытание смещения нуля гироскопа

1.  Закрепить ИИБ на горизонтальной платформе, обеспечив параллельность его чувствительных осей горизонтальной плоскости, без углового возбуждения. 2.  Запустить систему сбора данных, установить частоту дискретизации 100 Гц, непрерывно собирать выходные данные трёхосного гироскопа ИИБ в течение 2 часов. 3.  После сбора обработать данные: исключить выбросы (по правилу 3σ), рассчитать среднее значение и среднеквадратическое отклонение выходных данных трёхосного гироскопа. Среднее значение является погрешностью смещения нуля гироскопа. 4.  Записать данные испытаний и сравнить с паспортным значением смещения нуля из технического руководства для определения соответствия.

3.2.2 Испытание смещения нуля акселерометра

1.  Сохранять ИИБ неподвижным. Изменять ориентацию ИИБ так, чтобы три акселерометра последовательно занимали положения: горизонтальное, вертикально вверх, вертикально вниз (в каждом положении стабилизировать ИИБ в течение 5 минут). 2.  В каждом положении непрерывно собирать выходные данные трёхосного акселерометра ИИБ с частотой дискретизации 100 Гц, время сбора для каждого положения — 30 минут. 3.  Обработка данных: После исключения выбросов рассчитать среднее значение выходных данных акселерометра для каждого положения; на основе стандартного значения ускорения свободного падения (9.80665 м/с²) рассчитать погрешность смещения нуля акселерометра (отклонение измеренного значения от теоретического). 4.  Записать данные смещения нуля для каждого положения и проверить соответствие требованиям.

3.2.3 Испытание ошибки масштабного коэффициента

1.  Испытание масштабного коэффициента гироскопа: Закрепить ИИБ на высокоточном поворотном столе, совместив ось вращения стола с одной из чувствительных осей гироскопа ИИБ. Установить на столе различные угловые скорости (например, 5°/с, 10°/с, 20°/с, 50°/с, 100°/с) для равномерного вращения. Использовать не менее 11 точек угловой скорости в диапазоне положительных и отрицательных входных угловых скоростей. Каждую угловую скорость выдерживать стабильно в течение 1 минуты, собирая выходные данные гироскопа ИИБ. Повторить испытания для двух других чувствительных осей. 2.  Испытание масштабного коэффициента акселерометра: Закрепить ИИБ на поворотном столе, совместив ось вращения стола с одной из чувствительных осей акселерометра ИИБ. Вращать стол в положительном и отрицательном направлениях с угловым приращением θ=360/n, записывая выход акселерометра в каждом угловом положении. Повторить для двух других осей. 3.  Обработка данных: На основе стандартного возбуждающего значения, устанавливаемого поворотным столом, и фактического выходного значения ИИБ методом наименьших квадратов аппроксимировать кривую масштабного коэффициента и рассчитать ошибку масштабного коэффициента (отклонение аппроксимированного значения от теоретического масштабного коэффициента). 4.  Записать ошибку масштабного коэффициента для каждой оси и определить соответствие требованиям.

3.2.4 Испытание ошибки монтажа

1.  Закрепить ИИБ на поворотном столе, используя монтажное приспособление для обеспечения первоначального совмещения системы координат ИИБ с системой координат стола. Задать на столе пошаговое вращение на малые углы (±5°) отдельно вокруг осей X, Y и Z, с задержкой 30 секунд на каждом шаге, собирая выходные данные трёхосного гироскопа ИИБ. 2.  На основе фактических углов поворота стола и выходных угловых данных ИИБ построить модель ошибки монтажа и определить углы ошибки монтажа методом наименьших квадратов. 3.  Записать данные об ошибке монтажа. Если ошибка превышает допустимый диапазон, перенастроить монтажное приспособление и повторить испытания.

3.3 Испытания динамического отклика

Испытания динамического отклика предназначены для проверки точности слежения и скорости отклика ИИБ при динамическом возбуждении. Основные проверяемые параметры: ошибка слежения за угловой скоростью, ошибка слежения за ускорением и время динамического отклика.

3.3.1 Испытание динамического слежения гироскопа

1.  Закрепить ИИБ на поворотном столе, совместив ось вращения стола с одной из чувствительных осей гироскопа ИИБ. Запустить стол для работы по заданной динамической возбуждающей кривой (например, ступенчатой, синусоидальной, треугольной). Диапазон ступенчатой угловой скорости: 0~100°/с, амплитуда синусоидальной угловой скорости: 0~50°/с, частота: 0.1~10 Гц. 2.  Синхронно запустить систему сбора данных для сбора эталонных данных угловой скорости стола и выходных данных гироскопа ИИБ, установив частоту дискретизации 1 кГц. 3.  Обработка данных: Сравнить выходные данные ИИБ с эталонными данными стола для расчёта ошибки динамического слежения (пиковая ошибка, среднеквадратическая ошибка); по переходной характеристике (кривой отклика на ступенчатое воздействие) рассчитать параметры динамического отклика гироскопа, такие как время нарастания и время установления. 4.  Повторить испытания для двух других чувствительных осей и записать данные динамических характеристик для каждой оси.

3.3.2 Испытание динамического слежения акселерометра

1.  Закрепить ИИБ на виброплатформе, обеспечив параллельность направления входной базовой оси (IRA) направлению вибрации. Запустить виброплатформу для работы по заданной динамической возбуждающей кривой (ступенчатой, синусоидальной). Диапазон ступенчатого ускорения: 0~20g, амплитуда синусоидального ускорения: 0~10g, частота: 0.1~50 Гц. 2.  Синхронно собирать эталонные данные ускорения виброплатформы и выходные данные акселерометра ИИБ, установив частоту дискретизации 1 кГц. 3.  Обработка данных: Сравнить оба набора данных для расчёта ошибки динамического слежения (пиковая ошибка, среднеквадратическая ошибка); по переходной характеристике рассчитать параметры динамического отклика акселерометра, такие как время нарастания и время установления. 4.  Повторить испытания для двух других чувствительных осей и записать данные динамических характеристик для каждой оси.

3.4 Испытания на устойчивость к условиям окружающей среды

Испытания на устойчивость к условиям окружающей среды предназначены для проверки стабильности характеристик ИИБ при различных температурах и влажности, с акцентом на влияние температуры на точность ИИБ.

3.4.1 Испытания в условиях низкой температуры

1.  Поместить испытательное приспособление с установленным ИИБ в термобарокамеру, подключить кабели питания и данных (обеспечить их нормальную работу при закрытой двери). 2.  Установить температуру в камере на нижний рабочий предел ИИБ и выдерживать до стабилизации выходных данных ИИБ. 3.  В условиях низкой температуры повторить ключевые пункты из разделов 3.2 (испытания статической точности) и 3.3 (испытания динамического отклика) (смещение нуля гироскопа, смещение нуля акселерометра, ошибка слежения на ступенчатое воздействие), собирать и записывать данные испытаний. 4.  После испытаний восстановить в камере комнатную температуру, выдержать 30 минут, наблюдать, возвращаются ли выходные данные ИИБ к норме.

3.4.2 Испытания в условиях высокой температуры

1.  Установить температуру в камере на верхний рабочий предел ИИБ и выдерживать до стабилизации выходных данных ИИБ. 2.  В условиях высокой температуры повторить ключевые пункты из разделов 3.2 и 3.3, собирать и записывать данные испытаний. 3.  После испытаний восстановить в камере комнатную температуру, выдержать 30 минут, наблюдать, возвращаются ли выходные данные ИИБ к норме.

3.5 Испытания на стабильность (испытания на длительную работу)

1.  Поместить ИИБ в стандартные лабораторные условия (20℃±5℃，≤85% отн. влаж.), закрепить на горизонтальной платформе, обеспечить стабильное питание и нормальную передачу данных. 2.  Включить ИИБ и прогреть в течение 30 минут. Настроить систему сбора данных на непрерывный сбор выходных данных ИИБ с частотой дискретизации 100 Гц в течение 12 часов. 3.  Обработка данных: Каждые 30 минут извлекать данные смещения нуля гироскопа и акселерометра, анализируя тенденцию их изменения во времени; рассчитать максимальный диапазон колебаний данных за 12 часов для проверки стабильности ИИБ при длительной работе.

3.6 Испытания на воспроизводимость выходных данных

1.  Выбрать 3 образца ИИБ одной модели. В одинаковых лабораторных условиях, на одинаковом оборудовании и с одинаковыми параметрами провести отдельно испытания статической точности по разделу 3.2. 2.  Собрать и записать ключевые данные (смещение нуля гироскопа, смещение нуля акселерометра, ошибка масштабного коэффициента и т.д.) для всех 3 ИИБ. 3.  Рассчитать коэффициент вариации (среднеквадратическое отклонение/среднее значение) для одного и того же параметра по трём ИИБ для проверки воспроизводимости выходных данных изделий одной модели.

IV. Обработка данных и критерии приемки

4.1 Методы обработки данных

Исключение выбросов: Использовать правило 3σ для исключения выбросов из данных испытаний, обеспечивая достоверность данных. Расчёт показателей точности: Погрешность смещения нуля рассчитывается методом среднего значения; ошибка масштабного коэффициента рассчитывается методом наименьших квадратов; ошибка слежения рассчитывается с использованием пиковой ошибки и среднеквадратической ошибки (СКО). Визуализация данных: С помощью испытательного ПО строить графики данных (например, график смещения нуля от времени, графики сравнения динамического слежения) для наглядного представления тенденций изменения характеристик ИИБ. Проверка повторяемости: Провести 3 повторных испытания для одного и того же пункта, рассчитать погрешность повторяемости результатов испытаний для обеспечения достоверности данных.

4.2 Критерии приемки

На основе технического руководства на изделие ИИБ и требований к проектированию системы управления полётом БПЛА установлены следующие критерии приемки ключевых показателей (могут корректироваться в зависимости от фактических параметров изделия):

Если все данные испытаний соответствуют вышеуказанным требованиям, лабораторные испытания ИИБ считаются успешными. Если какой-либо показатель не соответствует требованию, необходимо проанализировать причину (например, ошибка монтажа, помехи от оборудования, дефект ИИБ) и провести повторные испытания для проверки.

V. Безопасность испытаний и меры предосторожности

Безопасность при работе с оборудованием: Операторы должны быть знакомы с правилами эксплуатации каждого испытательного оборудования и строго следовать процедурам пуска/работы оборудования. Во время работы поворотного стола/виброплатформы запрещается приближаться к вращающимся/вибрирующим частям во избежание механических травм. Электробезопасность: Обеспечить надёжное заземление всего испытательного оборудования для предотвращения поражения током. Перед подключением/отсоединением кабелей необходимо отключить питание оборудования, чтобы избежать короткого замыкания и повреждения оборудования или модуля ИИБ. Безопасность при температурных/влажностных испытаниях: Во время работы термобарокамеры запрещается открывать дверцу во избежание ожогов/обморожения из-за резкого перепада температур. После испытаний необходимо дождаться, когда температура внутри камеры достигнет комнатной, прежде чем извлекать образец. Безопасность данных: В ходе испытаний сохранять данные в реальном времени, регулярно создавать резервные копии файлов данных. После испытаний классифицировать и систематизировать данные для обеспечения их прослеживаемости. Обслуживание оборудования: По окончании испытаний отключить питание всего испытательного оборудования, очистить поверхности. Регулярно проводить смазку и калибровку такого оборудования, как поворотные столы и виброплатформы, для обеспечения его длительной стабильной работы.

VI. Составление отчёта об испытаниях

После завершения испытаний должен быть составлен подробный отчёт о лабораторных испытаниях ИИБ БПЛА. Отчёт должен содержать:

Обзор испытаний: Включая цель, область, нормативную базу, условия проведения испытаний и т.д. Испытательное оборудование: Перечень моделей, характеристик и состояния калибровки всего испытательного оборудования. Процесс испытаний: Подробное описание этапов испытаний и настроек параметров для каждого пункта. Данные испытаний: Систематизированное представление исходных данных, обработанных данных и графиков для каждого пункта испытаний. Анализ результатов: Сравнение данных испытаний с требованиями к приёмке, анализ характеристик ИИБ; по выявленным проблемам — анализ причин и предложения по улучшению. Заключение по испытаниям: Чёткое указание, успешно ли прошли лабораторные испытания ИИБ. Приложения: Включая исходные данные испытаний, сертификаты калибровки испытательного оборудования, фотографии с места испытаний и т.д.