Một. Tổng quan về phương án thử nghiệm

1.1 Mục đích thử nghiệm

Đơn vị đo lường quán tính (IMU) của máy bay không người lái là thành phần cốt lõi để cảm nhận tư thế, giải mã vị trí của máy bay không người lái, độ chính xác đo lường, tính ổn định, đặc tính phản ứng động trực tiếp quyết định độ tin cậy và an toàn của điều khiển bay. Phương án thử nghiệm này nhằm mục đích thông qua môi trường kiểm soát trong phòng thí nghiệm, kiểm tra hệ thống các chỉ số hiệu suất của IMU máy bay không người lái trong các điều kiện làm việc khác nhau như tĩnh, động, phát hiện toàn diện các khiếm khuyết hiệu suất tiềm ẩn, cung cấp dữ liệu thử nghiệm chính xác, đáng tin cậy để hỗ trợ lựa chọn, tối ưu hóa thiết kế IMU và điều chỉnh hệ thống điều khiển bay của máy bay không người lái, đảm bảo IMU đáp ứng yêu cầu hiệu suất của nhiệm vụ bay dự định của máy bay không người lái.

1.2 Phạm vi thử nghiệm

Phương án này bao gồm thử nghiệm trong phòng thí nghiệm các thông số hiệu suất cốt lõi của IMU máy bay không người lái, bao gồm chủ yếu: Thử nghiệm độ chính xác tĩnh (chệch gốc, sai số tỷ lệ, sai số lắp đặt), thử nghiệm phản ứng động (độ chính xác theo dõi tốc độ góc, độ chính xác theo dõi gia tốc), thử nghiệm khả năng thích ứng với môi trường (ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm), thử nghiệm độ ổn định (hiệu suất làm việc trong thời gian dài) và thử nghiệm tính nhất quán của dữ liệu đầu ra. Đối tượng thử nghiệm là module IMU đi kèm với một mẫu máy bay không người lái, môi trường thử nghiệm giới hạn trong phòng thí nghiệm kiểm soát chuyên nghiệp, không liên quan đến thử nghiệm điều kiện bay thực tế ngoài trời.

1.3 Tiêu chuẩn và cơ sở tham khảo

Trong quá trình xây dựng phương án thử nghiệm này, chủ yếu tham khảo các tiêu chuẩn và cơ sở sau:

JJF 1535-2015 Quy phạm hiệu chuẩn con lắc quang học MEMS

JJF 1427-2013 Quy phạm hiệu chuẩn gia tốc kế giai đoạn MEMS

GBT 28587-2012 "Đơn vị đo lường quán tính của hệ thống đo lường di động"

GB/T 38996-2020 "Yêu cầu chung cho hệ thống điều khiển bay của máy bay không người lái dân dụng cánh cố định nhỏ và nhẹ"

GJB 2426A-2015 "Phương pháp thử con lắc quang học"

Cẩm nang kỹ thuật của module IMU và yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển bay của máy bay không người lái

Các quy phạm thử nghiệm thiết bị định hướng quán tính hàng không

Hai. Môi trường và thiết bị thử nghiệm

2.1

Yêu cầu môi trường phòng thí nghiệm

Để đảm bảo độ chính xác và ổn định của dữ liệu thử nghiệm, môi trường phòng thí nghiệm cần đáp ứng các điều kiện sau:

Nhiệt độ: (20±5)℃

Độ ẩm tương đối: ≤85%RH, không có sương đọng

Sóng rung: ≤0.1g, tránh nhiễu rung từ bên ngoài

Môi trường điện từ: Tuân thủ yêu cầu GB/T 17618-2015, cách xa các nguồn nhiễu điện từ mạnh

Cung cấp điện: Điện áp xoay chiều ổn định 220V±10%, tần số 50Hz±1Hz, trang bị nguồn điện không gián đoạn (UPS)

2.2  Danh sách thiết bị thử nghiệm cốt lõi

Các thiết bị thử nghiệm cần được kiểm định và trong thời hạn hiệu lực, danh sách cụ thể và mục đích sử dụng như bảng dưới đây:

3. Nội dung và bước thử nghiệm

3.1 

Chuẩn bị trước khi thử nghiệm

1. Kiểm tra thiết bị: Xác nhận tất cả thiết bị thử nghiệm có nguồn điện ổn định, đã được kiểm định và trong thời hạn hiệu lực; kiểm tra trạng thái hoạt động của các thiết bị như bàn xoay, bàn rung, đảm bảo không có tiếng ồn bất thường, kẹt.

2. Xác nhận môi trường: Điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm tương đối trong phòng thí nghiệm đạt yêu cầu thử nghiệm, đảm bảo môi trường không có rung động, nhiễu điện từ đáng kể.

3. Lắp đặt và kết nối IMU: Sử dụng dụng cụ lắp đặt để cố định IMU chính xác trên bàn thử nghiệm, kết nối dây cung cấp điện, dây dữ liệu của IMU, đảm bảo kết nối chắc chắn, tiếp xúc tốt; thiết lập kết nối giữa card thu thập dữ liệu và phần mềm kiểm tra trên máy tính, hoàn thành cấu hình thông số (tần số lấy mẫu, định dạng dữ liệu, v.v).

4. Đun nóng và khởi tạo: Cung cấp điện cho IMU và thực hiện đun nóng, thời gian đun nóng không ít hơn 30 phút; khởi động chương trình khởi tạo IMU, sau khi hoàn thành tự hiệu chỉnh, xác nhận dữ liệu đầu ra của IMU ổn định (không có nhảy, giá trị bất thường).

3.2 Thử nghiệm độ chính xác tĩnh

Thử nghiệm độ chính xác tĩnh nhằm kiểm tra sai số đo lường của IMU trong trạng thái đứng yên, các thông số thử nghiệm cốt lõi bao gồm sai số định mức của la bàn, sai số định mức của gia tốc kế, sai số hệ số tỷ lệ và sai số lắp đặt.

3.2.1 Thử nghiệm sai số định mức của la bàn

1. Đặt IMU cố định trên bàn thử nghiệm nằm ngang, đảm bảo trục nhạy cảm của IMU song song với mặt phẳng ngang, không có kích thích góc lệch.

2. Khởi động hệ thống thu thập dữ liệu, thiết lập tần số lấy mẫu là 100Hz, thu thập liên tục dữ liệu đầu ra của ba trục la bàn IMU, thời gian thu thập là 2 giờ.

3. Sau khi thu thập xong, xử lý dữ liệu: loại bỏ các giá trị bất thường (sử dụng tiêu chuẩn 3σ), tính giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của dữ liệu đầu ra của ba trục la bàn, giá trị trung bình chính là sai số định mức của la bàn.

4. Ghi lại dữ liệu thử nghiệm, so sánh với chỉ tiêu định mức của định mức quy định trong sổ kỹ thuật sản phẩm, đánh giá xem có đạt yêu cầu hay không.

3.2.2 Thử nghiệm sai số định mức của gia tốc kế

1. Giữ IMU ở trạng thái đứng yên, điều chỉnh tư thế IMU, cho ba trục gia tốc kế lần lượt ở ba tư thế là nằm ngang, hướng lên trên, hướng xuống dưới (đảm bảo IMU ổn định trong 5 phút cho mỗi tư thế).

2. 

Tại mỗi tư thế, lấy mẫu dữ liệu đầu ra của gia tốc kế 3 trục IMU với tốc độ lấy mẫu 100Hz, thời gian thu thập dữ liệu tại mỗi tư thế là 30 phút.

3. Xử lý dữ liệu: Sau khi loại bỏ các giá trị ngoại lai, tính giá trị trung bình của dữ liệu đầu ra gia tốc kế tại mỗi tư thế; tính sai số lệch gốc của gia tốc kế (sự chênh lệch giữa giá trị đo và giá trị lý thuyết) dựa trên giá trị chuẩn của gia tốc trọng trường (9.80665m/s2).

4. Ghi nhận dữ liệu lệch gốc tại các tư thế, kiểm tra xem có đáp ứng yêu cầu chỉ tiêu hay không.

3.2.3 Kiểm tra sai số hệ số tỷ lệ

1. Kiểm tra hệ số tỷ lệ của góc: Đặt IMU cố định trên bàn xoay cao độ chính xác, cho trục xoay của bàn xoay trùng với một trục nhạy góc của IMU; cài đặt bàn xoay quay đều với các tốc độ góc khác nhau (ví dụ 5°/s, 10°/s, 20°/s, 50°/s, 100°/s), trong phạm vi tốc độ góc đầu vào theo chiều quay và ngược chiều quay, với không ít hơn 11 điểm tốc độ góc, mỗi tốc độ ổn định vận hành 1 phút, thu thập dữ liệu đầu ra của góc IMU. Thay đổi hai trục nhạy góc còn lại, lặp lại thử nghiệm trên.

2. Kiểm tra hệ số tỷ lệ của gia tốc kế: Đặt IMU cố định trên bàn xoay, cho trục xoay của bàn xoay trùng với một trục nhạy gia tốc kế của IMU; xoay bàn xoay theo chiều quay và ngược chiều quay với bước góc θ=360/n, ghi nhận giá trị đầu ra của gia tốc kế tại mỗi vị trí góc. Thay đổi hai trục nhạy gia tốc kế còn lại, lặp lại thử nghiệm trên.

3. Xử lý dữ liệu: Dựa trên giá trị kích thích tiêu chuẩn cài đặt trên bàn xoay và giá trị đầu ra thực tế của IMU, sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để phù hợp đường cong hệ số tỷ lệ, tính sai số hệ số tỷ lệ (sự chênh lệch giữa giá trị phù hợp và hệ số tỷ lệ lý thuyết).

4. Ghi nhận sai số hệ số tỷ lệ tại các trục, đánh giá xem có đáp ứng yêu cầu chỉ tiêu hay không.

3.2.4 Kiểm tra sai số lắp đặt

1. Đặt IMU cố định trên bàn xoay, đảm bảo ban đầu hệ tọa độ IMU và hệ tọa độ bàn xoay được căn chỉnh; cài đặt bàn xoay xoay bước với góc nhỏ (±5°) quanh các trục X, Y, Z, mỗi bước dừng 30 giây, thu thập dữ liệu đầu ra của ba trục góc IMU.

2. Dựa trên góc xoay thực tế của bàn xoay và dữ liệu góc đầu ra của IMU, xây dựng mô hình lỗi lắp đặt, giải quyết góc lỗi lắp đặt bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất.

3. Ghi lại dữ liệu lỗi lắp đặt, nếu lỗi vượt quá phạm vi cho phép, cần điều chỉnh lại công cụ lắp đặt và thử nghiệm lại.

3.3 Thử nghiệm đáp ứng động

Thử nghiệm đáp ứng động nhằm kiểm tra độ chính xác theo dõi và tốc độ phản ứng của IMU dưới tác động động, các thông số thử nghiệm chính bao gồm lỗi theo dõi tốc độ góc, lỗi theo dõi gia tốc và thời gian phản ứng động.

3.3.1 Thử nghiệm theo dõi động của la bàn

1. Gắn IMU vào bàn xoay, sao cho trục xoay của bàn xoay trùng với trục nhạy cảm của la bàn IMU; khởi động bàn xoay, chạy theo đường cong kích thích động được thiết lập trước (như bước, sin, sóng tam giác), tốc độ góc bước: 0~100°/s, biên độ tốc độ góc sin: 0~50°/s, tần số: 0.1~10Hz.

2. Khởi động đồng bộ hệ thống thu thập dữ liệu, thu thập dữ liệu tốc độ góc chuẩn của bàn xoay và dữ liệu đầu ra của la bàn IMU, tốc độ lấy mẫu được thiết lập là 1kHz.

3. Xử lý dữ liệu: So sánh dữ liệu đầu ra của IMU với dữ liệu chuẩn của bàn xoay, tính toán lỗi theo dõi động (lỗi đỉnh, lỗi RMS); thông qua đường cong đáp ứng bước, tính toán các thông số đáp ứng động như thời gian tăng, thời gian điều chỉnh của la bàn.

4. Thay đổi hai trục nhạy cảm khác, lặp lại thử nghiệm trên, ghi lại dữ liệu hiệu năng động của từng trục.

3.3.2 Thử nghiệm theo dõi động của gia tốc kế

1. Gắn IMU vào bàn rung, hướng của trục chuẩn (IRA) song song với hướng dao động của bàn rung; khởi động bàn rung, chạy theo đường cong kích thích động được thiết lập trước (bước, sin), gia tốc bước: 0~20g, biên độ gia tốc sin: 0~10g, tần số: 0.1~50Hz.

2. Thu thập đồng bộ dữ liệu gia tốc chuẩn của bàn rung và dữ liệu đầu ra của gia tốc kế IMU, tốc độ lấy mẫu được thiết lập là 1kHz.

3. Xử lý dữ liệu: So sánh hai loại dữ liệu, tính toán lỗi theo dõi động (lỗi đỉnh, lỗi RMS);

Qua đường cong đáp ứng bước, tính toán thời gian tăng tốc, thời gian ổn định của gia tốc kế và các tham số đáp ứng động khác.

4. Thay thế hai trục nhạy khác nhau, lặp lại các bài kiểm tra trên, ghi lại dữ liệu hiệu suất động của từng trục.

3.4 Kiểm tra khả năng thích ứng với môi trường

Kiểm tra khả năng thích ứng với môi trường nhằm xác minh tính ổn định của IMU trong các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khác nhau, tập trung kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chính xác của IMU.

3.4.1 Kiểm tra trong môi trường nhiệt độ thấp

1. Đặt thiết bị thử nghiệm gắn IMU vào phòng thử nghiệm nhiệt độ và độ ẩm cao, kết nối dây nguồn và dây dữ liệu (đảm bảo cáp có thể hoạt động bình thường khi đóng cửa phòng thử nghiệm).

2. Đặt nhiệt độ phòng thử nghiệm ở nhiệt độ làm việc thấp nhất của IMU, giữ nhiệt đến khi đầu ra của IMU ổn định.

3. Trong môi trường nhiệt độ thấp, lặp lại các mục chính của bài kiểm tra độ chính xác tĩnh trong mục 3.2 và bài kiểm tra đáp ứng động trong mục 3.3 (sai số không của la bàn, sai số không của gia tốc kế, sai số theo bước), thu thập và ghi lại dữ liệu thử nghiệm.

4. Sau khi thử nghiệm hoàn thành, khôi phục nhiệt độ phòng thử nghiệm về nhiệt độ phòng, duy trì trong 30 phút, quan sát xem dữ liệu đầu ra của IMU có trở lại bình thường không.

3.4.2 Kiểm tra trong môi trường nhiệt độ cao

1. Đặt nhiệt độ phòng thử nghiệm ở nhiệt độ làm việc cao nhất của IMU, giữ nhiệt đến khi đầu ra của IMU ổn định.

2. Trong môi trường nhiệt độ cao, lặp lại các mục chính của bài kiểm tra độ chính xác tĩnh trong mục 3.2 và bài kiểm tra đáp ứng động trong mục 3.3, thu thập và ghi lại dữ liệu thử nghiệm.

3. Sau khi thử nghiệm hoàn thành, khôi phục nhiệt độ phòng thử nghiệm về nhiệt độ phòng, duy trì trong 30 phút, quan sát xem dữ liệu đầu ra của IMU có trở lại bình thường không.

3.5 Kiểm tra độ ổn định (thử nghiệm làm việc trong thời gian dài)

1. Đặt IMU trong môi trường phòng thí nghiệm tiêu chuẩn (20℃±5℃, ≤85%RH), cố định trên bàn thử nghiệm ngang, đảm bảo nguồn điện ổn định và truyền dữ liệu bình thường.

2. Khởi động IMU và làm nóng trong 30 phút, thiết lập hệ thống thu thập dữ liệu để thu thập liên tục dữ liệu đầu ra của IMU với tốc độ lấy mẫu 100Hz, thời gian thu thập là 12 giờ.

3.  Xử lý dữ liệu: Lấy mẫu dữ liệu độ lệch gốc của giroskop và độ lệch gốc của gia tốc kế mỗi 30 phút, phân tích xu hướng thay đổi theo thời gian; Tính toán phạm vi dao động lớn nhất của dữ liệu trong 12 giờ, kiểm tra độ ổn định của IMU khi làm việc trong thời gian dài.

3.6 Kiểm tra tính nhất quán của dữ liệu đầu ra

1. Chọn 3 mẫu IMU cùng loại, tiến hành kiểm tra độ chính xác tĩnh theo mục 3.2 trong cùng một môi trường phòng thí nghiệm, cùng thiết bị kiểm tra và cùng tham số kiểm tra.

2. Thu thập và ghi lại dữ liệu cốt lõi của 3 IMU như độ lệch gốc của giroskop, độ lệch gốc của gia tốc kế, sai số hệ số tỷ lệ.

3. Tính toán hệ số biến thiên (độ lệch chuẩn/ giá trị trung bình) của cùng một tham số của 3 IMU, kiểm tra tính nhất quán của đầu ra của sản phẩm IMU cùng loại.

Tư, Tiêu chuẩn xử lý và đánh giá dữ liệu

4.1 Phương pháp xử lý dữ liệu

Loại bỏ giá trị ngoại lai: Sử dụng tiêu chuẩn 3σ để loại bỏ giá trị ngoại lai trong dữ liệu kiểm tra, đảm bảo tính hiệu quả của dữ liệu.

Tính toán chỉ số độ chính xác: Sai số độ lệch gốc được tính bằng phương pháp trung bình, sai số hệ số tỷ lệ được tính bằng phương pháp phù hợp bình phương nhỏ nhất, sai số theo dõi được tính bằng sai số đỉnh và sai số trung bình có bình phương (RMSE).

Minh họa dữ liệu: Vẽ đường cong dữ liệu (như đường cong độ lệch gốc theo thời gian, đường cong so sánh theo dõi động) thông qua phần mềm kiểm tra, hiển thị trực quan xu hướng thay đổi hiệu suất của IMU.

Xác minh tính lặp lại: Thực hiện kiểm tra lặp lại 3 lần cho cùng một mục kiểm tra, tính toán sai số lặp lại của kết quả kiểm tra, đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu kiểm tra.

4.2 Tiêu chuẩn đánh giá

Dựa trên sổ tay kỹ thuật của sản phẩm IMU và yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển bay của drone, ban hành tiêu chuẩn đánh giá chỉ số hiệu suất cốt lõi sau (có thể điều chỉnh theo tham số sản phẩm thực tế):

Nếu dữ liệu thử nghiệm thỏa mãn toàn bộ các chỉ tiêu trên thì kết luận thử nghiệm phòng thí nghiệm IMU đạt yêu cầu; nếu có bất kỳ chỉ tiêu nào không thỏa mãn yêu cầu, cần phân tích nguyên nhân (như sai số lắp đặt, nhiễu thiết bị, khuyết tật của IMU...), và tiến hành thử nghiệm xác minh lại.

5. An toàn và lưu ý khi thử nghiệm

An toàn vận hành thiết bị: Nhân viên vận hành phải quen thuộc với quy trình vận hành của các thiết bị thử nghiệm, khởi động và vận hành thiết bị theo quy định; trong quá trình vận hành bàn xoay, bàn rung, cấm lại gần các bộ phận xoay/vibrating của thiết bị, tránh bị tổn thương cơ học.

An toàn điện: Đảm bảo tất cả các thiết bị thử nghiệm được nối đất tốt, tránh tai nạn rò rỉ điện; trước khi kết nối, tháo dây cáp, cần tắt nguồn điện của thiết bị, tránh gây ngắn mạch làm hỏng thiết bị hoặc module IMU.

An toàn thử nghiệm nhiệt độ và độ ẩm: Trong quá trình vận hành tủ thử nghiệm nhiệt độ cao và thấp, cấm mở cửa tủ tùy tiện, tránh gây bỏng/đông lạnh do chênh lệch nhiệt độ quá lớn; sau khi thử nghiệm, cần đợi nhiệt độ trong tủ trở về nhiệt độ phòng trước khi lấy mẫu thử ra.

An toàn dữ liệu: Lưu trữ dữ liệu thử nghiệm theo thời gian thực, sao lưu dữ liệu định kỳ; sau khi thử nghiệm, phân loại và sắp xếp dữ liệu để đảm bảo tính truy xuất được của dữ liệu.

Bảo trì thiết bị: Sau khi kết thúc thử nghiệm, tắt nguồn điện của tất cả thiết bị thử nghiệm, làm sạch bụi bẩn trên bề mặt thiết bị; định kỳ bôi trơn, hiệu chỉnh các thiết bị như bàn xoay, bàn rung để đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài của thiết bị.

VI. Soạn thảo báo cáo thử nghiệm

Sau khi hoàn thành thử nghiệm, cần lập báo cáo thử nghiệm phòng thí nghiệm IMU drone chi tiết, báo cáo bao gồm các nội dung sau:

Tổng quan thử nghiệm: Bao gồm mục đích thử nghiệm, phạm vi thử nghiệm, cơ sở thử nghiệm, môi trường thử nghiệm.

Thiết bị thử nghiệm: Liệt kê các loại, thông số kỹ thuật, tình trạng hiệu chuẩn của tất cả thiết bị thử nghiệm.

Quá trình thử nghiệm: Mô tả chi tiết các bước thử nghiệm, cài đặt thông số thử nghiệm cho từng mục thử nghiệm.

Dữ liệu thử nghiệm: Tuyển tập và trình bày dữ liệu gốc, dữ liệu xử lý và đồ thị dữ liệu của các mục thử nghiệm.

Phân tích kết quả: So sánh dữ liệu thử nghiệm với yêu cầu chỉ tiêu đạt chuẩn, phân tích hiệu suất IMU; đề xuất phân tích nguyên nhân và khuyến nghị cải tiến cho các vấn đề phát hiện trong quá trình thử nghiệm.

Kết luận thử nghiệm: Xác định rõ việc thử nghiệm phòng thí nghiệm IMU có đạt yêu cầu hay không.

Phụ lục: Bao gồm dữ liệu thử nghiệm gốc, chứng chỉ hiệu chuẩn thiết bị thử nghiệm, hình ảnh tại hiện trường thử nghiệm.