任建新, 王青青, 牛振中

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引 言

空投技術(shù)[1]是利用降落傘將物資投放到指定地域的一項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)它也是一種非常重要的部隊(duì)投送與物資補(bǔ)給手段，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和非戰(zhàn)爭(zhēng)行動(dòng)中都具有廣泛的應(yīng)用。翼傘系統(tǒng)的高滑翔性和可控特性[2]，使得翼傘系統(tǒng)已成為空投領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

雀降[3.4]是翼傘的一種重要性能，《降落傘理論與應(yīng)用》一書中這樣定義雀降：當(dāng)翼傘以滑翔狀態(tài)接近地面時(shí)，如果以較快的速度將兩操縱繩同時(shí)拉下，在很短的時(shí)間內(nèi)翼傘的前進(jìn)速度和垂直速度將會(huì)迅速地減小到極小值(接近0)，若開始操縱的高度選擇適當(dāng)，落地時(shí)速度正好達(dá)到最小值，此種操縱便稱為雀降。

空投時(shí)，為了保證翼傘落地時(shí)刻的速度得到有效的控制，必須在預(yù)定的雀降操縱時(shí)刻實(shí)施減速操作，而現(xiàn)有高度測(cè)量設(shè)備[5.6]如：GPS的測(cè)高誤差相對(duì)過大；氣壓高度計(jì)僅能在地面狀況已知時(shí)給出準(zhǔn)確的測(cè)量信息，而且氣壓高度計(jì)的精度難以滿足翼傘實(shí)施雀降時(shí)對(duì)高度信息的精度要求；此外，超聲波測(cè)距計(jì)、雷達(dá)測(cè)距計(jì)和激光測(cè)距計(jì)受地面環(huán)境影響較大，面對(duì)茂密的叢林植被可能給出錯(cuò)誤的高度信息，且雷達(dá)和激光測(cè)距計(jì)的成本相對(duì)較大，不適合空投系統(tǒng)的低成本要求。為此，本文采用聲波高度計(jì)[7]來提高高度測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確度。

1 聲波高度計(jì)測(cè)距原理

聲波高度計(jì)的測(cè)距原理與聲納和雷達(dá)類似，其基本原理[8]是利用聲波在空氣中的傳播速度c為已知，聲波發(fā)射器向反射面發(fā)射一組聲波脈沖，聲波遇到目標(biāo)后必然有反射回波作用在接收換能器上，測(cè)量聲波從發(fā)射點(diǎn)至目標(biāo)地傳輸所經(jīng)過的時(shí)間，即當(dāng)換能器發(fā)射出聲波開始計(jì)時(shí)，到聲波經(jīng)空氣傳播至目標(biāo)，再反射回傳播至聲波接收器停止計(jì)時(shí)，測(cè)得傳播時(shí)間t，由下式可以求出聲波發(fā)射點(diǎn)距目標(biāo)之間的距離

(1)

2 聲波高度計(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)的聲波高度計(jì)系統(tǒng)主要包括：主控制模塊、聲音發(fā)送模塊、聲音接收模塊、串口通信模塊以及電源模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 聲波高度計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

聲波高度計(jì)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)思想是在單片機(jī)的控制下，利用單片機(jī)內(nèi)部的12位DA輸出一組固定頻率的脈沖信號(hào)并通過功放電路驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，用麥克風(fēng)接收聲音信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后再經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器把回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)通過RS—232與上位機(jī)進(jìn)行通信，整個(gè)系統(tǒng)采用28V直流電源供電。

3 系統(tǒng)功能模塊硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的聲波高度計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，系統(tǒng)主控制器單片機(jī)主要考慮其必須滿足：封裝小，帶有一定采樣精度的A/D，D/A，UART，片內(nèi)JTAG仿真以及豐富的存儲(chǔ)空間等。綜合考慮上述主要因素，本文選擇了Cygnal公司的C8051F005單片機(jī)[9]作為主控芯片。

聲音發(fā)送模塊設(shè)計(jì)選取的是SGS公司生產(chǎn)的TDA2030A集成功放，該器件具有輸出電流大、諧波失真小、內(nèi)部設(shè)有過熱保護(hù)、外圍電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。由于總體方案中用到的是28 V直流電源單電源供電，所以，這里選取TDA2030A的OTL電路。

聲音接收模塊采用常用的駐極體話筒接收聲波信號(hào)，該模塊要求對(duì)駐極體話筒受聲后采集到的微弱電平信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)再經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以觸發(fā)單片機(jī)的定時(shí)中斷。本設(shè)計(jì)選用低噪聲可變?cè)鲆鎯x表放大器AD623進(jìn)行前置放大。

電源模塊設(shè)計(jì)時(shí)由于電源轉(zhuǎn)換是28 V轉(zhuǎn)換到5 V，如果采用線性穩(wěn)壓器的話，則消耗在線性穩(wěn)壓芯片上的功率較大，效率也低，進(jìn)而發(fā)熱較多，此外，線性穩(wěn)壓電源的體積大，重量重，不適合本設(shè)計(jì)的微小型化。鑒于上述的考慮，本文中28 V轉(zhuǎn)5 V的電源轉(zhuǎn)換芯片采用TI推出的一種DC/DC降壓型開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片TPS5410。此外，本文選用電源轉(zhuǎn)換芯片LM1117—3.3來獲得+3.3 V電源電壓，LM1117是一種正電壓輸出的低壓降三端線性穩(wěn)壓器， 800 mA的輸出電流能夠滿足聲波高度計(jì)系統(tǒng)CPU正常工作時(shí)電流的需要。

本文設(shè)計(jì)的聲波高度計(jì)系統(tǒng)的詳細(xì)電路原理圖如圖2所示。

圖2 聲波高度計(jì)系統(tǒng)的詳細(xì)電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為便于升級(jí)和維護(hù)，聲波高度計(jì)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊完成特定的功能。聲波高度計(jì)系統(tǒng)的軟件程序流程圖如圖3。其中主程序設(shè)計(jì)基本思想是[10]：利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0控制聲波發(fā)射的周期，定時(shí)器T0定時(shí)周期地發(fā)射固定頻率(1 kHz)的脈沖信號(hào)，然后通過C8051F005單片機(jī)內(nèi)部的12位DA0輸出。脈沖發(fā)送完畢后延時(shí)5 ms(延時(shí)5 ms是為了濾除掉由聲波高度計(jì)喇叭橫向直傳過來的聲音信號(hào)，以免其對(duì)回波信號(hào)的檢測(cè)產(chǎn)生影響)，然后啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部12位AD(AD啟動(dòng)方式為定時(shí)器T3溢出)通道0進(jìn)行回波信號(hào)采集，同時(shí)把采集到的信號(hào)存到數(shù)組中，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，對(duì)串口發(fā)送標(biāo)志置1，然后用UART0串口通信將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。

圖3 聲波高度計(jì)系統(tǒng)軟件程序流程圖

5 系統(tǒng)試驗(yàn)

利用上文研制的聲波高度計(jì)系統(tǒng)分別進(jìn)行了室內(nèi)和室外的2種試驗(yàn)，每種試驗(yàn)中又分別做了不同反射面和不同高度情況下的試驗(yàn)。本文的試驗(yàn)結(jié)果均采用數(shù)據(jù)離線處理的方式。

試驗(yàn)時(shí)，聲波采用的是1 kHz的正弦波脈沖信號(hào)，由C8051F005單片機(jī)控制內(nèi)部的12位DA0輸出，串口通信的波特率設(shè)置為9 600，聲波高度計(jì)系統(tǒng)的AD采樣頻率采用的是8 kHz，每次采集300 ms數(shù)據(jù)，為了能把采集到的數(shù)據(jù)全部能發(fā)送至上位機(jī)上，試驗(yàn)時(shí)利用定時(shí)器T0控制單片機(jī)每3.5 s發(fā)送一次聲波，每次發(fā)送5個(gè)脈沖信號(hào)。

5.1 室內(nèi)試驗(yàn)

由于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)條件有限，在室內(nèi)只做了朝向天花板(距離2.4 m)的一組驗(yàn)證性試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)接收了5次回波信號(hào)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，且經(jīng)過高通濾波濾除掉低頻趨勢(shì)項(xiàng)后的單周期局部放大回波信號(hào)波形如圖5所示，試驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

圖4 天花板反射的回波信號(hào)波形圖

圖5 經(jīng)高通濾波處理后的回波信號(hào)波形

表1 室內(nèi)到天花板的距離測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由上述結(jié)果可知,經(jīng)高通數(shù)字濾波處理后的回波信號(hào)效果要好于局部放大后的回波信號(hào)效果，且測(cè)量誤差均值為0.324 m，符合聲波高度計(jì)的設(shè)計(jì)要求。此外，從圖5中還可看出:室內(nèi)試驗(yàn)一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)會(huì)收到多個(gè)回波，這是由于室內(nèi)不是自由聲場(chǎng)，聲音信號(hào)在室內(nèi)各個(gè)反射面之間來回反射造成的，這也會(huì)造成回波信號(hào)相互干擾而影響測(cè)量精度，所以,要進(jìn)行室外自由聲場(chǎng)的試驗(yàn)。

5.2 室外自由聲場(chǎng)中的試驗(yàn)

為了研究本文研制的聲波高度計(jì)對(duì)空投時(shí)不同反射地面的適用性，分別針對(duì)灌木叢地面、草叢地面、水泥地地面和地板磚地面4種地面狀況做了不同高度下的多組試驗(yàn),每組試驗(yàn)分別接收5次回波信號(hào)。針對(duì)灌木叢地面做了4.7 m高度下的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6,高通濾波后的結(jié)果如圖7,誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2。

圖6 高度為4.7 m時(shí)的灌木叢地面回波信號(hào)

圖7 高通濾波處理后的局部放大回波波形

表2 高度為4.7 m時(shí)灌木叢地面的測(cè)量結(jié)果

此外，文中還針對(duì)草叢地面分別做了2.25,3.0,4.7 m高度下的試驗(yàn)；針對(duì)水泥地地面分別做了3.0,12.0 m高度下的試驗(yàn)；針對(duì)地板磚地面分別做了2.7,5.7 m高度下的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過比較上述針對(duì)不同試驗(yàn)環(huán)境、不同反射地面、不同高度的試驗(yàn)結(jié)果可知：聲波高度計(jì)系統(tǒng)在4種反射地面的不同高度情況下都能夠給出高度信息，且室內(nèi)試驗(yàn)的測(cè)量誤差均值0.324 m，室外試驗(yàn)的最大測(cè)量誤差均值為0.814 m，各組試驗(yàn)的量測(cè)誤差均值都在1 m以內(nèi)，這說明在所做的試驗(yàn)量測(cè)范圍內(nèi)，聲波高度計(jì)原理樣機(jī)的高度測(cè)量精度滿足空投的要求。

表3 室外試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

分析上述的試驗(yàn)結(jié)果還可以看出：地板磚地面上的試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量精度最高，水泥地地面上的測(cè)量精度次之，灌木叢地面上的測(cè)量精度最低。這是因?yàn)楣嗄緟驳孛姹容^粗糙，對(duì)聲音信號(hào)的反射效果最差，其測(cè)量誤差也是最大的，當(dāng)高度為4.7 m時(shí)，其最大測(cè)量誤差為0.5 m。相對(duì)而言，光滑的地板磚能夠很好地反射聲音信號(hào)，其最高精度可達(dá)0.04 m。

6 結(jié)束語

為了提高空投翼傘雀降時(shí)高度測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確度，本文提出了采用聲波高度計(jì)進(jìn)行高度測(cè)量。首先完成了聲波高度計(jì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并利用設(shè)計(jì)的聲波高度計(jì)系統(tǒng)在室內(nèi)和室外針對(duì)不同反射面，包括室內(nèi)天花板、室內(nèi)墻面、室外草叢地面、室外灌木叢地面、室外水泥地面和室外地板磚地面，分別進(jìn)行了不同高度的試驗(yàn)研究和結(jié)果分析。多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的事后處理表明：研制的聲波高度計(jì)在所做的試驗(yàn)量測(cè)范圍內(nèi)，其測(cè)量精度滿足空投的要求，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可在空投時(shí)針對(duì)不同的地面狀況具有一定的適用性。

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