王亞斌,郭開心

(北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈的彈道安全性問題是一個(gè)亟待解決的問題，對(duì)于中大口徑榴彈進(jìn)行多傳感器彈道環(huán)境參數(shù)測(cè)試，并對(duì)彈丸運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，是進(jìn)行安保機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善彈道安全問題的前提。美國陸軍研究室自2000年開始持續(xù)開展基于地磁的高速旋轉(zhuǎn)彈姿態(tài)測(cè)試方法，在地磁測(cè)試方面已經(jīng)積累了成熟的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于彈丸飛行全局的地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)能夠分析出飛行過程中的彈丸章動(dòng)[1-4]，楊登紅等[6]研究了一種基于單軸陀螺儀的姿態(tài)角提取方法，但是陀螺儀恢復(fù)在彈丸飛行過程中建立穩(wěn)定所需要的時(shí)間遠(yuǎn)大于地磁傳感器和加速度計(jì)。早期常用紙靶法[7]來進(jìn)行彈丸來進(jìn)行彈丸章動(dòng)分析，近年來張龍等[7]對(duì)基于彈載地磁測(cè)試的高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈錐形運(yùn)動(dòng)對(duì)彈丸出炮口章動(dòng)進(jìn)行了分析，王寶元等[8]使用高速攝像對(duì)炮口100 m內(nèi)彈丸飛行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤，對(duì)章動(dòng)進(jìn)行了分析，王元?dú)J[9]通過對(duì)雷達(dá)底部回波進(jìn)行分析對(duì)彈丸章動(dòng)進(jìn)行了分析，在實(shí)際彈丸運(yùn)動(dòng)中，在彈道末段章動(dòng)也很大。

通過以上分析可知，研究一種低功耗，高精度的多傳感器融合的彈道環(huán)境參數(shù)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)高動(dòng)態(tài)，高過載的中大口徑榴彈進(jìn)行全彈道存儲(chǔ)測(cè)試，對(duì)過載和后效期對(duì)地磁傳感器和加速度的影響進(jìn)行分析，對(duì)彈丸章動(dòng)的周期進(jìn)行分析，為未來引信的解保算法設(shè)計(jì)和傳感器方案設(shè)計(jì)提供更多依據(jù)具有重大的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

多傳感器融合的彈道環(huán)境參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)在炮射實(shí)驗(yàn)中，承受最高可達(dá)數(shù)萬g的沖擊過載，高頻振動(dòng)，在飛行過程中，更是表現(xiàn)出高轉(zhuǎn)速，高動(dòng)態(tài)特性，為保證該測(cè)試系統(tǒng)能夠在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境可靠使用，設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：

1) 抗高沖擊過載。測(cè)試系統(tǒng)不僅存在發(fā)射過載，也存在落地過載，經(jīng)試驗(yàn)落地過載會(huì)將露在彈外部的尖頭部分毀壞，所以在設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮到使用灌封技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性，還需要設(shè)計(jì)有效的保護(hù)方式對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊安全進(jìn)行保護(hù)；

2) 多方案供電。測(cè)試系統(tǒng)在飛行過程中由電池供電，回收后使用外部電源供電，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多方案供電設(shè)計(jì)。

3) 高采樣率高精度。以155榴彈為例，轉(zhuǎn)速最高可達(dá)300 r/s,需要高采樣率才能從數(shù)據(jù)中提取出彈丸轉(zhuǎn)一圈的最值點(diǎn)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速分析；彈丸飛行章動(dòng)角較小，只有高精度才能提取出彈丸的章動(dòng)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)典型需求的分析，提出了多傳感器融合的但到環(huán)境參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，主要性能指標(biāo)如下： 數(shù)據(jù)采集通道為8通道：包括大量程加速度計(jì)、三個(gè)兩兩正交的小量程加速度計(jì)，兩個(gè)正交放置的兩軸地磁傳感器(其中一個(gè)軸為冗余軸)； 采樣率16 ksps，采樣率高于轉(zhuǎn)速50倍以上，能夠測(cè)量到彈丸轉(zhuǎn)一圈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律; 采樣分辨率16 bits：地磁信號(hào)一般為±60 000 nT，當(dāng)章動(dòng)角為5°時(shí)，章動(dòng)信號(hào)最大在5 000 nT以內(nèi)變化，所以要求高分辨率； 工作時(shí)間≮120 s：中大口徑榴彈彈道飛行時(shí)長一般不超過120 s。 存儲(chǔ)器容量≮30 720 000字節(jié)：基于上述采樣通道數(shù)、采樣率，采樣分辨率分析算出。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

多傳感器融合的彈道環(huán)境參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器模塊，信號(hào)調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，STM32F401微控制器，存儲(chǔ)電路，下載電路，通信電路，電源電路等組成，工作原理框圖如圖1。

圖1 工作原理框圖

2.2 存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)傳感器模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器包括一個(gè)大量程加速度計(jì)(量程50 000g，用于測(cè)量膛內(nèi)過載、落地過載并作為采樣觸發(fā)條件)，3個(gè)小量程加速度計(jì)(ADXL1002,量程±50g，用于測(cè)量彈體飛行過程中捷聯(lián)在彈體上的測(cè)試系統(tǒng)3個(gè)軸的加速度)，2個(gè)雙軸地磁傳感器(HMC1052，正交放置，用于測(cè)量彈體飛行中捷聯(lián)在彈體上的測(cè)試系統(tǒng)的三個(gè)軸的地磁數(shù)據(jù)，其中一個(gè)軸為冗余軸)。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)傳感器模塊結(jié)構(gòu)

該測(cè)試系統(tǒng)需要低功耗，外設(shè)通訊協(xié)議簡單且標(biāo)準(zhǔn)化，而且對(duì)SPI速率有一定要求，綜合考慮選擇STM32F401作為主控芯片。對(duì)于包括四軸地磁數(shù)據(jù)通道(1個(gè)冗余軸)，4個(gè)加速度計(jì)數(shù)據(jù)通道(1個(gè)大量程加速度計(jì)，3個(gè)小量程加速度計(jì))的8通道模擬信號(hào)，選擇AD轉(zhuǎn)換精度16位，16 ksps采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共128 ksps，選擇500 ksps的AD8699作為AD轉(zhuǎn)換芯片，通過SPI接口控制轉(zhuǎn)換信息。選用32M的Flash存儲(chǔ)器W25Q256。

2.2.1地磁傳感器電路設(shè)計(jì)

地磁傳感器選擇HMC1052，其靈敏度≥50 nT/uV，,線性誤差≤1×10-4，零漂≯±1 mV，敏感軸垂直度誤差≯0.01°，工作原理如圖3所示。在工作前，需要用一個(gè)脈沖電壓對(duì)傳感器進(jìn)行置位復(fù)位，置復(fù)位原理如圖4所示。

圖3 地磁傳感器工作原理示意圖

圖4 地磁傳感器置位復(fù)位原理示意圖

2.2.2小量程加速度計(jì)電路設(shè)計(jì)

彈丸飛行過程中，軸向加速度計(jì)受到空氣阻力，徑向加速度計(jì)由于安裝誤差承受離心加速度并隨著彈體轉(zhuǎn)動(dòng)加速度值有≯±1g的周期性重力加速度分量變化，在此應(yīng)用環(huán)境下選擇小量程加速度計(jì)選擇ADXL1002，量程為±50g,原理如圖5所示，通過兩個(gè)RC濾波電路濾除高頻噪聲。

圖5 小量程加速度計(jì)原理示意圖

3 存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分，首先對(duì)存儲(chǔ)器寫入方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，再進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 存儲(chǔ)器編程方式

本文軟件設(shè)計(jì)基于以下三點(diǎn)原因針對(duì)W25Q256選擇頁編程方式進(jìn)行寫入：

1) FLASH存儲(chǔ)器在寫入前需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除，擦除時(shí)間較長，所以在彈上采集和存儲(chǔ)過程中不能循環(huán)寫入，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器使用頁編程并通過控制器中的RAM累積數(shù)據(jù)并通過DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸更能節(jié)省CPU的占用時(shí)間，累積數(shù)據(jù)量需要在一個(gè)AD轉(zhuǎn)換間隔內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證頁編程滿足相關(guān)時(shí)序要求。

2) 本方案采用大量程加速度計(jì)觸發(fā)采樣的方式，為了測(cè)試得到更完整的數(shù)據(jù)，參考鐵電存儲(chǔ)器的可以循環(huán)寫入的優(yōu)點(diǎn)，在STM32F401內(nèi)部選出一段RAM區(qū)進(jìn)行循環(huán)讀取，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)，將RAM區(qū)數(shù)據(jù)通過頁編程方式全部存入FLASH存儲(chǔ)器。

3) 使用數(shù)據(jù)按頁寫入，可以對(duì)頁進(jìn)行編號(hào)，在數(shù)據(jù)讀取后對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性進(jìn)行校核。

3.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)軟件功能上分為在上彈前的數(shù)據(jù)擦除、發(fā)射后彈上的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)和回收后的數(shù)據(jù)讀取3部分。上彈前的數(shù)據(jù)擦除主要是通過串口發(fā)送指令控制STM32F401通過SPI總線向存儲(chǔ)器芯片發(fā)送擦除指令；回收后的數(shù)據(jù)讀取主要是通過串口發(fā)送指令控制STM32F401通過SPI總線向存儲(chǔ)器芯片發(fā)送發(fā)出數(shù)據(jù)讀取指令和讀取地址，并將數(shù)據(jù)讀入STM32F401,再將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)。彈上數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)部分流程如圖6所示。

圖6 彈上數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)流程框圖

如圖6所示，系統(tǒng)上電復(fù)位，初始化，等待指令。收到上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)指令后，首先根據(jù)通信協(xié)議信息產(chǎn)生nmin的延時(shí)，在延時(shí)期間完成存儲(chǔ)測(cè)試裝置的裝配，并裝入測(cè)試火炮中，以免上彈過載產(chǎn)生誤觸發(fā)信號(hào)；延時(shí)結(jié)束后開始AD轉(zhuǎn)換，并按照3.1節(jié)所述存入RAM區(qū)，同時(shí)等待觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)；在觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在兩次AD轉(zhuǎn)換期間將RAM區(qū)數(shù)據(jù)通過DMA方式傳入存儲(chǔ)器，開始下一次RAM區(qū)累計(jì)，累計(jì)滿后存入存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器存滿停止采樣。

4 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

該存儲(chǔ)測(cè)試裝置通過螺紋旋入彈內(nèi)，其中一部分在彈體外部，一部分在彈體內(nèi)部?？紤]到彈體外殼是鐵磁性材料，地磁傳感器置于彈體內(nèi)部測(cè)量地磁信號(hào)時(shí)會(huì)受到影響所以傳感器部分需要置于彈體外部。存儲(chǔ)測(cè)試裝置受到的落地過載可能使彈體外部部分受到損壞，所以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊需要置于彈體內(nèi)部。基于以上分析設(shè)計(jì)圖7所示存儲(chǔ)測(cè)試裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)。對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試裝置進(jìn)行裝配、灌封、高低溫測(cè)試后進(jìn)行電氣性能最終測(cè)試，測(cè)試完成后進(jìn)行火炮試驗(yàn)。

圖7 硬件機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

4.1 過載數(shù)據(jù)分析

圖8所示過載測(cè)試曲線為本測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試得到的炮口過載和落點(diǎn)過載信息，膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間約為0.027 s，膛內(nèi)過載隨膛壓變化先增大后減小，在約0.005 s取到最大值8 401 g，在炮口后效期振動(dòng)大于4 000 g，落點(diǎn)過載20 000 g左右。

圖8 過載測(cè)試曲線

4.2 出炮口附近多傳感器數(shù)據(jù)

圖9為出炮口附近的大量程加速度計(jì)、單軸小量程加速度計(jì)和單軸地磁傳感器曲線(由于縱軸單位不統(tǒng)一，故隱去刻度)。從圖中可知，火炮內(nèi)彈道過程電磁環(huán)境復(fù)雜，地磁傳感器失效，在出炮口處即0.027 s地磁傳感器恢復(fù)正常，所測(cè)數(shù)據(jù)隨彈丸轉(zhuǎn)動(dòng)周期性變化。炮口后效期在地磁傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)1.25個(gè)周期后結(jié)束，結(jié)束時(shí)間約為0.032 s。加速度傳感器在炮口后效期結(jié)束后0.02 s數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，在此期間，地磁傳感器又轉(zhuǎn)過0.5個(gè)周期。

圖9 出炮口附近多傳感器數(shù)據(jù)

4.3 基于地磁傳感器和小量程加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速分析

圖10和圖11為小量程加速度計(jì)和地磁傳感器彈道全局、彈道起點(diǎn)、彈道中間和彈道末端的曲線，分別取十個(gè)周期求平均值測(cè)得初始轉(zhuǎn)速、彈道中間段轉(zhuǎn)速和彈道末端轉(zhuǎn)速，并根據(jù)初速雷達(dá)測(cè)得速度求得初始轉(zhuǎn)速，雷達(dá)測(cè)得初速為517.23 m/s,可算出初始轉(zhuǎn)速為166.9 r/s，有關(guān)初始轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 小量程加速度計(jì)曲線

圖11 地磁傳感器曲線

表1 初始轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)

飛行階段雷達(dá)解算轉(zhuǎn)速/(轉(zhuǎn)·s-1)地磁解算轉(zhuǎn)速/(轉(zhuǎn)·s-1)加速度計(jì)解算轉(zhuǎn)速/(轉(zhuǎn)·s-1)彈道起點(diǎn)166.9171.1169.5彈道中間—152.8148.9彈道終點(diǎn)—135.5127.9

4.4 基于地磁傳感器包絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行章動(dòng)周期分析

圖12和圖13為地磁傳感器下端包絡(luò)曲線和上端包絡(luò)曲線，從數(shù)據(jù)能夠看出在出炮口附近，彈丸運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)明顯的進(jìn)動(dòng)和章動(dòng)組合的兩圓運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，進(jìn)動(dòng)周期為0.5 s，章動(dòng)周期為0.07 s。在整個(gè)彈道過程中，進(jìn)動(dòng)呈先變大后變小趨勢(shì)，章動(dòng)呈逐漸減小趨勢(shì)。在彈道末段，只能看到明顯的進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)周期為1 s。

圖12 地磁傳感器數(shù)據(jù)底部包絡(luò)曲線

圖13 地磁傳感器數(shù)據(jù)頂部包絡(luò)曲線

5 結(jié)論

本文將存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)和閾值觸發(fā)技術(shù)用于高動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈的彈道環(huán)境參數(shù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了多傳感器融合的彈道環(huán)境參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)證明了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性，可靠性。

本文對(duì)彈丸發(fā)射過載進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)表明彈丸所受大過載一次在最大膛壓處，第二次在炮口后效期；本文對(duì)出炮口附近的大量程加速度計(jì)、小量程加速度計(jì)和地磁傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，表明彈丸在膛內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜，地磁傳感器和小量程加速度計(jì)失效，在出炮口地磁傳感器恢復(fù)正常，在炮口后效期后小量程加速度計(jì)恢復(fù)正常。

本文通過對(duì)地磁傳感器和加速度計(jì)出炮口、彈道中間段和彈道末段數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出轉(zhuǎn)速變化規(guī)律；本文對(duì)地磁傳感器提取包絡(luò)，揭示整個(gè)彈道過程中的章動(dòng)周期變化的規(guī)律，進(jìn)動(dòng)在出炮口和彈道末段較大，彈道中間段較小，章動(dòng)在出炮口最大，然后逐漸變小，在出炮口處表現(xiàn)出明顯的兩圓運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。