傳感器技術在火炮零位零線檢測中的應用*

段長林,毛聯山,王純亮

(中國人民解放軍73025部隊,浙江杭州 310023)

火炮的零位零線檢測通常有三種方法:靶板法、鉛垂線法和遠處參照物法.由于靶板法和鉛垂線法受地形、地質以及風力等氣象影響較多,一般多采用遠處參照物法,此方法雖然也受地質、氣象等影響,但相對方便,利于野外條件下使用.然而這三種方法都無法解決地質、氣象等因素對火炮的零位零線檢測的影響.一旦地質松軟、氣象條件惡劣,就會導致火炮的零位零線無法進行檢測,火炮不能射擊的情況發生.通過傳感器技術檢測火炮零位零線的方法而研制出的炮兵用零位零線檢測儀能夠較好地解決此類問題,它不依賴于外部物質,外部情況無論怎樣變化,火炮的零位零線檢測仍可進行,并能夠在夜間實施.

目前零位零線檢查的一般過程為:火炮須停放在堅實的基本平整的地面上,火炮打平,炮口粘貼“十”字線,車體下4角用4個千斤頂調整車體,用象限儀檢查炮尾平臺縱橫傾角,使縱橫氣泡居中火炮處于水平狀態,將瞄準具數碼盒歸零,用專用炮瞄鏡從炮尾處通過炮口“十”字線瞄準遠處參照物,再通過瞄準具瞄準此參照物,二者誤差通過讀取數碼盒數值獲得.

這種零位零線檢查須滿足以下三個條件:①地面堅實且基本平整;②1 500 m外應有合適的參照物;③能見度較好.3個條件在野外環境下有時較難滿足,如駐訓在多雨季節的南方野外,常常遇到地面松軟的條件;駐訓在遠離城區的鄉村,缺少合適的高大建筑等參照物.此外,觀測遠方瞄準點時易受霧、雨、雪、風等影響能見度,零位零線檢查夜間實施困難.

1 利用傳感器技術檢測火炮零位零線的方法

1.1 零位零線的定義

火炮的零位是指火炮身管軸線與大地水平面平行,瞄準具縱橫氣泡居中,數碼盒歸零.

火炮的零線是指火炮瞄準具的瞄準線與火炮身管軸線平行.

1.2 火炮零位零線基準

火炮零位零線檢查方法基于以下兩點:

1)火炮零位基于大地水平面.火炮自身重量對地面地質狀況提出了較高的要求,堅實平整的地面可保證在炮尾平臺調平、檢測過程中地面無變形,易于調平,不致影響零位零線檢查精度.

2)零線檢查基于火炮身管軸線.選擇遠方合適的參照物或正確的標靶是能否保證零線精度的關鍵點.遠方參照物要求距炮口不小于1 500m,不能受風向、風力影響,參照物上要有明顯的固定參照點.

1.3 用傳感器實現零位零線檢測的原理

角度傳感器能夠感知相對于水平面的傾斜角度,主要用來測定火炮身管指向與大地水平面的夾角;標靶主要用來測定瞄準具瞄準線與火炮身管平行度.此種檢測方法不需調平火炮,身管可處于任一位置,并能夠滿足火炮零位零線檢測的指標要求.火炮零位零線檢測儀示意如圖1所示.其中硬件系統是由傳感器信號采集與處理器、顯示器以及電池、殼體等構成.

圖1 火炮零位零線檢測儀示意圖Fig.1 Schematic draw ing of artillery zero-spots and zero-lines detector

圖2 標靶與火炮瞄具及身管中心線的關系Fig.2 Relationship among target poin t,gun centerline and target sigh t

其主要原理是:

1)標靶與火炮瞄具及身管中心線的關系.假設A點為間瞄鏡,B點為直瞄鏡,C點為火炮身管軸線,A1B1C1分別為ABC在標靶上對應的點,若 △ABC≌ △A1B1C1,△ABC//△A1B1C1,則AA1//BB1//CC1.如圖2所示.

據此,安裝零位零線檢測儀(參見圖 4、圖5),此時標靶固定在炮口,與身管軸線垂直,標靶上的“十”字線中心與身管軸線的相對位置和瞄準具瞄準中心線與身管軸線的相對位置等同,以身管軸線為中心軸,調整標靶方向,使標靶橫向傾角(與身管軸線垂直的方向)與炮尾平臺橫向傾角一致,瞄準具分劃和數碼盒歸零后,操縱瞄準具瞄準標靶上對應的“十”字線,此時檢查瞄準具高低數碼盒裝定值與傳感器縱傾角顯示值是否相同,方向數碼盒是否為零.瞄準具高低數碼盒裝定值與傳感器縱傾角顯示值的差即

為高低誤差,瞄具方向數碼盒顯示的值為方向誤差,直瞄鏡誤差由分劃讀取,由此可檢測零線誤差.

圖3 傳感器與火炮身管的關系Fig.3 Relationship betw een Sensor and gun barrel

2)傳感器與火炮身管的關系.當火炮處于任意角度 α時(參見圖 3),此時傳感器傾角設為 β,根據傳感器安裝位置,無論火炮身管指向何方,火炮身管軸線與傳感器零位線都是垂直的,由于火炮和傳感器都是以大地水平線為基準的,由幾何學可知:α=β.因此,傳感器顯示的角度就是火炮身管軸線與水平線的夾角.

由此可推出:若瞄準具分劃和數碼盒歸零后,操縱瞄準具瞄準標靶上對應的“十”字線,將角度傳感器安裝在標靶總成上,那么角度傳感器顯示的縱向角度(身管軸線方向)就是身管軸線與大地水平面的夾角,將從炮口傳感器獲得的縱傾角與瞄準具裝定的表尺值進行比較,差值為高低誤差,方向誤差值直接由方向數碼盒或分劃讀取,因此可檢測火炮的零位誤差.

利用此方法檢測零位零線時,①不受地質影響;②不必另外尋找參照物;③基本不受氣象如霧、雨、雪、風等的影響;④使零位零線檢查在夜間實施成為可能.

2 炮兵用零位零線檢測儀的總體設計

基于傳感器技術和火炮零位零線定義及其基準而研制的炮兵用零位零線檢測儀,它通過角度傳感器縱向傾角值與瞄具標尺裝定值的比較能夠確定火炮零位的偏差量;通過標靶、瞄具與身管軸線的對應關系能夠確定火炮零線的偏差量,為火炮精確射擊提供準確的修正量數據,能夠滿足零位零線檢測的指標要求.

2.1 零位零線檢測儀組成

本方案由定位器、標靶總成、可調亮度投射光源、傳感器、電源、用于對傳感器信號采集和處理的電路與程序、減速器、顯示器、炮尾平臺標定器等組成.采用雙電源供電模式,外部電源輸入24 V,本機鋰電池自供12 V.

其總體安裝結構示意如圖4和圖5所示.

圖4 總體安裝結構示意圖(正視圖)Fig.4 The w hole assembly diagram(Front V iew)

圖5 總體安裝結構示意圖(剖視圖)Fig.5 The w hole assemb ly diagram (Cutaw ay view)

2.1.1 角度傳感器的選用

角度傳感器主要用于火炮身管的縱橫傾角測量和炮尾平臺的橫傾角測量.考慮到自行火炮的運用環境和攜帶的方便性,因此要求其穩定性好,可抗一般性沖擊,溫度特性好.

芬蘭VTI公司生產的硅基加速度傳感器SCA 100T工作可靠,測量精度高.它和C8051F單片機能構成一個測量模塊,嵌入到控制系統中.SCA 100T主要性能指標:雙軸測量;測量范圍1.7 g;測量靈敏度1.2 V/g;+5 V單電源供電,兩個比例電壓輸出(模擬).優勢是長期穩定性好,溫度特性優良,抗沖擊能力強.

2.1.2 定位器及標靶總成設計

定位器采用雙環同軸設計,內定位環與身管內膛配合,外定位環外表面與軸線成5°內斜,一是定位,二是限位.為避免刮傷身管內膛,使用前定位器雙環涂覆鋰基潤滑脂.采用雙環的目的是便于針對不同口徑的火炮,替換雙環.

標靶、傳感器安裝平臺等部件安裝焊接在一起,構成標靶總成.標靶與定位器軸相互垂直,標靶上兩個“十”字線中心分別對應火炮間瞄鏡和直瞄鏡.標靶使用輕質材料,瞄準“十”字用熒光粉繪制,“十”字下部安裝有可調亮度投射燈,利于能見度較低或夜間使用.

2.1.3 減速器

減速器為自鎖式減速器,主要用于標靶角度調整和將標靶總成固定于炮口上.在調整標靶時要求要以低的速度、較少的時間準確調整到位并固定.使用減速器的目的就是在施加外力時速度較快,而標靶運動相對較低,以利于減少調整時間和降低重復調整率.

圖6 部分電路示意圖Fig.6 Schem atic draw ing of par t electric circuit

2.1.4 炮尾平臺標定器

炮尾平臺標定器主要由傳感器、防滑平臺、電纜、軟硬件及顯示器構成,主要用于檢測炮尾平臺的橫向傾角,為調整標靶方向提供依據.

2.2 系統電路的實現

硬件電路可分為供電電路,角度測量和數據采集與輸出等,采用寬電源供電,經電源變換后分為兩路,一路是由精密穩壓芯片REF195輸出高穩定的 5 V電壓,專為傳感器供電,以提高傳感器的輸出穩定性;另一路由LM2937輸出的3.3 V電源,為單片機系統提供工作電源.其相關部分電路框圖參見圖6.

2.3 系統軟件設計

整個系統使用C51進行程序設計,使用模塊化結構,條理清楚.其功能是讀取雙軸測量數據;完成電壓-角度的變換;輸出數據的修正;數據輸出的軟件濾波;接受串口命令,輸出測量數據.系統流程圖參見圖7.

根據器件手冊,角度傳感器SCA 100T輸出的電壓值與角度有以下關系:

式中:α為角度;Dout為傳感器電壓的數字量輸出;Sens是傳感器的靈敏度.

2.4 提高精度措施

SCA 100T非常敏感,電源波動或安裝使用期間的震動對輸出值的精度都有很大的影響;在安裝時可能與基準面存在一定的角度,這些都會造成測量值的零點偏差.經過試驗和分析,主要通過以下方法提高穩定性和可靠性:

2.4.1 供電電路設計

供電電壓不穩定可直接造成輸出的比例誤差,最大值可達到2%.如果電源過載則使傳感器供電不足而造成波動.系統增加電源輸入保護電路,防止電源輸入過載.采用高精度 REF195單獨給傳感器供電,能有效地減小電源的波動對輸出的影響.

在電路板的設計上,傳感器電源和地之間加上10 nF的濾波電容,在模擬輸出端加上10 nF的濾波電容,也可以減小紋波電壓,從而減小了輸出誤差;工作在嵌入系統中時,給這一部分電路加上鐵殼進行電磁屏蔽,減小其他工作電路或周圍環境對它的影響.

2.4.2 軟件濾波

在單片機內RAM中設定一個數組,用來存儲解算后的角度值.利用堆棧的原理將數組中新的測量值更新,對數據進行加權求和平均后輸出.這樣雖然輸出有一定的滯后,但可以減小輸出波動.

2.4.3 零點校正

傳感器在安裝時,不可避免地會有一些傾斜角度,從而造成零點誤差.傳感器在安裝固定好后,在三維轉臺上進行標定,測出它兩個方向的零點誤差值,作為一個常數值存入Flash芯片中,MCU把得到的測量值減去零點誤差再輸出,可基本消除零點誤差引起的測量誤差.

2.4.4 溫度補償

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

傳感器的輸出值同樣受到溫度的影響.SCA 100T內部帶有溫度傳感器,在大多數情況下不需要溫度補償.當傳感器工作在極限溫度時,可由MCU根據內溫進行補償,溫度的實際值由式(1)算出:

式中:為傳感器的輸出值.

3 試驗及數據處理

1)使用某一型號的自行火炮進行驗證.用靶板法檢測出一門該型號自行火炮準確的零位零線偏差,其結果為直瞄鏡方向偏差 +0.1 mil,表尺偏差 -0.2 m il,間瞄鏡表尺偏差 -0.2m il(根據前面的分析,間瞄鏡方向偏差不必檢測).之后在該門火炮上安裝炮兵用零位零線檢測儀進行驗證,調炮數據見表1.

2)測試結果.①在堅實地面上測試的結果見表2.②在松軟地面上測試結果見表3.

表1 火炮調炮諸元數據Tab.1 Ar tillery aim ing direction m il

表2 在堅實地面上的試驗結果數據Tab.2 Data of test result on the hard ground m il

從表3中數據可分別計算出傳感器縱傾角與火炮裝定諸元表尺的差值(偏差)、間瞄鏡表尺與傳感器縱傾角的差值(偏差).本次測試結果,傳感器顯示縱傾角數值與火炮裝定諸元最大偏差為 -0.3 mil,為調炮精度誤差;間瞄鏡表尺與傳感器縱傾角的差值(偏差)為一固定值 -0.2mil,和用靶板法測出的間瞄鏡表尺偏差相同;直瞄鏡方位和表尺的分劃顯示為固定值,其數值與用靶板法測出的直瞄鏡表尺偏差相同.因此,利用傳感器技術研制的炮兵用零位零線檢測儀能夠滿足火炮射擊前檢查的使用要求.

表3 在松軟地面上的試驗結果數據Tab.3 Data of test result on the soft ground m il

4 結 論

通過利用傳感器技術檢測火炮零位零線的方法研制的炮兵用零位零線檢測儀,從設計到加工都做到了最大可能的優化,同時也充分考慮了適用面和使用者的使用方便性,在選型時充分考慮了工況條件.與傳統方式相比,耗時短、準確率高.實踐證明,該炮兵用零位零線檢測儀能夠滿足火炮在射擊前進行零位零線檢查的實際要求,能為火炮實現精準打擊提供可靠的技術保障.

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