传感器技术在火炮零位零线检测中的应用*

段长林,毛联山,王纯亮

(中国人民解放军73025部队,浙江杭州 310023)

火炮的零位零线检测通常有三种方法:靶板法、铅垂线法和远处参照物法.由于靶板法和铅垂线法受地形、地质以及风力等气象影响较多,一般多采用远处参照物法,此方法虽然也受地质、气象等影响,但相对方便,利于野外条件下使用.然而这三种方法都无法解决地质、气象等因素对火炮的零位零线检测的影响.一旦地质松软、气象条件恶劣,就会导致火炮的零位零线无法进行检测,火炮不能射击的情况发生.通过传感器技术检测火炮零位零线的方法而研制出的炮兵用零位零线检测仪能够较好地解决此类问题,它不依赖于外部物质,外部情况无论怎样变化,火炮的零位零线检测仍可进行,并能够在夜间实施.

目前零位零线检查的一般过程为:火炮须停放在坚实的基本平整的地面上,火炮打平,炮口粘贴“十”字线,车体下4角用4个千斤顶调整车体,用象限仪检查炮尾平台纵横倾角,使纵横气泡居中火炮处于水平状态,将瞄准具数码盒归零,用专用炮瞄镜从炮尾处通过炮口“十”字线瞄准远处参照物,再通过瞄准具瞄准此参照物,二者误差通过读取数码盒数值获得.

这种零位零线检查须满足以下三个条件:①地面坚实且基本平整;②1 500 m外应有合适的参照物;③能见度较好.3个条件在野外环境下有时较难满足,如驻训在多雨季节的南方野外,常常遇到地面松软的条件;驻训在远离城区的乡村,缺少合适的高大建筑等参照物.此外,观测远方瞄准点时易受雾、雨、雪、风等影响能见度,零位零线检查夜间实施困难.

1 利用传感器技术检测火炮零位零线的方法

1.1 零位零线的定义

火炮的零位是指火炮身管轴线与大地水平面平行,瞄准具纵横气泡居中,数码盒归零.

火炮的零线是指火炮瞄准具的瞄准线与火炮身管轴线平行.

1.2 火炮零位零线基准

火炮零位零线检查方法基于以下两点:

1)火炮零位基于大地水平面.火炮自身重量对地面地质状况提出了较高的要求,坚实平整的地面可保证在炮尾平台调平、检测过程中地面无变形,易于调平,不致影响零位零线检查精度.

2)零线检查基于火炮身管轴线.选择远方合适的参照物或正确的标靶是能否保证零线精度的关键点.远方参照物要求距炮口不小于1 500m,不能受风向、风力影响,参照物上要有明显的固定参照点.

1.3 用传感器实现零位零线检测的原理

角度传感器能够感知相对于水平面的倾斜角度,主要用来测定火炮身管指向与大地水平面的夹角;标靶主要用来测定瞄准具瞄准线与火炮身管平行度.此种检测方法不需调平火炮,身管可处于任一位置,并能够满足火炮零位零线检测的指标要求.火炮零位零线检测仪示意如图1所示.其中硬件系统是由传感器信号采集与处理器、显示器以及电池、壳体等构成.

图1 火炮零位零线检测仪示意图Fig.1 Schematic draw ing of artillery zero-spots and zero-lines detector

图2 标靶与火炮瞄具及身管中心线的关系Fig.2 Relationship among target poin t,gun centerline and target sigh t

其主要原理是:

1)标靶与火炮瞄具及身管中心线的关系.假设A点为间瞄镜,B点为直瞄镜,C点为火炮身管轴线,A1B1C1分别为ABC在标靶上对应的点,若 △ABC≌ △A1B1C1,△ABC//△A1B1C1,则AA1//BB1//CC1.如图2所示.

据此,安装零位零线检测仪(参见图 4、图5),此时标靶固定在炮口,与身管轴线垂直,标靶上的“十”字线中心与身管轴线的相对位置和瞄准具瞄准中心线与身管轴线的相对位置等同,以身管轴线为中心轴,调整标靶方向,使标靶横向倾角(与身管轴线垂直的方向)与炮尾平台横向倾角一致,瞄准具分划和数码盒归零后,操纵瞄准具瞄准标靶上对应的“十”字线,此时检查瞄准具高低数码盒装定值与传感器纵倾角显示值是否相同,方向数码盒是否为零.瞄准具高低数码盒装定值与传感器纵倾角显示值的差即

为高低误差,瞄具方向数码盒显示的值为方向误差,直瞄镜误差由分划读取,由此可检测零线误差.

图3 传感器与火炮身管的关系Fig.3 Relationship betw een Sensor and gun barrel

2)传感器与火炮身管的关系.当火炮处于任意角度 α时(参见图 3),此时传感器倾角设为 β,根据传感器安装位置,无论火炮身管指向何方,火炮身管轴线与传感器零位线都是垂直的,由于火炮和传感器都是以大地水平线为基准的,由几何学可知:α=β.因此,传感器显示的角度就是火炮身管轴线与水平线的夹角.

由此可推出:若瞄准具分划和数码盒归零后,操纵瞄准具瞄准标靶上对应的“十”字线,将角度传感器安装在标靶总成上,那么角度传感器显示的纵向角度(身管轴线方向)就是身管轴线与大地水平面的夹角,将从炮口传感器获得的纵倾角与瞄准具装定的表尺值进行比较,差值为高低误差,方向误差值直接由方向数码盒或分划读取,因此可检测火炮的零位误差.

利用此方法检测零位零线时,①不受地质影响;②不必另外寻找参照物;③基本不受气象如雾、雨、雪、风等的影响;④使零位零线检查在夜间实施成为可能.

2 炮兵用零位零线检测仪的总体设计

基于传感器技术和火炮零位零线定义及其基准而研制的炮兵用零位零线检测仪,它通过角度传感器纵向倾角值与瞄具标尺装定值的比较能够确定火炮零位的偏差量;通过标靶、瞄具与身管轴线的对应关系能够确定火炮零线的偏差量,为火炮精确射击提供准确的修正量数据,能够满足零位零线检测的指标要求.

2.1 零位零线检测仪组成

本方案由定位器、标靶总成、可调亮度投射光源、传感器、电源、用于对传感器信号采集和处理的电路与程序、减速器、显示器、炮尾平台标定器等组成.采用双电源供电模式,外部电源输入24 V,本机锂电池自供12 V.

其总体安装结构示意如图4和图5所示.

图4 总体安装结构示意图(正视图)Fig.4 The w hole assembly diagram(Front V iew)

图5 总体安装结构示意图(剖视图)Fig.5 The w hole assemb ly diagram (Cutaw ay view)

2.1.1 角度传感器的选用

角度传感器主要用于火炮身管的纵横倾角测量和炮尾平台的横倾角测量.考虑到自行火炮的运用环境和携带的方便性,因此要求其稳定性好,可抗一般性冲击,温度特性好.

芬兰VTI公司生产的硅基加速度传感器SCA 100T工作可靠,测量精度高.它和C8051F单片机能构成一个测量模块,嵌入到控制系统中.SCA 100T主要性能指标:双轴测量;测量范围1.7 g;测量灵敏度1.2 V/g;+5 V单电源供电,两个比例电压输出(模拟).优势是长期稳定性好,温度特性优良,抗冲击能力强.

2.1.2 定位器及标靶总成设计

定位器采用双环同轴设计,内定位环与身管内膛配合,外定位环外表面与轴线成5°内斜,一是定位,二是限位.为避免刮伤身管内膛,使用前定位器双环涂覆锂基润滑脂.采用双环的目的是便于针对不同口径的火炮,替换双环.

标靶、传感器安装平台等部件安装焊接在一起,构成标靶总成.标靶与定位器轴相互垂直,标靶上两个“十”字线中心分别对应火炮间瞄镜和直瞄镜.标靶使用轻质材料,瞄准“十”字用荧光粉绘制,“十”字下部安装有可调亮度投射灯,利于能见度较低或夜间使用.

2.1.3 减速器

减速器为自锁式减速器,主要用于标靶角度调整和将标靶总成固定于炮口上.在调整标靶时要求要以低的速度、较少的时间准确调整到位并固定.使用减速器的目的就是在施加外力时速度较快,而标靶运动相对较低,以利于减少调整时间和降低重复调整率.

图6 部分电路示意图Fig.6 Schem atic draw ing of par t electric circuit

2.1.4 炮尾平台标定器

炮尾平台标定器主要由传感器、防滑平台、电缆、软硬件及显示器构成,主要用于检测炮尾平台的横向倾角,为调整标靶方向提供依据.

2.2 系统电路的实现

硬件电路可分为供电电路,角度测量和数据采集与输出等,采用宽电源供电,经电源变换后分为两路,一路是由精密稳压芯片REF195输出高稳定的 5 V电压,专为传感器供电,以提高传感器的输出稳定性;另一路由LM2937输出的3.3 V电源,为单片机系统提供工作电源.其相关部分电路框图参见图6.

2.3 系统软件设计

整个系统使用C51进行程序设计,使用模块化结构,条理清楚.其功能是读取双轴测量数据;完成电压-角度的变换;输出数据的修正;数据输出的软件滤波;接受串口命令,输出测量数据.系统流程图参见图7.

根据器件手册,角度传感器SCA 100T输出的电压值与角度有以下关系:

式中:α为角度;Dout为传感器电压的数字量输出;Sens是传感器的灵敏度.

2.4 提高精度措施

SCA 100T非常敏感,电源波动或安装使用期间的震动对输出值的精度都有很大的影响;在安装时可能与基准面存在一定的角度,这些都会造成测量值的零点偏差.经过试验和分析,主要通过以下方法提高稳定性和可靠性:

2.4.1 供电电路设计

供电电压不稳定可直接造成输出的比例误差,最大值可达到2%.如果电源过载则使传感器供电不足而造成波动.系统增加电源输入保护电路,防止电源输入过载.采用高精度 REF195单独给传感器供电,能有效地减小电源的波动对输出的影响.

在电路板的设计上,传感器电源和地之间加上10 nF的滤波电容,在模拟输出端加上10 nF的滤波电容,也可以减小纹波电压,从而减小了输出误差;工作在嵌入系统中时,给这一部分电路加上铁壳进行电磁屏蔽,减小其他工作电路或周围环境对它的影响.

2.4.2 软件滤波

在单片机内RAM中设定一个数组,用来存储解算后的角度值.利用堆栈的原理将数组中新的测量值更新,对数据进行加权求和平均后输出.这样虽然输出有一定的滞后,但可以减小输出波动.

2.4.3 零点校正

传感器在安装时,不可避免地会有一些倾斜角度,从而造成零点误差.传感器在安装固定好后,在三维转台上进行标定,测出它两个方向的零点误差值,作为一个常数值存入Flash芯片中,MCU把得到的测量值减去零点误差再输出,可基本消除零点误差引起的测量误差.

2.4.4 温度补偿

图7 程序流程图Fig.7 Program flow chart

传感器的输出值同样受到温度的影响.SCA 100T内部带有温度传感器,在大多数情况下不需要温度补偿.当传感器工作在极限温度时,可由MCU根据内温进行补偿,温度的实际值由式(1)算出:

式中:为传感器的输出值.

3 试验及数据处理

1)使用某一型号的自行火炮进行验证.用靶板法检测出一门该型号自行火炮准确的零位零线偏差,其结果为直瞄镜方向偏差 +0.1 mil,表尺偏差 -0.2 m il,间瞄镜表尺偏差 -0.2m il(根据前面的分析,间瞄镜方向偏差不必检测).之后在该门火炮上安装炮兵用零位零线检测仪进行验证,调炮数据见表1.

2)测试结果.①在坚实地面上测试的结果见表2.②在松软地面上测试结果见表3.

表1 火炮调炮诸元数据Tab.1 Ar tillery aim ing direction m il

表2 在坚实地面上的试验结果数据Tab.2 Data of test result on the hard ground m il

从表3中数据可分别计算出传感器纵倾角与火炮装定诸元表尺的差值(偏差)、间瞄镜表尺与传感器纵倾角的差值(偏差).本次测试结果,传感器显示纵倾角数值与火炮装定诸元最大偏差为 -0.3 mil,为调炮精度误差;间瞄镜表尺与传感器纵倾角的差值(偏差)为一固定值 -0.2mil,和用靶板法测出的间瞄镜表尺偏差相同;直瞄镜方位和表尺的分划显示为固定值,其数值与用靶板法测出的直瞄镜表尺偏差相同.因此,利用传感器技术研制的炮兵用零位零线检测仪能够满足火炮射击前检查的使用要求.

表3 在松软地面上的试验结果数据Tab.3 Data of test result on the soft ground m il

4 结 论

通过利用传感器技术检测火炮零位零线的方法研制的炮兵用零位零线检测仪,从设计到加工都做到了最大可能的优化,同时也充分考虑了适用面和使用者的使用方便性,在选型时充分考虑了工况条件.与传统方式相比,耗时短、准确率高.实践证明,该炮兵用零位零线检测仪能够满足火炮在射击前进行零位零线检查的实际要求,能为火炮实现精准打击提供可靠的技术保障.

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