装甲车辆模拟射击中身管角度采集装置设计

刘东辉，刘 浩，孙晓云，奚乐乐，边玲玲

(1.河北科技大学电气工程学院,河北石家庄 050018； 2.石家庄铁道大学电气与电子工程学院,河北石家庄 050043)

装甲车辆模拟射击中身管角度采集装置设计

刘东辉1，刘 浩1，孙晓云2，奚乐乐1，边玲玲1

(1.河北科技大学电气工程学院,河北石家庄 050018； 2.石家庄铁道大学电气与电子工程学院,河北石家庄 050043)

设计并实现了装甲车辆实装模拟射击训练中通用型身管角度采集装置。该装置是通用型实装模拟射击训练系统的一个测量部件。详细阐述了该装置的实现原理和方法。装置在倾斜角和俯仰角的采集中采用ADXL345三轴加速度计来达到高精度的要求，在方位角采集中采用槽光耦和光栅盘为核心的计数单元进行角度测量。装置对采集到的身管各个角度数据进行了角度解算，最终通过串行接口和LCD等多种形式实现数据传输和显示。

角度测量; ADXL345三轴加速度计; 槽光耦; 数据采集

中国已经列装在装甲机械化部队的武器装备与现有的武器模拟训练器材相比，发展不平衡，使得培训驾驭现代装备人才的难度增大，消耗增多，极大地制约了部队作战能力的快速提升。针对这一问题，设计并实现了一套以STC5A60S2为控制核心，以ADXL345加速度传感器芯片[1]和槽光耦计数模块为采集单元的身管角度采集装置。作为各型车载武器装备通用的身管角度测量装置，通过显示屏和数字串行接口等多种形式[2]，构成通用型实装模拟射击训练系统的一个测量部件。

1 原理及用途

通用型实装模拟射击训练系统框图如图1所示。

图1 通用型实装模拟射击训练系统框图Fig.1 Block diagram of universal mounting simulated shooting training system

在训练开始时，将ADXL345三轴加速度计固定在与车体平行的身管位置上，在启动整个系统前，通过观察装甲车辆内部机械指示装置，将身管摇至0°俯仰角和0°方位角(相对于车体)，系统上电后，装置测得整个车体的绝对倾斜角和绝对俯仰角(绝对俯仰角和绝对倾斜角是针对地球直角坐标系而言)，将其传输给目标显示装置进而完成系统初始化。其中，装置传输给目标显示装置和成绩判定装置的数据是不同的。

2 硬件设计

整个装置分为2部分：第1部分是身管绝对俯仰角、绝对倾斜角和方位角的变化量的采集;第2部分是将采集的数据在LCD上显示并通过数字串行接口进行传输。绝对俯仰角、绝对倾斜角采集工作由ADXL345三轴加速度计完成，方位角的变化量的采集工作由槽光耦计数模块完成，显示工作由LCD1602实现。

2.1身管绝对俯仰角、绝对倾斜角的采集

ADXL345加速度传感器芯片[3]与单片机的硬件连接电路如图2所示。

图2 ADXL345与单片机连接电路图Fig.2 ADXL345 and MCU connection schematic

装置利用ADXL345数字加速度计[4]所采集的三轴重力加速度数据的反正切函数来计算相应的身管俯仰角和倾斜角[5]。通过角度的正负值来区分身管与初始位置的偏离方向。身管角度是以密位(mil)为单位，360°为6 283 mil，在中国将其取整，一般认为360°为6 300 mil，则1°为17.5 mil，1 mil约为0.057°。

2.2方位角变化量的采集

以槽光耦[6]和光栅盘为核心的计数单元分为两部分，如图3和图4所示[7]，固定有槽光耦的手握部分(以下简称手柄)和光栅盘部分。因为手柄旋转一圈所对应的身管转动角度是固定不变的，所以将方位角变化量的测量转化为手柄与光栅盘相对运动的圈数的测量。手柄起始回差值通过训练开始时的校准在软件中消除。

图3 槽光耦与光栅盘Fig.3 Grating disk with groove coupler

图4 手柄整体图形Fig.4 Handle global shapes

身管方位角变化量的采集硬件电路[8]如图5所示。

图5 槽光耦与单片机连接电路图Fig.5 Groove coupler and MCU connection schematic

图6 槽光耦计数过程时序图Fig.6 Timing diagram of groove coupler reading process

如图6所示，在槽光耦计数过程中,当右侧槽光耦先出现高电平时，说明手柄向右转动，当左侧槽光耦先出现高电平时，说明手柄向左转动。每次旋转手柄时都将判断身管转动方向，在击发后整合记录身管转动方向和角度。由于槽光耦在有无遮挡时电位变化较为缓慢，不清晰，所以采用了一款74HC14高速CMOS器件，它可将缓慢变化的输入信号转换成清晰的输出信号[9]。

2.3装置总体硬件电路

装置总体硬件电路图[10]如图7所示。

图7 装置总体硬件电路图Fig.7 Overall hardware circuit device

2.4实际角度计算

1)身管俯仰角、倾斜角的角度计算 设采集到的三轴加速度数据分别为x，y，z。系统上电后，角度采集装置将车辆初值传输给目标显示装置，其按初值改变。目标图像按初值改变的过程即为在实际坐标系中的坐标变换到地球直角坐标系的过程。如图8和图9实际坐标系(身管竖轴方向为Z轴方向，耳轴的方向为Y轴的方向，身管的方向为X轴方向),坐标需要经过2次旋转，1次绕X轴旋转，1次绕Y轴旋转。坐标绕X轴旋转α角(车体倾斜角)的基变换矩阵[11]和坐标绕Y轴旋转β角(身管俯仰角)的基变换矩阵分别为

图8 坐标系绕X轴旋转Fig.8 Coordinate system rotation around the X-axis

图9 坐标系绕Y轴旋转Fig.9 Coordinate system rotation around the Y-axis

(1)

坐标的变换运算公式为

[x*y*z*1]=[xyz1]×HR。

(2)

式(2)中x*，y*，z*分别表示坐标系变换后装置采集的三轴加速度数据。HR[12]为绕任意轴的旋转变换矩阵，它可由基变换矩阵组合而成，其求解方法为

(3)

式(3)表示实际坐标系中的坐标先绕X轴旋转α角，然后再绕Y轴旋转β角。

根据式(2)和式(3)解得：

(4)

采集后得到的绝对倾斜角φ和绝对俯仰角γ的计算公式为

(5)

φ，γ为坐标在地球直角坐标系中经综合解算后得到的绝对倾斜角和绝对俯仰角。其中当φ≥0°时，车身整体向右倾斜φ；当φ<0°时，车身整体向左倾斜-φ。当γ≥0°时，身管仰角为γ；当γ<0°时，身管俯角为-γ。式(5)为系统上电后测量装置传输给目标显示装置的初始值，此为系统初始化过程。

2)身管方位角(身管相对车体的转动角度)的变化量计算 在列装的装甲车辆中，各型装甲车辆手柄转动一周最多8 mil，因此设计光栅盘的槽数为16个。系统初始化后，手柄向右转动1个槽时，槽光耦计数加1，手柄向左转动1个槽时，槽光耦计数减1，最终得到槽光耦相对计数值r，则身管相对车体方位角变化量λ为0.5×r。

系统初始化后，可进行装甲车辆静止状态下射击训练，训练过程中测量装置向目标显示装置传输数据为

(6)

式(6)中φ，γ，λ分别为变换了坐标系后装置经过综合结算得到的身管绝对俯仰角、绝对倾斜角、方位角变化量。其中，用于成绩判定装置的数据是每个目标的φ，λ值。

3 系统软件设计

装置选用Keil Vision2作为软件的开发工具[13]。图10为身管绝对俯仰角和绝对倾斜角采集、传输及显示的流程图。图11为方位角测量时计数程序流程图。ADXL345三轴加速度计与单片机的通信采用I2C通信[14]。在实时数据读取后转化成相应角度值并在LCD上显示，以及通过串行接口进行传输[15]。

图10 身管俯仰角和倾斜角采集、传输、显示流程图Fig.10 Barrel pitch angle and tilt angle collection,transmission,display flowchart

图11 计数程序流程图Fig.11 Flowchart of counting program

流程图中Flag表示正反转判断标志位，初值Flag=1，Num表示槽光耦计数值，在计数程序中根据捕获0或捕获1的捕获顺序判断手柄正转还是反转。规定先触发捕获0再触发捕获1为手柄正转方向，Num值加1，反之Num值减1，单独触发捕获0或捕获1，Num值不变。

4 装置性能测试及结果分析

4.1装置性能测试

装置的设计是为了测量身管从规定的起始位置(一般为装甲车辆内部机械指示装置0°处)移动到指向目标的位置时身管各个角度的变化，而不需要测量出目标的具体方位角度。因此设计实验方法是由教练人员多次操作身管指向同一目标，采集身管综合解算后的俯仰角和方位角变化量，观察数据浮动范围，进而判断装置精确度。各方向角的允许误差范围为±2 mil(误差的规定根据具体目标而定)。测量的角度值精度保留到小数点后一位。如果在对同一目标多次射击的结果分布在装置允许的误差范围内，说明装置性能能够达到设计要求。部分实验数据如表1所示。

表1 测量误差范围表格Tab.1 Measurement error range form

图12 射击训练结果分布图Fig.12 Distribution of shooting training results

图12是装甲车辆射击训练中对不同的6个目标(绝对角度值已知)进行多次射击中采集装置采集数据的分布图。

4.2结果分析

1)通过ADXL345加速度计进行的身管俯仰角测量，其值是通过2个轴向之间的反正切值得到，在反正切函数取值范围内存在一定误差。

2)方位角的测量是通过计数模块完成的，光栅盘的设计不能完全精确地记录手柄旋转的密位个数，加上手柄存在回差，虽然通过软件消除但回差值存在一定的浮动范围。

3)由于目标靶位不是单一的一点，是一定范围的真实物体，而实际的角度值是按照目标靶位所在点计算得出。

5 结 语

装甲车辆模拟射击训练中身管角度采集装置的设计采用STC12C5A60S2型号单片机为控制单元，通过ADXL345加速度计和以槽光耦和光栅盘为核心的手柄为采集单元。该装置实现了对模拟射击训练身管角度的采集，通过坐标系旋转变换相关公式进行综合解算，测量出装甲车辆每次击发后身管角度，并将解算结果显示在LCD上以及通过数字串行接口将解算数据传输给外围部件，最终实现模拟射击训练。通过实验测试，各项精度参数满足要求。其主要特点如下：

1)装置的设计实现了装甲车辆模拟训练过程中的通用化，安装简便，有效地节约了训练器材的消耗。

2)装置的设计没有改变训练过程中实际操作对象，使得完成模拟训练和实际操作完全一样，提高了训练效率。

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Design of barrel angle acquisition device in the simulated shooting of armored vehicles

LIU Donghui1, LIU Hao1, SUN Xiaoyun2, XI Lele1, BIAN Lingling1

(1. School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China)

The universal measurement device for barrel angle acquisition in the simulated fire training of armored vehicles is designed and implemented. The device eventually becomes a measurement element in universal mounting simulated shooting training system. This paper presents the principles and methods of this device in details. The ADXL345 three-axis accelerometer is adopted in the tilt and pitch angles' acquisition of this device to achieve high accuracy requirements. In the measurements of azimuth angle, the groove coupler and grating disk are used as the core counting elements for the angle's measurement. The solving process is conducted in the device for the collected data of each angle of the barrel, and the data transfer and display are achieved though serial interface or LCD.

angle measurement; ADXL345 three-axis accelerometer; groove coupler; data collection

2014-03-09；

2014-03-28；责任编辑：陈书欣

河北省科技厅计划项目(13205002D)

刘东辉(1971-)，男，山西晋城人，教授，博士，主要从事电器信息检测与信息处理技术方面的研究。

E-mail：liudh@hebust.edu.cn

1008-1542(2014)04-0376-08

10.7535/hbkd.2014yx04012

TP274

A

刘东辉，刘 浩，孙晓云，等.装甲车辆模拟射击中身管角度采集装置设计[J].河北科技大学学报,2014,35(4):376-383.

LIU Donghui, LIU Hao, SUN Xiaoyun, et al.Design of barrel angle acquisition device in the simulated shooting of armored vehicles [J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(4):376-383.