基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器

张小瑜, 梁军利, 蔡 鹏, 陈银凤, 贺云飞

基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器

张小瑜1, 梁军利2, 蔡 鹏1, 陈银凤1, 贺云飞1

(1. 中船重工西安东仪科工集团有限公司, 陕西 西安, 710065; 2. 中国空间技术研究院西安分院, 陕西 西安, 710100)

定向起爆技术在自主攻击型水下航行器上的应用, 需要水下目标触发探测器能够提供目标方位信息; 同时, 为了应对不同性质的水下目标, 需要水下目标触发探测器能够随时更改触发阈值。现有的以机械式惯性开关作为敏感部件的水下目标触发探测器无法感知目标方位、无法更改触发阈值。基于此, 文中采用微机电系统(MEMS)加速度计作为惯性敏感部件, 并与嵌入式微处理器技术结合, 设计了一种基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器。分析了输入信号的特性, 规划了输出信号形式, 介绍了水下目标触发探测器的总体技术方案及软、硬件实现途径, 并对原理样机进行了几种典型工况下的功能试验。试验结果表明, 基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器技术方案有效、可行, 能够实现感知和输出目标方位信息、在线更改触发阈值的功能。

水下航行器; 水下目标触发探测器; 微机电系统加速度计; 定向起爆

0 引言

水下目标触发探测器是自主攻击型水下航行器感触目标的重要方式。目前, 国内的水下目标触发探测器多采用机械式的惯性开关作为惯性敏感部件, 依靠惯性开关在水下航行器与目标相撞时产生的加速度作用下的瞬间闭合, 导通放电回路, 输出放电脉冲, 毁伤装置在收到放电脉冲后完成对目标的攻击。

为了在有限的空间和质量条件下提高水下航行器对目标的毁伤效果, 人们开展了水下定向起爆技术的研究。定向起爆作为起爆技术领域的前沿技术[1], 近年来得到了较快发展, 其在水下具有广泛的应用前景[2-6]。采用定向起爆方式可使能量在汇聚方向上得到增强[7], 能量密度提高几十倍[8], 显著提高对目标的毁伤效能。而实现定向起爆的必要条件之一就是水下目标触发探测器能够提供目标的方位信息。

此外, 随着水下目标的进一步多样化、复杂化, 攻击型自主水下航行器在应对不同大小、不同材质目标时, 需要水下目标触发探测器能够随时根据指令改变触发阈值, 即水下目标触发探测器应具备触发阈值的在线更改功能。

惯性开关作为水下目标触发探测器的惯性敏感部件, 虽然具有结构紧凑, 技术成熟, 可以敏感全方向上的加速度等优点, 但随着人们对水下目标触发探测器功能要求的增多, 其逐渐暴露出触发阈值固定不可更改、无法感知目标方位等不足, 制约了水下航行器应对不同目标的能力及定向起爆技术在水下的发展和应用。

近年来, 微机电系统(micro electro mechanical system, MEMS)技术的迅速发展, 为水下目标触发探测器小型化和智能化提供了技术支撑。美国海军水面武器中心多年前就已经成功研制并演示了水下MEMS目标触发探测器, 这是最早的集成化微机电水下目标触发探测器[9]。文献[10]和[11]对微机电技术在目标探测领域中的应用现状及发展趋势进行了系统性的分析研究, 结果表明: 国外已经掌握了目标探测领域MEMS器件级、组件级、系统集成的设计和生产技术, 并有相关研究成果公布, 但具体技术细节尚不明确; 与国外比较, 国内MEMS技术在目标探测领域中的应用还有很大的差距, 目前主要处于MEMS器件级研究, 对MEMS组件级研究还处于探索发展中。文献[12]讲述了MEMS加速度传感器在空间目标探测中的应用, 介绍了MEMS加速度传感器的主要类型、作用原理和发展方向, 但未说明具体的应用方案。

在国内水下无人系统领域, MEMS技术的应用还主要限于惯性导航方面, 涉及MEMS技术在水下目标探测方面的研究文献并不多见。

基于此, 为了解决现有以机械式惯性开关作为敏感部件的水下目标触发探测器存在的不足, 文中提出了一种以MEMS加速度计为惯性敏感部件、以嵌入式微处理器为核心的组件级水下目标触发探测器, 该水下目标触发探测器智能化程度高, 能够感知与目标相撞时在、、3个轴向的加速度, 具有可设定和更改触发阈值、感知和输出目标方位信息等功能, 能够满足水下航行器定向起爆及应对不同目标的要求。

1 系统功能梳理

根据定向起爆及应对不同目标的功能需求, 以及水下航行器和外部环境所提供的信息, 将水下目标触发探测器系统功能梳理如下：

1) 水下目标触发探测器应能够对接收到的启动信号、海水压力和安全距离动作电压等环境信号及攻击指令进行隔离、匹配和识别;

2) 水下目标触发探测器应能够对与目标相撞时的加速度进行感知和采集, 并通过信息融合判定及数据计算, 在保险解除、加速度达到设定阈值时, 适时输出目标有效信号及目标方位信息, 由毁伤装置实施定向起爆, 达到对目标的最优毁伤效果;

3) 水下目标触发探测器还应具备与水下航行器的通信功能, 能够接收触发阈值更改指令并上传自身工作状态信息。

2 输入分析及输出规划

2.1 输入分析

水下目标触发探测器的输入信息包括电源、环境信息及水下航行器发出的其他指令。

水下目标触发探测器的电源由水下航行器提供, 一般为直流电源。

环境信息及其他指令包括启动信号、海水压力开关动作信号、安全距离动作信号、攻击指令以及与目标相撞的加速度等, 除了与目标相撞的加速度以外, 其他信号为开关量或矩形正脉冲电信号。

与目标相撞的加速度是指水下航行器与目标相撞时, 水下目标触发探测器部位的加速度, 它是水下目标触发探测器需要处理的主要信号源。根据与目标相撞加速度的大小是否达到规定阈值, 可以判断水下航行器是有效击中目标, 还是航行中受到干扰或对抗; 同时, 根据与目标相撞加速度的方向, 可知目标对水下航行器施加的冲击力的方向, 结合水下航行器外部形状及水下目标触发探测器的安装位置, 即可判断目标相对水下航行器的具体方位。对于有较大长径比、水下目标触发探测器的安装位置靠近头部的圆柱形水下航行器, 与目标相撞的加速度在水下航行器轴线方向的分量与总加速度的比值为命中角(水下航行器轴线与撞击面的夹角)的正弦, 通过计算该比值的反正弦, 可得命中角, 由命中角大小可判断正碰(垂直命中)或是斜碰; 当斜碰时, 与目标相撞的加速度在垂直水下航行器轴线的横截面上投影的反方向即为目标的周向方位, 通过计算与目标相撞的加速度在该横截面上2个垂直方向分量比值的反三角函数, 可得目标在周向的方位角。

在不同的相对速度和碰撞角度下, 水下航行器与目标撞击时水下目标触发探测器部位的加速度响应是不同的。正碰时, 轴向加速度最大; 斜碰时, 轴向加速度减小, 径向加速度增大; 碰撞速度越高, 加速度响应峰值也越大, 但其随时间变化的规律基本一致。在1.76 m/s、2.37 m/s、3.20 m/s及3.59 m/s等不同速度下相撞, 正碰时水下目标触发探测器部位加速度响应峰值最大约80, 持续时间约10 ms[13]。

2.2 输出规划

首先, 水下目标触发探测器应能适时输出目标有效信号, 目标有效信号可采用1路5 V抗干扰能力强、适配性好的晶体管-晶体管逻辑电平(transistor-transistor logic, TTL)信号。其次, 根据对水下定向起爆方式与威力场关系的研究, 发现采用8分圆相邻三线起爆与后端面起爆相结合的毁伤方式是一种切实可行、能够获得较大的定向能量增益区域且相对较优的定向起爆方案[14-15]。

为此, 水下目标触发探测器应能判定目标的方位是在水下航行器轴向前方或是在其圆周1/8方位中的具体某一个, 并将该方位信息传输给毁伤装置。设计时采用4路5 V TTL数字信号0、1、2、3承载目标方位信息。其中:0=1时, 表示目标在水下航行器轴向前方;0=0时, 表示目标在水下航行器圆周方向;1、2、3表示目标在圆周方向的具体方位, 定义见表1, 方位示意见图1。采用4位数字信号可有效且全面地表示目标相对水下航行器的方位, 具有抗干扰能力强、适配性好的特点。在水下航行器命中目标、水下目标触发探测器输出1路目标有效信号的同时, 还输出4位表示目标方位信息的数字信号。

表1 目标周向方位代码表

图1 目标周向方位示意图

2.3 通信接口规划

为了在水下航行器的实航过程中接收与目标相撞加速度的阈值更改指令及数据信息, 同时将水下目标触发探测器的工作状态及输出的目标有效信号和目标方位信息实时上传给水下航行器的信息管理及内测装置, 水下目标触发探测器采用了在船舶领域已经广泛应用的控制器局域网络(controller area network, CAN)通信接口。CAN通信接口具有实时性强、成本低、抗电磁干扰能力强、传输距离远等优点, 能够满足水下目标触发探测器与水下航行器之间的通信需求。

3 系统设计

根据水下目标触发探测器的功能以及对其输入、输出信息类型、幅值、脉宽等参数的分析, 结合现有成熟的传感器、微处理器和电子技术, 可由MEMS加速度计、嵌入式微处理器系统、输入信号隔离匹配模块、输出驱动模块、电源模块、CAN通信驱动模块以及串行外设接口(serial peripheral interface, SPI)通信模块等组成完整系统。系统原理框图如图2所示。其中RXD(receive external data)为接收外部数据, TXD(transmit external data)为向外部发送数据。

图2 系统原理方框图

1) MEMS加速度计上电后持续感知水下目标触发探测器部位在、、3个轴向上的加速度, 并通过SPI数字接口将数据传输给嵌入式微处理器。

2) 嵌入式微处理器为水下目标触发探测器的核心控制芯片, 对隔离、匹配后的启动信号、海水压力开关动作信号、安全距离动作信号和攻击指令等进行融合判断, 待判定保险解除后, 对收到的、、等3路加速度值进行实时解算, 得到总加速度值和目标方位信息, 当总加速度值达到设定阈值时, 输出1路目标有效信号和4路目标方位信息, 均为3.3 V数字信号。

3) 信号隔离匹配模块将启动信号、海水压力开关动作信号、安全距离动作信号和攻击指令等开关量进行隔离和匹配, 转换为嵌入式微处理器可以读取的+3.3 V数字量。

4) 输出驱动模块将嵌入式微处理器输出的3.3 V数字信号转换为具有一定带载能力的+5 V数字信号, 便于后级毁伤装置进行信号处理。

5) CAN通信模块包括CAN通信总线驱动和CAN信号隔离两部分, 用于将嵌入式微控制器内部集成的CAN控制器输出的TTL电平进行隔离, 实现二进制码流与通信差分信号之间的转换。

6) 二次电源模块将水下航行器提供的直流电源转换为稳定输出的+5 V直流电源供CAN通信模块、输出驱动模块使用; 输出的+3.3 V直流电源供MEMS加速度计、嵌入式微处理器和信号隔离匹配模块使用。

水下目标触发探测器工作时, 微处理器对启动信号、海水压力开关动作信号、安全距离动作信号和攻击指令进行综合判断。保险解除后, MEMS加速度计感知3个轴向的加速度分量, 微处理器通过SPI串行通信接口对其进行数据采集, 经解算得到总加速度值, 当总加速度值达到设定阈值时, 再对目标方位信息进行解算, 并同时输出目标有效信号和目标方位信息。同时, 以CAN2.0B扩展帧格式将数据按协议要求发送至水下航行器的信息管理及内测装置。系统直流-直流(DC-DC)电源设计采用隔离、滤波措施, 防止外部和内部的各种干扰。整个设计以微处理器、MEMS加速度计为核心, 配合外围电路完成各项功能的实现。

4 硬件设计

4.1 MEMS加速度计的选取

由于水下目标触发探测器所处的特殊环境, 对 MEMS 加速度计提出了苛刻要求: 抗高过载、体积小、质量轻、功耗低。同时, 根据对系统的输入分析, MEMS加速度计需要敏感的加速度为3个轴向、最大峰值约80、持续时间约10 ms。

考虑设计冗余及器件的降额使用, 应选用量程大于160、分辨率2以内、数据输出间隔小于1 ms的三轴加速度计。为此, 拟采用AD公司的ADXL375EP型3轴数字MEMS加速度计, 该型加速度计在、、3个轴向的测量范围均为±200, 数据输出速率可达3.2 kHz(即数据输出间隔0.31 ms), 分辨率0.05, 抗冲击能力达10 000, 各项参数均优于系统设计需求。另外, 该型MEMS加速度计还具有功耗小、体积小、温度范围宽等特点, 能够满足该探测器的使用要求。该型MEMS加速度计采用4线SPI串行通信时的应用接线图见图3。

图3 ADXL375EP型MEMS加速度计应用接线图

4.2 嵌入式微处理器的选取

嵌入式微处理器为系统的核心数据处理芯片, 要求稳定性高、速度快、计算能力强、具备集成SPI接口、CAN控制器、联合测试工作组 (joint test action group, JTAG)调试接口。设计时选用意法半导体公司基于ARM@Cortex-M3内核的STM32F1系列32位芯片STM32F103CBT6为主控制芯片。该微处理器工作电压为3.3 V, 高达72 MHz的CPU时钟频率, 128 KB Flash存储器, 24位减法计数器, 3个16位通用定时器和一个CAN接口, 一个JTAG调试接口, 在设计开发时可通过仿真器的JTAG接口将软件程序下载到内部Flash存储器中, 能够满足该探测器的使用要求。

4.3 信号隔离匹配模块电路设计

信号隔离匹配模块用于将4路开关量进行隔离和匹配, 转换为+3.3 V数字量。可采用光耦TLP521-4, 并辅以电阻器和+3.3 V电源等实现功能。光耦TLP521-4的内部由4个独立的光耦单元组成, 集射极电压可达55 V, 隔离电压2 500 Vrms以上, 能够满足系统需求。+3.3 V电源由系统的二次电源模块提供。信号隔离匹配模块单个单元的电路原理如图4所示。

图4 信号隔离匹配电路单元原理图

4.4 输出驱动模块电路设计

输出驱动模块将来自嵌入式微处理器输出的5路3.3 V数字信号转换为具有一定带载能力的+5 V数字信号。可采用比较器LM139、非门CD4049, 并辅以电阻器和+5 V电源等实现功能。+5 V电源由系统的二次电源模块提供。输出驱动模块单个单元的电路原理如图5所示, 图中A点的电压值设定为2 V。

图5 输出驱动电路单元原理图

4.5 CAN通信模块电路设计

CAN通信模块包括CAN通信总线驱动和CAN信号隔离两部分。CAN总线电平为显性或隐性电平, 需要转换才能与TTL电平进行连接, CAN总线驱动器用于实现电平转换功能, 驱动器的CANH和CANL输出采用120 Ω反射电阻与负载连接, 总线驱动器选用TJA1050T。文中设计的微处理器选用STM32F103CBT6, 由于其内部集成有CAN控制器, 可对通信的波特率、通信方式等进行设置, 兼容CAN2.0A和CAN2.0B 2种方式, 采用CAN2.0B数据帧格式进行传输。CAN驱动器的RXD信号经光耦隔离后接在嵌入式微控制器CAN通信口的CAN_RXD端, 嵌入式微控制器CAN通信口的CAN_TXD端经光耦隔离后接在CAN驱动器的TXD端, CAN通信的波特率、通信方式等通过软件进行设置。由于CAN通信的波特率为1Baud, 所以光电隔离器采用高速光耦, 传输速率大于1Mbit/s , 文中设计光电隔离器采用高速光耦HCPL-0661。CAN 通信模块的供电电源+5 V, 该电源由输入直流电源稳压得到。CAN通信模块原理图如图6所示。

图6 信号隔离驱动模块电路图

4.6 二次电源模块设计

二次电源模块将输入的直流电源转换为直流+5 V及+3.3 V。首先, 采用NS公司生产的降压开关型集成稳压电路LM2576, 将直流电源输入转换为5 V输出。LM2576的最高输入电压40 V, 最大输出电流3 A, 具有兼容TTL电平、功耗小、外围器件少、线性度好及负载调节特性等特点。输出+5 V直流电压供CAN通信模块、输出驱动模块使用, 并用于变换产生直流+3.3 V。二次电源模块中+5 V电路原理图如图7所示。

其次, 为了避免外界噪声对MEMS加速度计输出信号及微处理器产生干扰, 采用Mornsun公司的B0505S-1W电源模块将+5 V进行隔离, 隔离后的+5 V再通过 ASM1117 3.3 V固定电压稳压器输出稳定的直流+3.3 V, 用于给MEMS加速度计、嵌入式微处理器和信号隔离匹配模块供电。二次电源模块中+3.3 V电路原理图如图8所示。

图7 +5 V电路图

图8 +3.3 V电路图

5 软件设计

水下目标触发探测器上电后, 软件首先进行系统初始化, 初始化过程包含微处理器I/O端口初始化、SPI端口初始化、CAN总线初始化、保险解除模块初始化、数据处理模块初始化、系统自检模块初始化和定时器(0、1)初始化共7个部分。初始化完成后, 启动0定时器开始进行CAN通信, 接收阈值修订信息, 并发送环境信息及指令、阈值、解保、点火、目标方位等信息; 同时, 保险解除模块从I/O端口读取启动信号、海水压力开关动作信号、安全距离动作信号、攻击指令等环境信息及指令, 并进行综合判断。待判定保险解除后, 启动1定时器通过SPI串行通信端口采集MEMS加速度计的、、3路加速度原始数据。数据处理模块对采集的、、3个轴向的加速度进行矢量计算, 得到总加速度值, 并与设定阈值进行比较。当总加速度值达到设定阈值时, 再根据总加速度值与、、3个轴向的加速度值解算出目标方位信息, 按表1规定输出目标有效信号及目标方位信息。

该水下目标触发探测器软件设计流程图如图9所示。

图9 软件流程图

6 试验验证

为了验证基于 MEMS 加速度计的水下目标触发探测器的可行性, 将搭建的原理样机固定在冲击台上进行冲击试验。用冲击测量仪监测施加给MEMS 加速度计的冲击峰值和脉宽; 用数字示波器监测系统输出的1路目标有效信号和4 路目标方位信息; 用带CAN-USB转换接头的计算机与系统进行CAN 通信, 更改触发阈值并接收目标有效信号和4路目标方位信息。系统在软件下载时将初始触发阈值设为20。

1) 模拟水下航行器垂直命中目标

试验条件: 调整设置冲击台, 使MEMS 加速度计的向冲击加速度分别为-18-22,向、向加速度均为0。发出环境信息及指令使系统解除保险, 启动冲击台, 观察冲击测量仪实测的冲击加速度值, 同时观察示波器和计算机, 记录波形和数据。

2) 模拟水下航行器侧向命中目标

试验条件: 调整设置冲击台, 使MEMS 加速度计的向冲击加速度分别为-18、-22,向、向加速度均为0。发出环境信息及指令使系统解除保险, 启动冲击台, 观察冲击测量仪实测的冲击加速度值, 同时观察示波器和计算机, 记录波形和数据。

3) 模拟水下航行器发控装置更改触发阈值

试验条件: 通过计算机CAN将触发阈值改为10, 调整设置冲击台, 使MEMS 加速度计的向冲击加速度分别为–8、–12,、向加速度均为0。发出环境信息及指令使系统解除保险, 启动冲击台, 观察冲击测量仪实测的冲击加速度值, 同时观察示波器和计算机, 记录波形和数据。

试验结果: 当系统垂直命中目标且施加的加速度峰值达到设定阈值时, 系统输出目标有效信号和0=1(即目标在正前方), 加速度峰值未达到设定阈值时, 系统无输出; 当系统侧向命中目标且施加的加速度峰值达到设定阈值时, 系统输出目标有效信号和3210=0100(即目标在右侧), 加速度峰值未达到设定阈值时, 系统无输出; 触发阈值改为10后, 当系统侧向命中目标且加速度峰值达到新设定阈值时, 系统输出目标有效信号和3210=0100(即目标在右侧), 加速度峰值未达到新设定阈值时, 系统无输出。

通过对水下目标触发探测器原理样机进行几种典型工况的试验, 表明该系统各项功能正常, 能够按规定输出目标有效信号和目标方位信息、可在线更改触发阈值, 达到预期要求。

7 结束语

为了解决现有水下目标触发探测器无法感知目标方位、无法更改触发阈值的问题, 文中提出了一种基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器, 以MEMS加速度计作为惯性敏感部件测量与目标相撞时在、、3个轴向的加速度, 以嵌入式微处理器为核心的硬件电路在软件配合下进行数据解算、信号处理和通信。文中分析了输入信号特性, 规划了输出信号形式, 介绍了硬件电路的实现方法和软件流程, 随后通过原理样机在几种典型工况下的功能试验, 验证了基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器实现感知输出目标方位信息、在线更改触发阈值功能的可行性。文中仅介绍了水下目标触发探测器的总体技术方案及软、硬件实现途径, 下一步工作将重点研究根据水下航行器的外形、水下目标触发探测器的安装位置及MEMES加速度计实测、、3个轴向加速度值等数据精确解算目标方位的具体方法, 以及不同性质目标下触发阈值的确定方法。

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Undersea Target Trigger Detector Based on MEMS Accelerometer

ZHANG Xiao-yu1, LIANG Jun-li2, CAI Peng1, CHEN Yin-feng1, HE Yun-fei1

(1. Xi’an DongYi Science Technology & Industry Group Co., Ltd., China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710065, China; 2. China Academy of Space Technology(Xi’an), Xi’an 710100, China)

The application of directional detonation technology in autonomous attack undersea vehicle requires an undersea target trigger detector to provide target orientation information. At the same time, in order to cope with different undersea targets, the undersea target trigger detector needs to be able to change the trigger threshold at any time. However, the existing undersea target trigger detector with mechanical inertia switch as the sensitive part cannot perceive the target orientation and change the trigger threshold. This study proposes an undersea target trigger detector based on micro-electromechanical system(MEMS) accelerometer by using MEMS accelerometer as inertial sensor and integrating it with embedded microprocessor. The characteristics of the input signal are analyzes, the form of the output signal is planned, the overall technical scheme of the novel undersea target trigger detector and the way to realize the hardware and software are introduced, and function tests are conducted on the principle prototype under several typical working conditions. Experimental results show that the MEMS accelerometer-based undersea target trigger detector is effective and feasible, and it can realize the functions of sensing and outputting target orientation information and online changing the trigger threshold.

undersea vehicle; undersea target trigger detector; micro-electromechanical systems(MEMS) accelerometer; directional detonation

TJ431.7; TB934

A

2096-3920(2020)03-0315-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.012

2019-10-15;

2019-11-28.

张小瑜(1975-), 男, 本科, 主要研究方向为触发引信技术.

张小瑜, 梁军利, 蔡鹏, 等. 基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(3): 315-322.

(责任编辑: 许 妍)