常規(guī)彈藥飛行參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯利朋， 李 杰，b， 張 松， 劉 俊，b

(中北大學(xué)a.電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引言

常規(guī)彈藥具有靈活性好、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)、庫(kù)存量大等優(yōu)勢(shì)，仍然是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的主要打擊力量，但是常規(guī)彈藥普遍命中精度差，難以有效地打擊目標(biāo)，合理的低成本制導(dǎo)化改造是當(dāng)前大量庫(kù)存常規(guī)彈藥發(fā)揮性能的有效途徑[1]。常規(guī)彈藥制導(dǎo)化改造的前提是準(zhǔn)確獲取彈丸飛行過(guò)程中的姿態(tài)和位置信息，即實(shí)時(shí)精確測(cè)量彈體的各種飛行參數(shù)成為制約常規(guī)彈藥制導(dǎo)化改造的關(guān)鍵技術(shù)[2-3]。

本文主要介紹了常規(guī)彈藥飛行參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的組成和具體實(shí)現(xiàn)方法。該測(cè)量系統(tǒng)可以提供被測(cè)載體的實(shí)時(shí)姿態(tài)、位置和速度等信息，且具有體積小、成本低、抗高過(guò)載以及易于安裝等優(yōu)勢(shì)，是常規(guī)彈藥飛行參數(shù)測(cè)試的重要組件。該飛行參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)還可以與雷達(dá)、GPS等外部測(cè)量手段相結(jié)合，有效彌補(bǔ)現(xiàn)有外部測(cè)量手段信息單一的缺陷，滿足常規(guī)彈藥制導(dǎo)化改造過(guò)程中的測(cè)試需求[4-6]。

1 系統(tǒng)工作原理

常規(guī)彈藥飛行參測(cè)量系統(tǒng)由微慣性測(cè)量單元(Micro Inertial Measurement Unit，MIMU)信息敏感模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)序控制模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊四部分組成，其組成原理框圖如圖1所示。

其中，MIMU信息敏感模塊由3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺儀組成，實(shí)時(shí)敏感彈體的加速度和角速度信息;數(shù)據(jù)采集模塊采用AD轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)采集MIMU輸出的六路彈體飛行參數(shù)信息，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);時(shí)序控制模塊采用FPGA，控制AD轉(zhuǎn)換器采集MIMU信息，并將轉(zhuǎn)換的結(jié)果讀到FPGA中，并按照一定的幀格式進(jìn)行編碼，最終將彈體飛行參數(shù)信息存入Flash 中[7-8]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MIMU信息敏感模塊

MIMU是一種基于MEMS傳感器的新型慣性測(cè)量組合，具有體積小、低功耗、高抗過(guò)載能力等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高動(dòng)態(tài)、高過(guò)載、空間狹小的惡劣環(huán)境[9]。MIMU由3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺儀組成，其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 MIMU表頭示意圖

3個(gè)加速度計(jì)配置在3個(gè)正交的平面上，敏感軸兩兩相互正交，用來(lái)敏感彈體3個(gè)不同方向的加速度信息;同樣，3個(gè)陀螺儀配置在3個(gè)正交的平面上，敏感軸兩兩相互正交，用來(lái)敏感彈體3個(gè)不同方向的角速度信息，為進(jìn)一步常規(guī)彈藥位置和姿態(tài)的解算提供飛行參數(shù)信息[10-11]。

實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中使用的MIMU集成實(shí)物如圖3所示。該微慣性測(cè)量組合內(nèi)部已經(jīng)集成了3個(gè)MEMS加速度計(jì)和陀螺儀及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集提供其敏感到的加速度及角速度信息相對(duì)應(yīng)的模擬電壓值。

圖3 MIMU實(shí)物圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用TI公司的16位六通道高速同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8365。該芯片具有高速、低功耗的特點(diǎn)，通過(guò)控制各通道的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)實(shí)現(xiàn)6路信號(hào)的同步采集，使得采集的加速度計(jì)和陀螺儀信號(hào)具有很好的同步性，為進(jìn)一步的位置和姿態(tài)解算提供了可能。ADS8365在5 MHz的時(shí)鐘頻率下工作時(shí)，能夠達(dá)到的最高采樣率為250 kHz，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求[12]。同時(shí)，16位的轉(zhuǎn)換精度能保證整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，適合常規(guī)彈藥的彈體飛行參數(shù)信息的采集。

2.3 時(shí)序控制模塊

系統(tǒng)時(shí)序控制模塊采用Xilinx公司生產(chǎn)的Spzrtan-II系列的XC2S30。該FPGA內(nèi)核采用2.5 V低電壓供電，工作頻率高達(dá)200 MHz，從根本上減小了芯片的功耗，同時(shí)也解決了高速工作狀態(tài)下發(fā)熱量大的問(wèn)題，其次XC2S30共有100個(gè)引腳，4個(gè)時(shí)鐘輸入端，92個(gè)I/O口，3萬(wàn)個(gè)門電路，216個(gè)可編程邏輯模塊。其內(nèi)部集成了6個(gè)雙口RAM，共24 kbits，具有靈活的可配置性和良好的抗干擾性，如此豐富的門陣列資源也為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯提供了可能。

FPGA的通用輸入/輸出(I/O)引腳靈活配置為AD數(shù)據(jù)輸入口，將16位的AD數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PGA中。FPGA為AD提供時(shí)鐘，HOLDA、HOLDB、HOLDC啟動(dòng)AD開始轉(zhuǎn)換，分別控制A、B、C3個(gè)通道6路信號(hào)發(fā)生數(shù)模轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA對(duì)轉(zhuǎn)換信號(hào)提供相同的脈沖信號(hào)，這樣可以實(shí)現(xiàn)MIMU中3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺儀數(shù)據(jù)的同步采集。當(dāng)ADS8365轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC信號(hào)高電平變化為低電平，F(xiàn)PGA通過(guò)判斷EOC信號(hào)的變換，控制AD的RD信號(hào)，將轉(zhuǎn)換結(jié)束后的16位數(shù)字信號(hào)讀取出來(lái)并傳輸?shù)紽PGA中，進(jìn)一步控制FLASH將數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到其中[13-14]。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用三星公司的K9K8G08U0M，該存儲(chǔ)器采用NAND結(jié)構(gòu)，具有大容量、高可靠性、耐震動(dòng)、尋址簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，并且掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

在將數(shù)據(jù)寫入Flash的過(guò)程中，每當(dāng)寫完一頁(yè)，需檢測(cè)I/O 6和I/O 0的狀態(tài)，當(dāng)I/O 6變?yōu)楦唠娖絀/O 0變?yōu)榈碗娖胶螅龠M(jìn)行下一頁(yè)的數(shù)據(jù)寫入，否則數(shù)據(jù)寫入幾頁(yè)后將停止寫入操作，造成記錄數(shù)據(jù)的丟失，這一點(diǎn)在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中很重要[15-16]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，首先需要控制AD同步采集MIMU數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換，其次將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)按照事先約定的固定幀格式將數(shù)據(jù)寫入Flash中。

XC2S30提供3個(gè) HOLD信號(hào)給 ADS8365，啟動(dòng)AD 6路模擬通道同步轉(zhuǎn)換，并檢測(cè)AD的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC，當(dāng)EOC由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，表示此次模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，F(xiàn)PGA控制RD信號(hào)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)按當(dāng)前配置的讀取方式從AD的輸出寄存器中讀入FPGA中。AD采集流程如圖4所示。

圖4 AD采集流程

AD 6路模擬信號(hào)分別對(duì)應(yīng)MIMU的3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)陀螺儀測(cè)量到的信息，為便于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的分離和提取，則需要將該6路信號(hào)以一定的編碼方式寫入Flash中。

本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)采用的通訊數(shù)據(jù)幀編碼方式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀編碼方式

由表1可知，通訊數(shù)據(jù)幀共24 Byte，B23為高字節(jié)，B0為低字節(jié)。B23、B22為幀頭，用以上位機(jī)程序判斷數(shù)據(jù)幀的起始。幀計(jì)數(shù)初始值為0，每采樣1幀數(shù)據(jù)，幀計(jì)數(shù)值加1，據(jù)此可以判斷系統(tǒng)工作過(guò)程中采樣的數(shù)據(jù)量，同時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的連續(xù)性，可以判斷數(shù)據(jù)是否完整。當(dāng)AD的采樣率設(shè)定為固定值時(shí)，通過(guò)幀計(jì)數(shù)可以得到該幀數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間。B18～B1為采樣數(shù)據(jù)，記錄采集的MIMU數(shù)據(jù)，3 Byte為一組，從高到低依次為X、Y、Z軸向的加速度信息和X、Y、Z軸向的角速度信息。B0為幀校驗(yàn)和，上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)后，計(jì)算校驗(yàn)和，如果結(jié)果與B0相同，說(shuō)明數(shù)據(jù)通訊正確;否則數(shù)據(jù)傳輸有誤。

上位機(jī)從Flash中讀取的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行分離后才能進(jìn)一步解算每時(shí)刻MIMU敏感到彈體3個(gè)方向的加速度和角速度信息。數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)包括采集的通道編號(hào)以及所采集的該通道數(shù)字量。以B18～B16為例，包含通道編號(hào)以及X軸向的加速度數(shù)據(jù)，其中B18表示通道數(shù)，其編碼方式如表2所示。

表2 B18編碼方式

DV表示讀取數(shù)據(jù)的有效性，A2、A1、A0為通道的編號(hào);DB3、DB2、DB1、DB0為讀取的該通道的低4位數(shù)據(jù);B17為該通道的低8位數(shù)據(jù);B16為該通道的高8位數(shù)據(jù)。若將這3個(gè)有效字節(jié)分別命名為Byte1、Byte2和 Byte3，則:

通過(guò)上面的分離公式，就可以完成數(shù)據(jù)分離。

常規(guī)彈藥在落地時(shí)，由于落地點(diǎn)環(huán)境復(fù)雜，彈體所受到的沖擊相當(dāng)大，可能導(dǎo)致采存器斷電后重新上電，這樣導(dǎo)致原來(lái)寫入Flash中的數(shù)據(jù)會(huì)被覆蓋形成亂碼，所以本設(shè)計(jì)中對(duì)于Flash存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模塊采用分區(qū)處理的方法。對(duì)于8 GB的Flash，將存儲(chǔ)空間分為4區(qū)，其中每區(qū)占用空間為2 GB，第1次上電，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在第1區(qū)中，依次類推，第4次上電將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在第4區(qū)中，之后再有誤觸發(fā)上電，則數(shù)據(jù)不再寫入，這樣就可以保證落地后數(shù)據(jù)的正確性和完整性。Flash分區(qū)存儲(chǔ)流程如圖5所示。Flash的分區(qū)還可以實(shí)現(xiàn)彈體裝配后的性能測(cè)試，而不影響彈體飛行過(guò)程中加速度的和角速度的實(shí)時(shí)記錄。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，將飛行參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)安裝在飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)上，飛行仿真試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示?？刂妻D(zhuǎn)臺(tái)以一定的方式運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集加速度計(jì)和陀螺儀信息，對(duì)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 Flash分區(qū)存儲(chǔ)流程

圖6 飛行仿真試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

將原始數(shù)據(jù)分離后，通過(guò)相關(guān)姿態(tài)算法解算，系統(tǒng)姿態(tài)信息如圖7所示。

通過(guò)與飛行仿真運(yùn)行姿態(tài)的比較可以看出，該系統(tǒng)能夠有效完整地記錄彈丸在飛行過(guò)程中的參數(shù)，并能準(zhǔn)確地反映仿真飛行過(guò)程中的姿態(tài)變化。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地采集常規(guī)彈藥從發(fā)射到落地過(guò)程中的飛行參數(shù)，并將其存儲(chǔ)在Flash中，能較好地實(shí)現(xiàn)彈體實(shí)時(shí)、有效地動(dòng)態(tài)參數(shù)采集。通過(guò)對(duì)飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能夠完整地記錄彈體飛行參數(shù)，并經(jīng)一定的算法解算后能準(zhǔn)確地反映彈體在飛行過(guò)程位置和姿態(tài)信息。該彈體飛行參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)為常規(guī)彈藥制導(dǎo)化改造提供了可靠數(shù)據(jù)，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

圖7 系統(tǒng)姿態(tài)信息

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