基于國(guó)產(chǎn)器件的小型化彈道慣性測(cè)量裝置

謝秋辰 劉偉釗 李蓉

摘要 針對(duì)目前慣性器件封裝體積大制約其在炮彈自主彈道測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于國(guó)產(chǎn)器件的小型化彈道慣性測(cè)量裝置。將國(guó)產(chǎn)壓阻式加速度傳感器、國(guó)產(chǎn)微機(jī)械陀螺儀、接口電路及12通道彈載記錄器集成為六面結(jié)構(gòu)體，實(shí)現(xiàn)慣性測(cè)量裝置體積減小到20 cm³。轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)及炮射試驗(yàn)證明，在10分鐘的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)該小型化慣性測(cè)量裝置姿態(tài)角速度輸出誤差為0.5%。

【關(guān)鍵詞】常規(guī)彈藥 自主彈道測(cè)量 慣性測(cè)量裝置 小型化 國(guó)產(chǎn)器件

精確打擊已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的基本打擊方式，制導(dǎo)彈藥已經(jīng)成為現(xiàn)代彈藥的發(fā)展趨勢(shì)，非制導(dǎo)彈藥也在朝著精確打擊的方向發(fā)展。通過(guò)對(duì)現(xiàn)存常規(guī)非制導(dǎo)彈藥進(jìn)行改造，對(duì)于提升常規(guī)彈藥精確打擊效果具有重要的軍事意義和現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)意義。慣性測(cè)量組合是一種不依賴(lài)任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，利用加速度傳感器和陀螺儀構(gòu)成慣性測(cè)量裝置作為信息探測(cè)單元，應(yīng)用于常規(guī)彈藥的自主彈道測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于提高常規(guī)彈藥打擊精度具有重要意義。

目前慣性測(cè)量裝置的信號(hào)檢測(cè)、處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制模塊及計(jì)算機(jī)接口的技術(shù)比較成熟，對(duì)于軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、精度分析也展開(kāi)了研究。目前慣性測(cè)量裝置多采用ADXL系列加速度傳感器、MPU6050等國(guó)外器件，對(duì)于實(shí)現(xiàn)常規(guī)彈藥制導(dǎo)化具有不利影響。常規(guī)彈藥受其體積限制要求慣性測(cè)量裝置小型化要求很高，目前對(duì)于常規(guī)彈藥制導(dǎo)化改造所要求的慣性測(cè)量裝置小型化設(shè)計(jì)關(guān)注較少。如何基于國(guó)產(chǎn)慣性器件實(shí)現(xiàn)慣性測(cè)量裝置小型化設(shè)計(jì)，成為目前對(duì)常規(guī)彈藥制導(dǎo)化研究的難題。本文針對(duì)目前慣性器件封裝體積大制約其在常規(guī)彈藥自主彈道測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于國(guó)產(chǎn)器件的小型化彈道慣性測(cè)量裝置。

1 國(guó)產(chǎn)器件和常規(guī)彈藥用慣性測(cè)量裝置

1.1 國(guó)產(chǎn)器件

應(yīng)用于常規(guī)彈藥的彈道慣性測(cè)量裝置，具有抗高過(guò)載、體積小、高精度、低成本、溫度范圍廣等特殊要求。受彈內(nèi)空間限制，常規(guī)彈藥對(duì)于慣性器件的體積有苛刻的要求。目前國(guó)產(chǎn)慣性器件分為戰(zhàn)術(shù)級(jí)、速率級(jí)。戰(zhàn)術(shù)級(jí)國(guó)產(chǎn)慣性器件包括六自由度慣性測(cè)量裝置、三軸器件、單軸器件。

戰(zhàn)術(shù)級(jí)六自由度慣性測(cè)量裝置，采用微機(jī)械陀螺儀和加速度計(jì)，加速度計(jì)量程±lOg，陀螺儀量程±3000/s，全密封設(shè)計(jì)，集成后的體積為l800cm³。戰(zhàn)術(shù)級(jí)三軸陀螺儀，量程±300°/s，體積l5cm³，全密封設(shè)計(jì)，抗過(guò)載lOOOOg。

小體積國(guó)產(chǎn)單軸加速度傳感器和國(guó)產(chǎn)陀螺儀則種類(lèi)較多，國(guó)產(chǎn)單軸微機(jī)械陀螺儀零偏≯10° m，量程大于300°/s，抗過(guò)載能力2000g，體積≯1Cffl3，單軸加速度計(jì)量程土10g，體積≯1cm³，抗過(guò)載能力20000g，工作溫度-40～85℃，在體積、抗過(guò)載、量程、溫度己滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)級(jí)武器應(yīng)用。

小體積戰(zhàn)術(shù)級(jí)國(guó)產(chǎn)慣性器件大多為單軸器件，集成化程度低，需采用多個(gè)單軸器件組合為六自由度慣性測(cè)量裝置。集成化程度較高的三軸器件，需采用加速度計(jì)、接口電路組合為慣性測(cè)量裝置，組合后體積將更大，只應(yīng)用于大口徑火炮炮彈中，難以大量應(yīng)用于各式口徑火炮炮彈。

大量應(yīng)用于民用無(wú)人機(jī)的小體積單片六自由度速率級(jí)慣性器件，抗過(guò)載能力低，精度差，難以應(yīng)用于常規(guī)彈藥。

1.2 常規(guī)彈藥用慣性測(cè)量裝置

常規(guī)彈藥用慣性測(cè)量裝置由加速度計(jì)和陀螺儀構(gòu)成，獲得運(yùn)動(dòng)物體的綜合慣性測(cè)量參數(shù)，實(shí)時(shí)提供包含運(yùn)動(dòng)物體姿態(tài)和位置信息的六個(gè)獨(dú)立慣性參數(shù)信息給慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。

常規(guī)彈藥用慣性測(cè)量裝置設(shè)計(jì)是采用單軸加速度計(jì)、單軸陀螺，焊接到印刷電路板，再將各個(gè)電路板按照一定的組合方式集成，設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。這種設(shè)計(jì)方式可以將慣性器件、接口電路集成，功能擴(kuò)展性強(qiáng)。但是各種器件集成后的的系統(tǒng)往往體積過(guò)大，必須研究小體積集成封裝技術(shù)，才能將其應(yīng)用于炮彈中。

慣性測(cè)量裝置由3個(gè)陀螺儀和3個(gè)加速度計(jì)分別安裝在運(yùn)動(dòng)載體3個(gè)正交面上，敏感軸兩兩相互正交，分別測(cè)量3個(gè)方向的加速度a_x、ay^y、a^z與角速度ω_x、ω_y、ω_z。目前慣性測(cè)量裝置的空間結(jié)構(gòu)如圖2所示的三面體正交安裝結(jié)構(gòu)。3個(gè)陀螺儀在空間上盡量靠攏，其敏感軸相互垂直且正交與一點(diǎn)，3個(gè)加速度計(jì)安裝方式與陀螺類(lèi)似，敏感軸方向與對(duì)應(yīng)的陀螺敏感軸方向一致。

2 基于國(guó)產(chǎn)器件的小型化彈道慣性測(cè)量裝置

小型化彈道慣性測(cè)量裝置設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖3。與圖1相比，小型化慣性測(cè)量裝置同樣包括慣性器件和接口電路。不同之處在于，圖l中的常規(guī)彈藥用慣性測(cè)量裝置是作為慣性導(dǎo)航控制的參數(shù)測(cè)量器件，獲取和調(diào)理的數(shù)據(jù)，輸入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)解算模塊進(jìn)行解算。而圖3中把接口電路和彈載記錄器集成在慣性測(cè)量裝置，可作為獨(dú)立完成彈道測(cè)量功能的部件，應(yīng)用于常規(guī)彈藥。

為了減小體積，首先將三面體結(jié)構(gòu)改裝為六面體結(jié)構(gòu)，分別將6個(gè)慣性器件表面貼裝到六個(gè)面，頂面、前面、左側(cè)面分別安裝三個(gè)陀螺儀，底面、后面、右側(cè)面分別安裝三個(gè)加速度傳感器。六面結(jié)構(gòu)體相互支撐，六面結(jié)構(gòu)體中部安裝12通道高精度記錄器，縮小電路板體積的同時(shí)提高了電路板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)電路板的高度集成。電路板中的各慣性器件可進(jìn)行替換，使慣性測(cè)量裝置具有結(jié)構(gòu)高度集成、功能可拓展的特點(diǎn)。最終完成的慣性測(cè)量裝置為結(jié)構(gòu)體單面為2.8cm的立方體，體積為22cm3。慣性測(cè)量裝置的安裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

小型化彈道慣性測(cè)量裝置選用國(guó)產(chǎn)單軸慣性器件，體積小、抗高過(guò)載，量程大。國(guó)外戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣性測(cè)量裝置將多個(gè)慣性器件封裝為單片六自由度芯片，在使用過(guò)程中需根據(jù)芯片性能指標(biāo)設(shè)計(jì)接口電路，集成后的結(jié)構(gòu)體單面結(jié)構(gòu)在2cm以上，與基于國(guó)產(chǎn)器件的小型化慣性測(cè)量裝置體積相當(dāng)。

為了提高抗過(guò)載能力，從器件、電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)三方面對(duì)慣性測(cè)量裝置采取緩沖加固措施。采用小體積、低功耗、抗過(guò)載能力強(qiáng)的電子元器件，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)減小電路體積，同時(shí)可為灌封材料留出更多空間。對(duì)慣性器件的安裝采用六面體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)中部集成彈載記錄器，六面體相互支撐提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用侵徹引信用灌封材料對(duì)慣性測(cè)量裝置六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，在該慣性測(cè)量裝置安裝在測(cè)試體后進(jìn)行二次封裝，使得二次封裝后的慣性測(cè)量裝置系統(tǒng)能經(jīng)受試驗(yàn)過(guò)程中高過(guò)載沖擊。

集成在慣性測(cè)量裝置中的記錄器可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)2個(gè)六自由度慣性測(cè)量裝置同步輸出的12通道數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間為10分鐘，采樣率250KHz。陀螺儀輸出載體坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸方向的角速度值，加速度傳感器輸出沿載體坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸方向的加速度值，采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理，通過(guò)信號(hào)控制模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)融合最終存儲(chǔ)到記錄器，為進(jìn)一步的姿態(tài)解算提供支持。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)利用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)小型化彈道慣性測(cè)量裝置測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將慣性測(cè)量裝置和測(cè)試電源安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)夾具上，并將夾具固定。在轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)控制計(jì)算機(jī)上設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。轉(zhuǎn)臺(tái)啟動(dòng)的同時(shí)接通慣性測(cè)量裝置電源開(kāi)關(guān)，彈載記錄器實(shí)時(shí)存儲(chǔ)加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)，在完成一次測(cè)試后利用計(jì)算機(jī)讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用MATLAB進(jìn)行仿真分析。記錄器可進(jìn)行多次數(shù)據(jù)讀取和擦除操作，實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

為了檢驗(yàn)慣性測(cè)量裝置的性能，對(duì)慣性測(cè)量裝置的三個(gè)陀螺分別進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為10分鐘。慣性測(cè)量裝置的滾轉(zhuǎn)軸按照每秒0°～+l00°～O°～ -100°～0°～+200°～0°～-200°～0°～+300°～0°～ -300°～O°的角速度變化進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)60s，停頓20s。俯仰軸和方位軸按照每秒0°～+50°～0°～-50°～O°～+100°～0°～ -100°～0°～+300°～0°～-300°～O°的角速度變化進(jìn)行了轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)40s，停頓20s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

對(duì)三個(gè)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試的姿態(tài)角輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可以看到，姿態(tài)角輸出均值和設(shè)定轉(zhuǎn)速有0.5%的差值，說(shuō)明在轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中陀螺基線(xiàn)漂移。陀螺的靈敏度變大，導(dǎo)致計(jì)算的姿態(tài)角輸出與輸入形成誤差。在各個(gè)姿態(tài)角不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中，姿態(tài)角輸出信號(hào)疊加了0.75±0.1°的隨機(jī)噪聲。由于滾轉(zhuǎn)軸在每個(gè)轉(zhuǎn)速下的持續(xù)時(shí)間為60s，而其它兩個(gè)軸在每個(gè)轉(zhuǎn)速下的持續(xù)時(shí)間為40s。通過(guò)對(duì)滾轉(zhuǎn)軸和其他兩個(gè)軸的姿態(tài)角輸出隨機(jī)噪聲對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)噪聲并未隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著增大。說(shuō)明小型化慣性測(cè)量裝置姿態(tài)角的漂移和隨機(jī)噪聲與姿態(tài)角輸出具有規(guī)律性的量值關(guān)系，可通過(guò)誤差補(bǔ)償對(duì)該量值進(jìn)行修正，使該小型化慣性測(cè)量裝置具備更高的精度。轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該小型化慣性測(cè)量裝置可以完整記錄彈體飛行程中的彈道參數(shù)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于國(guó)產(chǎn)器件的小型化彈道慣性測(cè)量裝置。將國(guó)產(chǎn)壓阻式加速度傳感器、國(guó)產(chǎn)微機(jī)械陀螺儀、接口電路及12通道彈載記錄器集成為六面結(jié)構(gòu)體，實(shí)現(xiàn)慣性測(cè)量裝置體積減小到lOcff13。轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)及炮射試驗(yàn)證明，在10分鐘的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)該小型化慣性測(cè)量裝置姿態(tài)角速度輸出誤差為0.5%。下一步擬對(duì)小型化彈道解算系統(tǒng)進(jìn)行研究，為實(shí)現(xiàn)常規(guī)彈藥自主彈道測(cè)量提供支持。

參考文獻(xiàn)

[1]包超，郭美鳳，周斌.MIMU/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014， 33 （01）：116-119.

[2]李慧，范錦彪，陀螺和加速度計(jì)微慣性測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，山西電子技術(shù)，2015（01）：61-62，

[3]秦輝，史步海，一種微慣性測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]電子工業(yè)技術(shù)，2009，30 （01）： 32- 36.

[4]王林林，劉波.基于MIMU/GPS組合導(dǎo)航的箭載姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，21（21）：72-75.

[5]曹少珺，孫發(fā)魚(yú).一種基于慣性測(cè)量組合的彈箭飛行姿態(tài)測(cè)試方法[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2007，29 （06）： 63-68.

[6]侯利朋，李杰，張松，常規(guī)彈藥飛行參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探測(cè)，2014，33 （06）：82-86.

[7]王虹鈰，火炮歷史的見(jiàn)證[M]，南京：南京大學(xué)出版社，2014.