彈道修正彈固定鴨舵測姿方法研究

王曉云，李 昱，郝永平，張嘉易

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

隨著戰(zhàn)爭方式的改變，現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越重視遠(yuǎn)距離、小規(guī)模、精確打擊.彈道修正彈是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭背景下發(fā)展起來的短程精確打擊武器.在沒有修正能力的“笨彈”上加裝修正引信，使其具有修正能力，彈丸從炮膛發(fā)射后受諸多因素影響會偏離理想彈道，通過控制修正機(jī)構(gòu)改變彈丸受力，使其回到理想彈道上.一維修正是在彈丸上加裝阻尼裝置，打擊目標(biāo)時(shí)，修正彈的預(yù)射落點(diǎn)遠(yuǎn)于目標(biāo)點(diǎn)，彈丸飛行過程中通過控制阻尼裝置改變彈丸阻力，在炮彈射程的遠(yuǎn)近上進(jìn)行修正，使彈丸準(zhǔn)確落在目標(biāo)點(diǎn)上[1].顧名思義，二維修正由一維修正發(fā)展而來，二維彈道修正是在彈體上加裝一對類似于飛機(jī)翅膀的修正舵，通過電機(jī)控制修正舵滾轉(zhuǎn)角，不同滾轉(zhuǎn)角下修正舵所受氣動力的作用不同，進(jìn)而改變彈丸的俯仰角和偏航力矩[2]，達(dá)到改變彈丸的射程和橫偏距離，即在彈道X、Y兩個(gè)維度上進(jìn)行修正的目的.

1 鴨舵控制方案

彈道修正彈從炮膛發(fā)射后，在飛行過程中通過彈載GPS或慣導(dǎo)模塊檢測彈丸的實(shí)際彈道信息和飛行姿態(tài)，將檢測到的彈道信息反饋給彈載計(jì)算機(jī)，彈載計(jì)算機(jī)計(jì)算出彈丸的實(shí)際彈道，通過與理論彈道比對得出兩者之間的偏移量，彈載計(jì)算機(jī)通過偏移量的大小和方向計(jì)算出修正機(jī)構(gòu)的作用位置和作用時(shí)間，使系統(tǒng)控制電機(jī)輸出所需修正力矩[3]，修正機(jī)構(gòu)對彈丸在射程和偏航上進(jìn)行修正，從而完成修正彈彈道的二維修正.鴨舵作為彈道修正的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具體通過其姿態(tài)來控制彈道.鴨舵的姿態(tài)檢測精度決定了鴨舵的控制精度，而控制精度決定打擊精度.因此，鴨舵姿態(tài)的檢測是彈道修正過程中特別重要的一環(huán).二維彈道修正引信如圖1所示.

圖1 二維彈道修正引信

固定鴨舵作為高旋彈彈道修正的實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用十字型固定翼鴨舵是最理想的，它既保留了彈丸的高速旋轉(zhuǎn)屬性，又能夠保證彈丸飛行的穩(wěn)定性[4].利用鴨舵的同向舵和修正舵可以完成彈道的二維修正.十字型固定翼鴨舵雖然可以很好地實(shí)現(xiàn)修正彈的二維彈道修正[2]，但是由于結(jié)構(gòu)限制，無法在鴨舵上安裝特別復(fù)雜的檢測裝置，需要一種新的檢測方法來測量固定鴨舵在大地坐標(biāo)系下的滾轉(zhuǎn)姿態(tài).

2 滾轉(zhuǎn)角解算原理分析

地磁場是自然形成的不受外界干擾并存在于地球表面的一個(gè)矢量場，所以地表某處的地磁場強(qiáng)度是一個(gè)矢量(可用T表示).矢量T在空間坐標(biāo)系內(nèi)除了水平分量(H)還有北分量(X)、東分量(Y)和垂直分量(Z).水平分量、北分量和東分量三者的關(guān)系如圖2所示.當(dāng)磁阻傳感器隨彈體繞彈軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，地磁場在磁阻傳感器各個(gè)測量軸上的分量大小不斷變化，使傳感器測量軸上的感應(yīng)信號不斷變化，若選擇兩個(gè)合適的測量軸輸出信號，就可以解算出彈丸不同時(shí)刻的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角.

圖2 水平分量、北分量和東分量三者的關(guān)系

在理想狀態(tài)下，彈體滾轉(zhuǎn)角θ可用下式計(jì)算得出.

(1)

當(dāng)載體持續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí),X和Y就是兩個(gè)僅相差90°相位的正弦波(圖3).實(shí)際工程計(jì)算過程中通常采用四象限反正切法，以避免由于反正切計(jì)算所帶來的符號判斷問題.

圖3 磁阻傳感器輸出波形

磁阻傳感器及其控制電路通過支架安裝在修正引信上，修正引信和彈體通過螺紋連接.通過地磁解算模塊實(shí)時(shí)讀取磁阻傳感器的輸出信號，就可以實(shí)時(shí)解算彈體在地面坐標(biāo)系上的滾轉(zhuǎn)角.

3 霍爾傳感器輔助測姿方法分析

彈丸從炮膛射出瞬間，鴨舵和彈丸相對靜止；彈丸射出炮膛后，鴨舵繞彈軸與彈丸反向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)要測量鴨舵滾轉(zhuǎn)角就需要以一個(gè)大地坐標(biāo)系上的鴨舵滾轉(zhuǎn)角作為解算基準(zhǔn)角度.因此，在裝配過程中，需要分別對修正舵和彈丸添加標(biāo)志位.當(dāng)二者標(biāo)志位重合時(shí)，彈體滾轉(zhuǎn)角和修正舵滾轉(zhuǎn)角重合，彈體滾轉(zhuǎn)角就是鴨舵滾轉(zhuǎn)角.對修正引信結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析后，本文采用霍爾傳感器對鴨舵和彈丸添加標(biāo)志位，并在電機(jī)芯軸上加裝霍爾傳感器，在固定鴨舵修正舵處鑲嵌微型磁鐵(圖4).當(dāng)霍爾傳感器產(chǎn)生電壓跳變時(shí)，修正舵滾轉(zhuǎn)角和彈體滾轉(zhuǎn)角相同，彈載機(jī)收到霍爾傳感器脈沖信號時(shí)的彈體滾轉(zhuǎn)角即為修正舵在大地坐標(biāo)系上的滾轉(zhuǎn)角，記為γ0.

圖4 電機(jī)芯軸示意圖

在彈丸飛行過程中，雖然彈體和鴨舵以不同的轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)[2]，但是每兩個(gè)霍爾脈沖之間，鴨舵和彈體均相對轉(zhuǎn)動360°.通過記錄兩次霍爾脈沖的時(shí)間間隔T1，可計(jì)算出彈體和固定鴨舵的相對轉(zhuǎn)速V.將收到霍爾脈沖時(shí)解算出來的彈體滾轉(zhuǎn)角作為基準(zhǔn)角度，通過V、慣導(dǎo)系統(tǒng)給出的彈體轉(zhuǎn)速V0、出現(xiàn)霍爾脈沖到彈體滾轉(zhuǎn)角解算結(jié)束的時(shí)間T2，可計(jì)算出鴨舵當(dāng)前時(shí)刻的滾轉(zhuǎn)角.其解算過程如圖5所示.以彈體旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，鴨舵旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樨?fù)向，在基準(zhǔn)角度的基礎(chǔ)上加上解算時(shí)間內(nèi)彈體正向的滾轉(zhuǎn)角度，減去鴨舵負(fù)向的滾轉(zhuǎn)角度，運(yùn)用式(2)即可解算出鴨舵當(dāng)前時(shí)刻的滾轉(zhuǎn)角γ.

(2)

式中，γ0為基準(zhǔn)角度.

圖5 鴨舵當(dāng)前時(shí)刻滾轉(zhuǎn)角的解算過程

4 試驗(yàn)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)樣機(jī)中磁阻傳感器采用全橋結(jié)構(gòu)的高動態(tài)TMR2303三軸線性傳感器，控制芯片采用常規(guī)的STM32F103C8T6.磁阻傳感器輸出的微弱模擬信號經(jīng)過同向比例和差分比例兩級放大后進(jìn)入A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入控制芯片中進(jìn)行處理.試驗(yàn)樣機(jī)需完成的工作主要包括：信號采集、數(shù)字濾波、誤差補(bǔ)償、滾轉(zhuǎn)角解算和數(shù)據(jù)儲存等[4].地磁解算試驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示.

圖6 地磁解算試驗(yàn)樣機(jī)

在高速三軸試驗(yàn)臺上對試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行測試，用高轉(zhuǎn)速伺服電機(jī)驅(qū)動修正引信來模擬彈體的高速旋轉(zhuǎn)過程，用另一個(gè)工作在力矩模式下的伺服電機(jī)驅(qū)動鴨舵反向旋轉(zhuǎn)，并且，通過光電碼盤實(shí)時(shí)反饋鴨舵的實(shí)際滾轉(zhuǎn)角.針對鴨舵停止在某一固定滾轉(zhuǎn)角處和定速旋轉(zhuǎn)兩種情況分別進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn).表1所示為鴨舵靜止于某固定位置時(shí)滾轉(zhuǎn)角的解算數(shù)據(jù).圖7所示為鴨舵勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾轉(zhuǎn)角的解算值變化曲線.對表1中數(shù)據(jù)分析可知，在大地坐標(biāo)系上，修正舵分別靜止于0°、90°、180°和270°固定滾轉(zhuǎn)角處，修正舵滾轉(zhuǎn)角解算最大偏差在7.4°左右.鴨舵在固定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)時(shí)解算出的滾轉(zhuǎn)角和時(shí)間呈線性關(guān)系，與鴨舵勻速旋轉(zhuǎn)的實(shí)際情況基本符合.

表1 鴨舵靜止于某固定位置時(shí)滾轉(zhuǎn)角的解算數(shù)據(jù) (°)

圖7 鴨舵勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)滾轉(zhuǎn)角的解算值變化曲線

5 結(jié)束語

本文介紹了二維彈道修正的基本原理，根據(jù)二維彈道修正原理，結(jié)合霍爾傳感器使用方法、電樞繞組、電機(jī)芯軸和固定鴨舵結(jié)構(gòu)，提出了一種以地磁傳感器為主，霍爾傳感器輔助解算鴨舵滾轉(zhuǎn)角的方法.使用該方法，鴨舵滾轉(zhuǎn)角測量值和實(shí)際值的最大偏差約為7.4°.通過增加霍爾傳感器個(gè)數(shù)，提高計(jì)時(shí)精度，完善濾波算法，提高彈體和鴨舵相對轉(zhuǎn)速的精度，降低磁阻傳感器信號的不確定誤差，可以進(jìn)一步提高鴨舵滾轉(zhuǎn)角解算精度.本文方法基本上解決了固定鴨舵滾轉(zhuǎn)角的解算問題.

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