裝甲車輛火炮角速度測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李遠(yuǎn)哲，裴金頂，向 亮，王兆祥，賀海文

（1.解放軍32184 部隊(duì)，北京 100093；2.北京特種車輛試驗(yàn)場(chǎng)，北京 100072；3.解放軍96033 部隊(duì)48 分隊(duì)，湖南 懷化 418000）

0 引言

火炮是裝甲車輛武器系統(tǒng)的重要組成部分?；鹋诮撬俣仁菍?duì)火炮身管垂直向和水平向動(dòng)作能力的衡量，包括火炮最大調(diào)炮速度、火炮最大/最小瞄準(zhǔn)速度、漂移速度等參數(shù)，表征了火炮的機(jī)動(dòng)靈活性、控制精準(zhǔn)性、使用穩(wěn)定性等特征，是保證其發(fā)揮作戰(zhàn)效能的前提和基礎(chǔ)。因此，在試驗(yàn)鑒定、出廠檢驗(yàn)、使用修理以及部隊(duì)維修檢測(cè)中，均要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，確定火炮特性是否達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以保證火炮能夠發(fā)揮最大的作戰(zhàn)效能。

1 火炮角速度參數(shù)測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀

對(duì)于火炮角速度的測(cè)試測(cè)量，目前主要的方法仍然以采用傳統(tǒng)的目標(biāo)靶法為主，通過測(cè)量光點(diǎn)經(jīng)過目標(biāo)靶上的長(zhǎng)度和時(shí)間來(lái)計(jì)算相關(guān)參數(shù)。這種方法簡(jiǎn)單直接，但也存在人為操作誤差多、精度低、效率低等弊端，同時(shí)也無(wú)法適應(yīng)具有更高調(diào)炮速度的測(cè)試需求。為此，國(guó)內(nèi)的一些院校、科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了研究，提出了可行的解決方案，主要有CCD+點(diǎn)光源方法、激光器+PSD 光學(xué)測(cè)試靶、光纖陀螺、電測(cè)法、高速攝像方法等，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中存在著使用不便、誤差較大、工作不穩(wěn)定或價(jià)格偏高等不足，均未能得到普及應(yīng)用。

鑒于上述現(xiàn)狀以及高新裝備試驗(yàn)鑒定、出廠檢驗(yàn)、作戰(zhàn)使用等方面的使用需求，研制精度高、使用方便、成本低、數(shù)據(jù)獲取全面的火炮角速度測(cè)試裝置，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)和工作原理

2.1.1 總體設(shè)計(jì)

如圖1 所示，本裝置按照“模塊化、輕量化、便攜化”的設(shè)計(jì)思想，在盡可能地避免破壞被測(cè)對(duì)象自身結(jié)構(gòu)特性的同時(shí)，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和使用的方便性。整個(gè)裝置設(shè)計(jì)為傳感器分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)、手持終端分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)關(guān)鍵模塊以及包括備用鋰電池、相關(guān)電纜和收納箱等組成部分。

圖1 測(cè)試裝置構(gòu)成圖

數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)與傳感器分系統(tǒng)有線連接，并通過無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)與手持終端分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)組網(wǎng)，接收控制指令完成數(shù)據(jù)采集，并實(shí)時(shí)發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)為全網(wǎng)單元共享。各分系統(tǒng)之間的邏輯連接關(guān)系如圖2 所示。“指令”是指由手持終端分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)識(shí)別標(biāo)志以及當(dāng)前工作類別；“數(shù)據(jù)和狀態(tài)反饋”是數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)回傳的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)以及聯(lián)網(wǎng)、電池電量、工作狀態(tài)等，由手持終端分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)顯示。

整個(gè)裝置在上電后，自動(dòng)無(wú)線組網(wǎng)，經(jīng)過標(biāo)定后，即可進(jìn)行測(cè)試。手持終端分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)可以冗余控制和顯示試驗(yàn)結(jié)果，提供給用戶不同的使用操作模式。

圖2 測(cè)試裝置邏輯關(guān)系示意圖

2.1.2 工作原理分析

2.1.2.1 標(biāo)定

測(cè)試時(shí)，傳感器分系統(tǒng)中的傳感器即高精度微型MEMS 陀螺儀（以下簡(jiǎn)稱“傳感器”）通過專門設(shè)計(jì)的夾具固定在炮口上方，如圖3 所示，使傳感器x、y、z 軸大體上分別沿火炮水平運(yùn)動(dòng)方向、火炮軸線方向、火炮垂直運(yùn)動(dòng)方向固定。

遵循“右手定則原則一”，可以快速分配并確定坐標(biāo)系的軸向。伸出右手，分別展開拇指、食指和中指，拇指指的方向是X 軸向，食指指的方向是Y 軸向，中指指的方向是Z 軸向，如圖4 所示。傳感器可測(cè)3 個(gè)方向的角速度。遵循“右手定則原則二”，可以快速確定坐標(biāo)軸軸向旋轉(zhuǎn)的角速度方向。

圖3 傳感器安裝示意圖

圖4 傳感器安裝圖

由于傳感器和被測(cè)對(duì)象分別具有自身的坐標(biāo)系，在傳感器安裝時(shí)，必然存在安裝誤差，即傳感器的慣性敏感元件構(gòu)成的非正交坐標(biāo)系與被測(cè)對(duì)象坐標(biāo)系之間就存在有一定的安裝偏差角，因此，需要通過一定的過程來(lái)獲取，這個(gè)過程就是“標(biāo)定”。標(biāo)定的過程實(shí)際上是獲得兩個(gè)坐標(biāo)系之間由安裝偏差角決定的一個(gè)確定的變換關(guān)系。

安裝偏差角定義為：對(duì)于三維（空間）三軸的情況，設(shè)在空間內(nèi)有一個(gè)正交系XeYeZe和一個(gè)非正交系XaYaZa（如圖5 所示）。

圖5 安裝偏差角定義

設(shè)空間向量F，在坐標(biāo)系XeYeZe與XaYaZa的坐標(biāo)分別為（Xe，Ye，Ze）和（Xa，Ya，Za），則有：

通過被測(cè)對(duì)象繞X 軸和Z 軸分別旋轉(zhuǎn)一定角速度，可以計(jì)算獲得X 軸和Z 軸的安裝誤差。由于被測(cè)對(duì)象不能繞Y 軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也不影響后續(xù)的計(jì)算，可以設(shè)置Y 軸對(duì)X 和Z 軸的安裝誤差為0。

可以看出，通過標(biāo)定即可獲得過渡矩陣，從而建立傳感器自身坐標(biāo)系與被測(cè)對(duì)象坐標(biāo)系的變換關(guān)系，為后續(xù)的測(cè)試提供基礎(chǔ)。

2.1.2.2 測(cè)試模式分析

根據(jù)實(shí)際測(cè)試要求，最大調(diào)炮速度的測(cè)試誤差需達(dá)到0.01°/s；最小調(diào)炮速度、瞄準(zhǔn)速度、漂移速度等角速度值較小的場(chǎng)景，測(cè)試誤差基本要求都在0.000 5 °/s 左右，一般的傳感器很難在滿足重量、尺寸的前提下又滿足該要求。為降低對(duì)傳感器選型的要求以及成本等方面的考慮，本設(shè)計(jì)將測(cè)試場(chǎng)景分為高角速度（≥|±5°/s|）模式、低角速度（＜|±5 °/s|）模式兩種。實(shí)質(zhì)上，這兩種測(cè)試模式只是計(jì)算模型上的區(qū)別，高角速度模式可以直接通過過渡矩陣計(jì)算測(cè)試值，低角速度模式則需要在過渡矩陣基礎(chǔ)上疊加另外算法實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單地說，低角速度測(cè)試是通過測(cè)量積分角度和時(shí)間來(lái)計(jì)算角速度，顯然角度的測(cè)量是關(guān)鍵部分。

對(duì)于低角速度模式下角度的測(cè)量主要分為以下步驟：

1）確定被測(cè)對(duì)象坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系

由于測(cè)量量為被測(cè)對(duì)象兩次旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度位置，因此，本算法使用相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)理論?？梢栽O(shè)起始計(jì)算時(shí)刻點(diǎn)的坐標(biāo)系為零位置點(diǎn)S0，此時(shí)的坐標(biāo)系記為OENU，相應(yīng)坐標(biāo)系中的矢量角標(biāo)記為t，相應(yīng)的矢量分量記為E、N、U；經(jīng)過時(shí)間T0后，傳感器隨被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)到位置ST0，此時(shí)的坐標(biāo)系記為OXbYbZb，坐標(biāo)系中的變量角標(biāo)記為b。這兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系決定了被測(cè)對(duì)象在時(shí)間T0內(nèi)的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角，定義如圖6 所示。

圖6 經(jīng)過T0 時(shí)間的坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)圖

依據(jù)上面定義，圖6 中的各角定義為：

θ：被測(cè)對(duì)象俯仰角，θ∈［-90°，90°）；

γ：被測(cè)對(duì)象橫滾角，γ∈［-180°，180°）；

ψ：被測(cè)對(duì)象方位角，ψ∈［0°，360°）。

依據(jù)圖6 中ZXY 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)順序，可以得到方向余弦矩陣（捷聯(lián)矩陣）為：

令：

則：

θ=arcsin（C32）

γ=arctan（-C31/C33）

ψ=arctan（-C12/C22）

2）初始值的確定

其中，q2，q3，q4符號(hào)如下式確定

3）輸入測(cè)量值

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，陀螺輸出角速度信號(hào)是被測(cè)對(duì)象相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度在被測(cè)對(duì)象坐標(biāo)系中的投影。

在短時(shí)間相對(duì)導(dǎo)航中，可以認(rèn)為陀螺初始輸出為0 °/s，這樣可以扣除陀螺的隨機(jī)零位，同時(shí)忽略地球自轉(zhuǎn)速度對(duì)計(jì)算精度的影響。

4）四元數(shù)更新

其中：

利用四階Runge-Kuta 法求解上面微分方程，可以得到：

計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)四元數(shù)之后，可以得到相應(yīng)的捷聯(lián)矩陣：

5）計(jì)算姿態(tài)角

依據(jù)上述被測(cè)對(duì)象坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)次序以及得到的姿態(tài)角的定義范圍，可以在全范圍內(nèi)解算姿態(tài)角。根據(jù)姿態(tài)角的定義范圍，可以求得：

θ=arcsin（C32）

γ主=arctan（-C31/C33）

ψ主=arctan（-C12/C22）

則：

按照上述方法，在經(jīng)過T0時(shí)間后，測(cè)試裝置獲得的方位角為ψT0，俯仰角為θT0，則水平最小角速度為ψT0/T0，垂直最小角速度為θT0/T0，單位為°/s。

2.2 主要分系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.2.1 傳感器分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳感器分系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)火炮角速度參數(shù)拾取關(guān)鍵部分，主要包括傳感器和專用夾具。傳感器通過專用夾具與被測(cè)對(duì)象固定為一體，實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象角度、角速度等信號(hào)的轉(zhuǎn)換。傳感器采用高精度微型MEMS 陀螺儀，內(nèi)置溫度補(bǔ)償和加速度計(jì)，主要參數(shù)如下頁(yè)表1 所示。關(guān)于陀螺儀測(cè)量角速度的原理在各種文獻(xiàn)中均有介紹，這里不再贅述。

為盡可能減少對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響，該分系統(tǒng)設(shè)計(jì)要盡量減小體積和重量；同時(shí)為保證標(biāo)定后建立的過渡矩陣的有效性和使用適用性以及傳感器分系統(tǒng)對(duì)多種火炮口徑的適應(yīng)性，夾具設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)傳感器與夾具之間、夾具與被測(cè)對(duì)象之間的剛性固定和方便拆裝。該分系統(tǒng)如圖7 所示，體積小，最大重量480 g 左右，固定牢靠，拆裝方便。

表1 傳感器主要指標(biāo)參數(shù)

圖7 傳感器分系統(tǒng)示意圖

2.2.2 數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)以及“指令”的接收和“數(shù)據(jù)和狀態(tài)反饋”的回傳，是整個(gè)裝置的重要組成部分。該分系統(tǒng)融合傳感器分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以及手持終端分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)的指令，形成包含數(shù)據(jù)標(biāo)志在內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)記錄，在本地存儲(chǔ)的同時(shí)，實(shí)時(shí)為手持終端分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共享，實(shí)現(xiàn)多方監(jiān)視控制。

如圖8 所示，數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)包括電源處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、高速無(wú)線通信單元、內(nèi)嵌軟件、電纜、殼體、固定裝置等部分，外部接口統(tǒng)一使用LEMO 插頭，保證系統(tǒng)小型化。

電源處理單元用于實(shí)現(xiàn)自供電和外部供電（9 V～36 V），同時(shí)為傳感器分系統(tǒng)供電。高速無(wú)線通信單元是實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)的核心單元，與手持終端分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)。該單元集成2.4 GWLAN 接口，符合IEEE 802.11a/b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)，支持AP 與STA 模式，功率3 W，傳輸速率高于16 Mb/s，通信距離大于20 m，工作壞境溫度為-40℃～70℃，滿足了在惡劣環(huán)境條件下使用的要求。

2.2.3 手持控制終端分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

手持控制終端分系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過程的控制和簡(jiǎn)易監(jiān)視，可替代數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)的控制功能和部分顯示功能。與數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)相比，該分系統(tǒng)提供了一種更加方便的控制操作，只是在數(shù)據(jù)展示和處理功能上不強(qiáng)大，但所有的控制和基本的數(shù)據(jù)與狀態(tài)顯示是充分的，顯示的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)的狀態(tài)（網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、電量、采集狀態(tài)等）和結(jié)果數(shù)據(jù)。手持控制終端具備自供電的能力。

如圖9 所示，手持控制終端主要由電源處理單元、高速無(wú)線通信單元、顯示單元、控制單元、實(shí)時(shí)監(jiān)控處理軟件等組成。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控或離線分析，指揮控制測(cè)試進(jìn)程，完成數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出。該分系統(tǒng)依托無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈路，通過采集控制與數(shù)據(jù)處理軟件，向數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)發(fā)送指令，并實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和顯示。該分系統(tǒng)主要由筆記本電腦、采集控制與數(shù)據(jù)處理軟件、備用電池等組成。

圖8 數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)示意圖

圖9 手持終端分系統(tǒng)示意圖

數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)的核心是采集控制與數(shù)據(jù)處理軟件，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全功能運(yùn)行的支柱。如圖10 所示，軟件主要包括系統(tǒng)標(biāo)定、網(wǎng)絡(luò)管理、測(cè)試控制、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果輸出等模塊，提供包括系統(tǒng)標(biāo)定、測(cè)試測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等完成的試驗(yàn)測(cè)試功能。

圖10 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件模塊圖

3 測(cè)試裝置使用模式

為更好地適應(yīng)實(shí)際使用，該裝置具備正常模式、降級(jí)模式、黑模式等3 種使用模式。正常模式是全系統(tǒng)模式，測(cè)試的監(jiān)控和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理依靠數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在提供良好操作界面的同時(shí)，提供更加豐富的數(shù)據(jù)顯示型式。降級(jí)模式是無(wú)數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)模式，非常適合于數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)在無(wú)法正常工作或某些無(wú)法適合其工作的環(huán)境下使用，該模式下手持終端分系統(tǒng)提供給測(cè)試人員完整的操作和簡(jiǎn)易的數(shù)據(jù)顯示。黑模式是只有在數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)和傳感器分系統(tǒng)存在的情況下的使用模式，該模式下所有的操作均依靠數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)自身的操作按鈕和狀態(tài)指示來(lái)完成測(cè)試。

4 測(cè)試精度驗(yàn)證及實(shí)測(cè)案例分析

將測(cè)試裝置按使用規(guī)程操作，傳感器部分安裝在三軸高精度速度位置轉(zhuǎn)臺(tái)上，操作轉(zhuǎn)臺(tái)其中一軸按照0.015 °/s 旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)到角度5 °時(shí)停止，時(shí)間約需要333.3 s，其角速率輸出如圖11 所示。

圖11 低角速度轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試曲線

根據(jù)數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，對(duì)這段時(shí)間內(nèi)角速率按照前面所述計(jì)算方法進(jìn)行角度計(jì)算，結(jié)果如圖12 所示。由此可以計(jì)算出相應(yīng)的角速度，如圖13 所示。

圖12 轉(zhuǎn)動(dòng)角度-時(shí)間曲線

圖13 角速度計(jì)算結(jié)果

轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試結(jié)果證明，對(duì)于0.015 °/s 的目標(biāo)角速度值，經(jīng)過333.3 s 的測(cè)量時(shí)間，其測(cè)試誤差可達(dá)到0.000 276°/s。同時(shí)可以看出，積分的角度越大，其測(cè)試誤差越小。為對(duì)比該測(cè)試裝置的實(shí)際應(yīng)用效果，在某型裝甲車輛的試驗(yàn)鑒定中，使用該裝置獲得的測(cè)試結(jié)果與高速攝像法行對(duì)比，其測(cè)試誤差高出1 個(gè)數(shù)量級(jí)，而且安裝使用方便，滿足了實(shí)際使用要求。

5 結(jié)論

本文介紹的測(cè)試裝置采用高精度微型陀螺儀作為傳感器分系統(tǒng)的核心，通過數(shù)學(xué)模型彌補(bǔ)對(duì)傳感器全程高精度的要求，實(shí)現(xiàn)了火炮角速度參數(shù)測(cè)試的便攜化、精確化、經(jīng)濟(jì)化。與傳統(tǒng)的人工測(cè)試以及其他同類測(cè)試裝置相比，本裝置成本低、操作簡(jiǎn)單、安裝方便，對(duì)操作人員要求低，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。目前，本裝置已在多個(gè)裝備型號(hào)的試驗(yàn)鑒定中得到應(yīng)用，取得了一致好評(píng)。