段長(zhǎng)林,毛聯(lián)山,王純亮

(中國(guó)人民解放軍73025部隊(duì),浙江杭州 310023)

火炮的零位零線檢測(cè)通常有三種方法:靶板法、鉛垂線法和遠(yuǎn)處參照物法.由于靶板法和鉛垂線法受地形、地質(zhì)以及風(fēng)力等氣象影響較多,一般多采用遠(yuǎn)處參照物法,此方法雖然也受地質(zhì)、氣象等影響,但相對(duì)方便,利于野外條件下使用.然而這三種方法都無法解決地質(zhì)、氣象等因素對(duì)火炮的零位零線檢測(cè)的影響.一旦地質(zhì)松軟、氣象條件惡劣,就會(huì)導(dǎo)致火炮的零位零線無法進(jìn)行檢測(cè),火炮不能射擊的情況發(fā)生.通過傳感器技術(shù)檢測(cè)火炮零位零線的方法而研制出的炮兵用零位零線檢測(cè)儀能夠較好地解決此類問題,它不依賴于外部物質(zhì),外部情況無論怎樣變化,火炮的零位零線檢測(cè)仍可進(jìn)行,并能夠在夜間實(shí)施.

目前零位零線檢查的一般過程為:火炮須停放在堅(jiān)實(shí)的基本平整的地面上,火炮打平,炮口粘貼“十”字線,車體下4角用4個(gè)千斤頂調(diào)整車體,用象限儀檢查炮尾平臺(tái)縱橫傾角,使縱橫氣泡居中火炮處于水平狀態(tài),將瞄準(zhǔn)具數(shù)碼盒歸零,用專用炮瞄鏡從炮尾處通過炮口“十”字線瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)處參照物,再通過瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)此參照物,二者誤差通過讀取數(shù)碼盒數(shù)值獲得.

這種零位零線檢查須滿足以下三個(gè)條件:①地面堅(jiān)實(shí)且基本平整;②1 500 m外應(yīng)有合適的參照物;③能見度較好.3個(gè)條件在野外環(huán)境下有時(shí)較難滿足,如駐訓(xùn)在多雨季節(jié)的南方野外,常常遇到地面松軟的條件;駐訓(xùn)在遠(yuǎn)離城區(qū)的鄉(xiāng)村,缺少合適的高大建筑等參照物.此外,觀測(cè)遠(yuǎn)方瞄準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)易受霧、雨、雪、風(fēng)等影響能見度,零位零線檢查夜間實(shí)施困難.

1 利用傳感器技術(shù)檢測(cè)火炮零位零線的方法

1.1 零位零線的定義

火炮的零位是指火炮身管軸線與大地水平面平行,瞄準(zhǔn)具縱橫氣泡居中,數(shù)碼盒歸零.

火炮的零線是指火炮瞄準(zhǔn)具的瞄準(zhǔn)線與火炮身管軸線平行.

1.2 火炮零位零線基準(zhǔn)

火炮零位零線檢查方法基于以下兩點(diǎn):

1)火炮零位基于大地水平面.火炮自身重量對(duì)地面地質(zhì)狀況提出了較高的要求,堅(jiān)實(shí)平整的地面可保證在炮尾平臺(tái)調(diào)平、檢測(cè)過程中地面無變形,易于調(diào)平,不致影響零位零線檢查精度.

2)零線檢查基于火炮身管軸線.選擇遠(yuǎn)方合適的參照物或正確的標(biāo)靶是能否保證零線精度的關(guān)鍵點(diǎn).遠(yuǎn)方參照物要求距炮口不小于1 500m,不能受風(fēng)向、風(fēng)力影響,參照物上要有明顯的固定參照點(diǎn).

1.3 用傳感器實(shí)現(xiàn)零位零線檢測(cè)的原理

角度傳感器能夠感知相對(duì)于水平面的傾斜角度,主要用來測(cè)定火炮身管指向與大地水平面的夾角;標(biāo)靶主要用來測(cè)定瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)線與火炮身管平行度.此種檢測(cè)方法不需調(diào)平火炮,身管可處于任一位置,并能夠滿足火炮零位零線檢測(cè)的指標(biāo)要求.火炮零位零線檢測(cè)儀示意如圖1所示.其中硬件系統(tǒng)是由傳感器信號(hào)采集與處理器、顯示器以及電池、殼體等構(gòu)成.

圖1 火炮零位零線檢測(cè)儀示意圖Fig.1 Schematic draw ing of artillery zero-spots and zero-lines detector

圖2 標(biāo)靶與火炮瞄具及身管中心線的關(guān)系Fig.2 Relationship among target poin t,gun centerline and target sigh t

其主要原理是:

1)標(biāo)靶與火炮瞄具及身管中心線的關(guān)系.假設(shè)A點(diǎn)為間瞄鏡,B點(diǎn)為直瞄鏡,C點(diǎn)為火炮身管軸線,A1B1C1分別為ABC在標(biāo)靶上對(duì)應(yīng)的點(diǎn),若 △ABC≌ △A1B1C1,△ABC//△A1B1C1,則AA1//BB1//CC1.如圖2所示.

據(jù)此,安裝零位零線檢測(cè)儀(參見圖 4、圖5),此時(shí)標(biāo)靶固定在炮口,與身管軸線垂直,標(biāo)靶上的“十”字線中心與身管軸線的相對(duì)位置和瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)中心線與身管軸線的相對(duì)位置等同,以身管軸線為中心軸,調(diào)整標(biāo)靶方向,使標(biāo)靶橫向傾角(與身管軸線垂直的方向)與炮尾平臺(tái)橫向傾角一致,瞄準(zhǔn)具分劃和數(shù)碼盒歸零后,操縱瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)標(biāo)靶上對(duì)應(yīng)的“十”字線,此時(shí)檢查瞄準(zhǔn)具高低數(shù)碼盒裝定值與傳感器縱傾角顯示值是否相同,方向數(shù)碼盒是否為零.瞄準(zhǔn)具高低數(shù)碼盒裝定值與傳感器縱傾角顯示值的差即

為高低誤差,瞄具方向數(shù)碼盒顯示的值為方向誤差,直瞄鏡誤差由分劃讀取,由此可檢測(cè)零線誤差.

圖3 傳感器與火炮身管的關(guān)系Fig.3 Relationship betw een Sensor and gun barrel

2)傳感器與火炮身管的關(guān)系.當(dāng)火炮處于任意角度 α?xí)r(參見圖 3),此時(shí)傳感器傾角設(shè)為 β,根據(jù)傳感器安裝位置,無論火炮身管指向何方,火炮身管軸線與傳感器零位線都是垂直的,由于火炮和傳感器都是以大地水平線為基準(zhǔn)的,由幾何學(xué)可知:α=β.因此,傳感器顯示的角度就是火炮身管軸線與水平線的夾角.

由此可推出:若瞄準(zhǔn)具分劃和數(shù)碼盒歸零后,操縱瞄準(zhǔn)具瞄準(zhǔn)標(biāo)靶上對(duì)應(yīng)的“十”字線,將角度傳感器安裝在標(biāo)靶總成上,那么角度傳感器顯示的縱向角度(身管軸線方向)就是身管軸線與大地水平面的夾角,將從炮口傳感器獲得的縱傾角與瞄準(zhǔn)具裝定的表尺值進(jìn)行比較,差值為高低誤差,方向誤差值直接由方向數(shù)碼盒或分劃讀取,因此可檢測(cè)火炮的零位誤差.

利用此方法檢測(cè)零位零線時(shí),①不受地質(zhì)影響;②不必另外尋找參照物;③基本不受氣象如霧、雨、雪、風(fēng)等的影響;④使零位零線檢查在夜間實(shí)施成為可能.

2 炮兵用零位零線檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)

基于傳感器技術(shù)和火炮零位零線定義及其基準(zhǔn)而研制的炮兵用零位零線檢測(cè)儀,它通過角度傳感器縱向傾角值與瞄具標(biāo)尺裝定值的比較能夠確定火炮零位的偏差量;通過標(biāo)靶、瞄具與身管軸線的對(duì)應(yīng)關(guān)系能夠確定火炮零線的偏差量,為火炮精確射擊提供準(zhǔn)確的修正量數(shù)據(jù),能夠滿足零位零線檢測(cè)的指標(biāo)要求.

2.1 零位零線檢測(cè)儀組成

本方案由定位器、標(biāo)靶總成、可調(diào)亮度投射光源、傳感器、電源、用于對(duì)傳感器信號(hào)采集和處理的電路與程序、減速器、顯示器、炮尾平臺(tái)標(biāo)定器等組成.采用雙電源供電模式,外部電源輸入24 V,本機(jī)鋰電池自供12 V.

其總體安裝結(jié)構(gòu)示意如圖4和圖5所示.

圖4 總體安裝結(jié)構(gòu)示意圖(正視圖)Fig.4 The w hole assembly diagram(Front V iew)

圖5 總體安裝結(jié)構(gòu)示意圖(剖視圖)Fig.5 The w hole assemb ly diagram (Cutaw ay view)

2.1.1 角度傳感器的選用

角度傳感器主要用于火炮身管的縱橫傾角測(cè)量和炮尾平臺(tái)的橫傾角測(cè)量.考慮到自行火炮的運(yùn)用環(huán)境和攜帶的方便性,因此要求其穩(wěn)定性好,可抗一般性沖擊,溫度特性好.

芬蘭VTI公司生產(chǎn)的硅基加速度傳感器SCA 100T工作可靠,測(cè)量精度高.它和C8051F單片機(jī)能構(gòu)成一個(gè)測(cè)量模塊,嵌入到控制系統(tǒng)中.SCA 100T主要性能指標(biāo):雙軸測(cè)量;測(cè)量范圍1.7 g;測(cè)量靈敏度1.2 V/g;+5 V單電源供電,兩個(gè)比例電壓輸出(模擬).優(yōu)勢(shì)是長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,溫度特性優(yōu)良,抗沖擊能力強(qiáng).

2.1.2 定位器及標(biāo)靶總成設(shè)計(jì)

定位器采用雙環(huán)同軸設(shè)計(jì),內(nèi)定位環(huán)與身管內(nèi)膛配合,外定位環(huán)外表面與軸線成5°內(nèi)斜,一是定位,二是限位.為避免刮傷身管內(nèi)膛,使用前定位器雙環(huán)涂覆鋰基潤(rùn)滑脂.采用雙環(huán)的目的是便于針對(duì)不同口徑的火炮,替換雙環(huán).

標(biāo)靶、傳感器安裝平臺(tái)等部件安裝焊接在一起,構(gòu)成標(biāo)靶總成.標(biāo)靶與定位器軸相互垂直,標(biāo)靶上兩個(gè)“十”字線中心分別對(duì)應(yīng)火炮間瞄鏡和直瞄鏡.標(biāo)靶使用輕質(zhì)材料,瞄準(zhǔn)“十”字用熒光粉繪制,“十”字下部安裝有可調(diào)亮度投射燈,利于能見度較低或夜間使用.

2.1.3 減速器

減速器為自鎖式減速器,主要用于標(biāo)靶角度調(diào)整和將標(biāo)靶總成固定于炮口上.在調(diào)整標(biāo)靶時(shí)要求要以低的速度、較少的時(shí)間準(zhǔn)確調(diào)整到位并固定.使用減速器的目的就是在施加外力時(shí)速度較快,而標(biāo)靶運(yùn)動(dòng)相對(duì)較低,以利于減少調(diào)整時(shí)間和降低重復(fù)調(diào)整率.

圖6 部分電路示意圖Fig.6 Schem atic draw ing of par t electric circuit

2.1.4 炮尾平臺(tái)標(biāo)定器

炮尾平臺(tái)標(biāo)定器主要由傳感器、防滑平臺(tái)、電纜、軟硬件及顯示器構(gòu)成,主要用于檢測(cè)炮尾平臺(tái)的橫向傾角,為調(diào)整標(biāo)靶方向提供依據(jù).

2.2 系統(tǒng)電路的實(shí)現(xiàn)

硬件電路可分為供電電路,角度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集與輸出等,采用寬電源供電,經(jīng)電源變換后分為兩路,一路是由精密穩(wěn)壓芯片REF195輸出高穩(wěn)定的 5 V電壓,專為傳感器供電,以提高傳感器的輸出穩(wěn)定性;另一路由LM2937輸出的3.3 V電源,為單片機(jī)系統(tǒng)提供工作電源.其相關(guān)部分電路框圖參見圖6.

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)使用C51進(jìn)行程序設(shè)計(jì),使用模塊化結(jié)構(gòu),條理清楚.其功能是讀取雙軸測(cè)量數(shù)據(jù);完成電壓-角度的變換;輸出數(shù)據(jù)的修正;數(shù)據(jù)輸出的軟件濾波;接受串口命令,輸出測(cè)量數(shù)據(jù).系統(tǒng)流程圖參見圖7.

根據(jù)器件手冊(cè),角度傳感器SCA 100T輸出的電壓值與角度有以下關(guān)系:

式中:α為角度;Dout為傳感器電壓的數(shù)字量輸出;Sens是傳感器的靈敏度.

2.4 提高精度措施

SCA 100T非常敏感,電源波動(dòng)或安裝使用期間的震動(dòng)對(duì)輸出值的精度都有很大的影響;在安裝時(shí)可能與基準(zhǔn)面存在一定的角度,這些都會(huì)造成測(cè)量值的零點(diǎn)偏差.經(jīng)過試驗(yàn)和分析,主要通過以下方法提高穩(wěn)定性和可靠性:

2.4.1 供電電路設(shè)計(jì)

供電電壓不穩(wěn)定可直接造成輸出的比例誤差,最大值可達(dá)到2%.如果電源過載則使傳感器供電不足而造成波動(dòng).系統(tǒng)增加電源輸入保護(hù)電路,防止電源輸入過載.采用高精度 REF195單獨(dú)給傳感器供電,能有效地減小電源的波動(dòng)對(duì)輸出的影響.

在電路板的設(shè)計(jì)上,傳感器電源和地之間加上10 nF的濾波電容,在模擬輸出端加上10 nF的濾波電容,也可以減小紋波電壓,從而減小了輸出誤差;工作在嵌入系統(tǒng)中時(shí),給這一部分電路加上鐵殼進(jìn)行電磁屏蔽,減小其他工作電路或周圍環(huán)境對(duì)它的影響.

2.4.2 軟件濾波

在單片機(jī)內(nèi)RAM中設(shè)定一個(gè)數(shù)組,用來存儲(chǔ)解算后的角度值.利用堆棧的原理將數(shù)組中新的測(cè)量值更新,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和平均后輸出.這樣雖然輸出有一定的滯后,但可以減小輸出波動(dòng).

2.4.3 零點(diǎn)校正

傳感器在安裝時(shí),不可避免地會(huì)有一些傾斜角度,從而造成零點(diǎn)誤差.傳感器在安裝固定好后,在三維轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)定,測(cè)出它兩個(gè)方向的零點(diǎn)誤差值,作為一個(gè)常數(shù)值存入Flash芯片中,MCU把得到的測(cè)量值減去零點(diǎn)誤差再輸出,可基本消除零點(diǎn)誤差引起的測(cè)量誤差.

2.4.4 溫度補(bǔ)償

圖7 程序流程圖Fig.7 Program flow chart

傳感器的輸出值同樣受到溫度的影響.SCA 100T內(nèi)部帶有溫度傳感器,在大多數(shù)情況下不需要溫度補(bǔ)償.當(dāng)傳感器工作在極限溫度時(shí),可由MCU根據(jù)內(nèi)溫進(jìn)行補(bǔ)償,溫度的實(shí)際值由式(1)算出:

式中:為傳感器的輸出值.

3 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

1)使用某一型號(hào)的自行火炮進(jìn)行驗(yàn)證.用靶板法檢測(cè)出一門該型號(hào)自行火炮準(zhǔn)確的零位零線偏差,其結(jié)果為直瞄鏡方向偏差 +0.1 mil,表尺偏差 -0.2 m il,間瞄鏡表尺偏差 -0.2m il(根據(jù)前面的分析,間瞄鏡方向偏差不必檢測(cè)).之后在該門火炮上安裝炮兵用零位零線檢測(cè)儀進(jìn)行驗(yàn)證,調(diào)炮數(shù)據(jù)見表1.

2)測(cè)試結(jié)果.①在堅(jiān)實(shí)地面上測(cè)試的結(jié)果見表2.②在松軟地面上測(cè)試結(jié)果見表3.

表1 火炮調(diào)炮諸元數(shù)據(jù)Tab.1 Ar tillery aim ing direction m il

表2 在堅(jiān)實(shí)地面上的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.2 Data of test result on the hard ground m il

從表3中數(shù)據(jù)可分別計(jì)算出傳感器縱傾角與火炮裝定諸元表尺的差值(偏差)、間瞄鏡表尺與傳感器縱傾角的差值(偏差).本次測(cè)試結(jié)果,傳感器顯示縱傾角數(shù)值與火炮裝定諸元最大偏差為 -0.3 mil,為調(diào)炮精度誤差;間瞄鏡表尺與傳感器縱傾角的差值(偏差)為一固定值 -0.2mil,和用靶板法測(cè)出的間瞄鏡表尺偏差相同;直瞄鏡方位和表尺的分劃顯示為固定值,其數(shù)值與用靶板法測(cè)出的直瞄鏡表尺偏差相同.因此,利用傳感器技術(shù)研制的炮兵用零位零線檢測(cè)儀能夠滿足火炮射擊前檢查的使用要求.

表3 在松軟地面上的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.3 Data of test result on the soft ground m il

4 結(jié) 論

通過利用傳感器技術(shù)檢測(cè)火炮零位零線的方法研制的炮兵用零位零線檢測(cè)儀,從設(shè)計(jì)到加工都做到了最大可能的優(yōu)化,同時(shí)也充分考慮了適用面和使用者的使用方便性,在選型時(shí)充分考慮了工況條件.與傳統(tǒng)方式相比,耗時(shí)短、準(zhǔn)確率高.實(shí)踐證明,該炮兵用零位零線檢測(cè)儀能夠滿足火炮在射擊前進(jìn)行零位零線檢查的實(shí)際要求,能為火炮實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打擊提供可靠的技術(shù)保障.

[1] 蘇美開.應(yīng)用激光技術(shù)檢查火炮的零位零線[J].光學(xué)技術(shù),1999(3):80-81.

Su Meikai.Laser technology be used forexam ing zero-spotsand zero-linesof guns[J].Optical Technique,1999(3):80-81. (in Chinese)

[2] 陶衛(wèi),浦昭邦,孫運(yùn)斌.角度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展[J].激光雜志,2002,23(2):5-7.

Tao Wei,Pu Zhaobang,Sun YunBin.The developmentof anglemeasurement technique[J].Laser Journal,2002,23(2): 5-7.(in Chinese)

[3] 穆存遠(yuǎn),張璋.可拆卸產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法初探[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2012,25(1):13-15.

Mu Cunyuan,Zhang Zhang.Themethod discussion of removable product design[J].Development&Innovation of Machinery,2012,25(1):13-15.(in Chinese)

[4] 深圳浦江機(jī)電有限公司.蝸輪蝸桿減速機(jī)的特點(diǎn)及適用范圍[EB/OL].[2012-03-20].http://www.szpujiang.com/ newsInfo57.htm l.

[5] 王春艷 ,王志堅(jiān).火炮炮管靜態(tài)定向角測(cè)量系統(tǒng)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2004,25(6):669-671.

Wang Chunyan,Wang Zhijian.A measuring system for artillery static direction ang les[J].A cta A rmamentarii,2004,25 (6):669-671.(in Chinese)

[6] 喻冬梅,王子薇,王后平.艦用微波天線穩(wěn)定平臺(tái)傾角傳感器應(yīng)用研究[J].電子機(jī)械工程,2010,26(1):60-61.

Yu Dong mei,Wang Ziwei,Wang Houping.A study on application of tilt sensor for stable p latform of navalm icrow aveantenna[J].Electro-Mechanial Engineering,2010,26(1):60-61.(in Chinese)

[7] VTI technologies.SCA100T Series[EB/OL].[2005-09-15].http://htm l.alldatasheetcn.com/htm l-pdf/193816/VTI/ SCA100T/54/1/SCA100T.html.

[8] 余小平,庹先國(guó),王洪輝.基于SOC的高精度傾角測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010,18(12):34-37.

Yu Xiaoping,Tuo Xianguo,Wang Honghui.Design of high-accuracy tilt anglemeasurement system based on SOC[J]. Electro-Mechanial Engineering,2010,18(12):34-37.(in Chinese)

[9] 段曉敏,李杰,劉文怡,等.基于MEMS加速度計(jì)的數(shù)字傾角測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(8):71-72.

Duan Xiaom in,Li Jie,Liu Wenyi,et al.Design of digital dipmeter based on MEMS accelerometer[J].Electronic Design Engineering,2009,17(8):71-72.(in Chinese)

[10] 郭俊岑,周浚哲,唐健.基于單片機(jī)的坦克火控調(diào)試臺(tái)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(3): 70-73.

Guo Juncen,Zhou Xunzhe,Tang Jian.A study of automatic controlling system for adjusting level in tank firepower control tester-platform based on single-chipm icrocontroller[J].Transactions of Shenyang Ligong University,2006,25(3):70-73.(in Chinese)