劉東輝，劉 浩，孫曉云，奚樂樂，邊玲玲

(1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北石家莊 050018； 2.石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北石家莊 050043)

裝甲車輛模擬射擊中身管角度采集裝置設(shè)計

劉東輝1，劉 浩1，孫曉云2，奚樂樂1，邊玲玲1

(1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北石家莊 050018； 2.石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北石家莊 050043)

設(shè)計并實現(xiàn)了裝甲車輛實裝模擬射擊訓(xùn)練中通用型身管角度采集裝置。該裝置是通用型實裝模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的一個測量部件。詳細闡述了該裝置的實現(xiàn)原理和方法。裝置在傾斜角和俯仰角的采集中采用ADXL345三軸加速度計來達到高精度的要求，在方位角采集中采用槽光耦和光柵盤為核心的計數(shù)單元進行角度測量。裝置對采集到的身管各個角度數(shù)據(jù)進行了角度解算，最終通過串行接口和LCD等多種形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和顯示。

角度測量; ADXL345三軸加速度計; 槽光耦; 數(shù)據(jù)采集

中國已經(jīng)列裝在裝甲機械化部隊的武器裝備與現(xiàn)有的武器模擬訓(xùn)練器材相比，發(fā)展不平衡，使得培訓(xùn)駕馭現(xiàn)代裝備人才的難度增大，消耗增多，極大地制約了部隊作戰(zhàn)能力的快速提升。針對這一問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一套以STC5A60S2為控制核心，以ADXL345加速度傳感器芯片[1]和槽光耦計數(shù)模塊為采集單元的身管角度采集裝置。作為各型車載武器裝備通用的身管角度測量裝置，通過顯示屏和數(shù)字串行接口等多種形式[2]，構(gòu)成通用型實裝模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的一個測量部件。

1 原理及用途

通用型實裝模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 通用型實裝模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of universal mounting simulated shooting training system

在訓(xùn)練開始時，將ADXL345三軸加速度計固定在與車體平行的身管位置上，在啟動整個系統(tǒng)前，通過觀察裝甲車輛內(nèi)部機械指示裝置，將身管搖至0°俯仰角和0°方位角(相對于車體)，系統(tǒng)上電后，裝置測得整個車體的絕對傾斜角和絕對俯仰角(絕對俯仰角和絕對傾斜角是針對地球直角坐標(biāo)系而言)，將其傳輸給目標(biāo)顯示裝置進而完成系統(tǒng)初始化。其中，裝置傳輸給目標(biāo)顯示裝置和成績判定裝置的數(shù)據(jù)是不同的。

2 硬件設(shè)計

整個裝置分為2部分：第1部分是身管絕對俯仰角、絕對傾斜角和方位角的變化量的采集;第2部分是將采集的數(shù)據(jù)在LCD上顯示并通過數(shù)字串行接口進行傳輸。絕對俯仰角、絕對傾斜角采集工作由ADXL345三軸加速度計完成，方位角的變化量的采集工作由槽光耦計數(shù)模塊完成，顯示工作由LCD1602實現(xiàn)。

2.1身管絕對俯仰角、絕對傾斜角的采集

ADXL345加速度傳感器芯片[3]與單片機的硬件連接電路如圖2所示。

圖2 ADXL345與單片機連接電路圖Fig.2 ADXL345 and MCU connection schematic

裝置利用ADXL345數(shù)字加速度計[4]所采集的三軸重力加速度數(shù)據(jù)的反正切函數(shù)來計算相應(yīng)的身管俯仰角和傾斜角[5]。通過角度的正負值來區(qū)分身管與初始位置的偏離方向。身管角度是以密位(mil)為單位，360°為6 283 mil，在中國將其取整，一般認為360°為6 300 mil，則1°為17.5 mil，1 mil約為0.057°。

2.2方位角變化量的采集

以槽光耦[6]和光柵盤為核心的計數(shù)單元分為兩部分，如圖3和圖4所示[7]，固定有槽光耦的手握部分(以下簡稱手柄)和光柵盤部分。因為手柄旋轉(zhuǎn)一圈所對應(yīng)的身管轉(zhuǎn)動角度是固定不變的，所以將方位角變化量的測量轉(zhuǎn)化為手柄與光柵盤相對運動的圈數(shù)的測量。手柄起始回差值通過訓(xùn)練開始時的校準在軟件中消除。

圖3 槽光耦與光柵盤Fig.3 Grating disk with groove coupler

圖4 手柄整體圖形Fig.4 Handle global shapes

身管方位角變化量的采集硬件電路[8]如圖5所示。

圖5 槽光耦與單片機連接電路圖Fig.5 Groove coupler and MCU connection schematic

圖6 槽光耦計數(shù)過程時序圖Fig.6 Timing diagram of groove coupler reading process

如圖6所示，在槽光耦計數(shù)過程中,當(dāng)右側(cè)槽光耦先出現(xiàn)高電平時，說明手柄向右轉(zhuǎn)動，當(dāng)左側(cè)槽光耦先出現(xiàn)高電平時，說明手柄向左轉(zhuǎn)動。每次旋轉(zhuǎn)手柄時都將判斷身管轉(zhuǎn)動方向，在擊發(fā)后整合記錄身管轉(zhuǎn)動方向和角度。由于槽光耦在有無遮擋時電位變化較為緩慢，不清晰，所以采用了一款74HC14高速CMOS器件，它可將緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換成清晰的輸出信號[9]。

2.3裝置總體硬件電路

裝置總體硬件電路圖[10]如圖7所示。

圖7 裝置總體硬件電路圖Fig.7 Overall hardware circuit device

2.4實際角度計算

1)身管俯仰角、傾斜角的角度計算 設(shè)采集到的三軸加速度數(shù)據(jù)分別為x，y，z。系統(tǒng)上電后，角度采集裝置將車輛初值傳輸給目標(biāo)顯示裝置，其按初值改變。目標(biāo)圖像按初值改變的過程即為在實際坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變換到地球直角坐標(biāo)系的過程。如圖8和圖9實際坐標(biāo)系(身管豎軸方向為Z軸方向，耳軸的方向為Y軸的方向，身管的方向為X軸方向),坐標(biāo)需要經(jīng)過2次旋轉(zhuǎn)，1次繞X軸旋轉(zhuǎn)，1次繞Y軸旋轉(zhuǎn)。坐標(biāo)繞X軸旋轉(zhuǎn)α角(車體傾斜角)的基變換矩陣[11]和坐標(biāo)繞Y軸旋轉(zhuǎn)β角(身管俯仰角)的基變換矩陣分別為

圖8 坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)Fig.8 Coordinate system rotation around the X-axis

圖9 坐標(biāo)系繞Y軸旋轉(zhuǎn)Fig.9 Coordinate system rotation around the Y-axis

(1)

坐標(biāo)的變換運算公式為

[x*y*z*1]=[xyz1]×HR。

(2)

式(2)中x*，y*，z*分別表示坐標(biāo)系變換后裝置采集的三軸加速度數(shù)據(jù)。HR[12]為繞任意軸的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，它可由基變換矩陣組合而成，其求解方法為

(3)

式(3)表示實際坐標(biāo)系中的坐標(biāo)先繞X軸旋轉(zhuǎn)α角，然后再繞Y軸旋轉(zhuǎn)β角。

根據(jù)式(2)和式(3)解得：

(4)

采集后得到的絕對傾斜角φ和絕對俯仰角γ的計算公式為

(5)

φ，γ為坐標(biāo)在地球直角坐標(biāo)系中經(jīng)綜合解算后得到的絕對傾斜角和絕對俯仰角。其中當(dāng)φ≥0°時，車身整體向右傾斜φ；當(dāng)φ<0°時，車身整體向左傾斜-φ。當(dāng)γ≥0°時，身管仰角為γ；當(dāng)γ<0°時，身管俯角為-γ。式(5)為系統(tǒng)上電后測量裝置傳輸給目標(biāo)顯示裝置的初始值，此為系統(tǒng)初始化過程。

2)身管方位角(身管相對車體的轉(zhuǎn)動角度)的變化量計算 在列裝的裝甲車輛中，各型裝甲車輛手柄轉(zhuǎn)動一周最多8 mil，因此設(shè)計光柵盤的槽數(shù)為16個。系統(tǒng)初始化后，手柄向右轉(zhuǎn)動1個槽時，槽光耦計數(shù)加1，手柄向左轉(zhuǎn)動1個槽時，槽光耦計數(shù)減1，最終得到槽光耦相對計數(shù)值r，則身管相對車體方位角變化量λ為0.5×r。

系統(tǒng)初始化后，可進行裝甲車輛靜止?fàn)顟B(tài)下射擊訓(xùn)練，訓(xùn)練過程中測量裝置向目標(biāo)顯示裝置傳輸數(shù)據(jù)為

(6)

式(6)中φ，γ，λ分別為變換了坐標(biāo)系后裝置經(jīng)過綜合結(jié)算得到的身管絕對俯仰角、絕對傾斜角、方位角變化量。其中，用于成績判定裝置的數(shù)據(jù)是每個目標(biāo)的φ，λ值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

裝置選用Keil Vision2作為軟件的開發(fā)工具[13]。圖10為身管絕對俯仰角和絕對傾斜角采集、傳輸及顯示的流程圖。圖11為方位角測量時計數(shù)程序流程圖。ADXL345三軸加速度計與單片機的通信采用I2C通信[14]。在實時數(shù)據(jù)讀取后轉(zhuǎn)化成相應(yīng)角度值并在LCD上顯示，以及通過串行接口進行傳輸[15]。

圖10 身管俯仰角和傾斜角采集、傳輸、顯示流程圖Fig.10 Barrel pitch angle and tilt angle collection,transmission,display flowchart

圖11 計數(shù)程序流程圖Fig.11 Flowchart of counting program

流程圖中Flag表示正反轉(zhuǎn)判斷標(biāo)志位，初值Flag=1，Num表示槽光耦計數(shù)值，在計數(shù)程序中根據(jù)捕獲0或捕獲1的捕獲順序判斷手柄正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。規(guī)定先觸發(fā)捕獲0再觸發(fā)捕獲1為手柄正轉(zhuǎn)方向，Num值加1，反之Num值減1，單獨觸發(fā)捕獲0或捕獲1，Num值不變。

4 裝置性能測試及結(jié)果分析

4.1裝置性能測試

裝置的設(shè)計是為了測量身管從規(guī)定的起始位置(一般為裝甲車輛內(nèi)部機械指示裝置0°處)移動到指向目標(biāo)的位置時身管各個角度的變化，而不需要測量出目標(biāo)的具體方位角度。因此設(shè)計實驗方法是由教練人員多次操作身管指向同一目標(biāo)，采集身管綜合解算后的俯仰角和方位角變化量，觀察數(shù)據(jù)浮動范圍，進而判斷裝置精確度。各方向角的允許誤差范圍為±2 mil(誤差的規(guī)定根據(jù)具體目標(biāo)而定)。測量的角度值精度保留到小數(shù)點后一位。如果在對同一目標(biāo)多次射擊的結(jié)果分布在裝置允許的誤差范圍內(nèi)，說明裝置性能能夠達到設(shè)計要求。部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量誤差范圍表格Tab.1 Measurement error range form

圖12 射擊訓(xùn)練結(jié)果分布圖Fig.12 Distribution of shooting training results

圖12是裝甲車輛射擊訓(xùn)練中對不同的6個目標(biāo)(絕對角度值已知)進行多次射擊中采集裝置采集數(shù)據(jù)的分布圖。

4.2結(jié)果分析

1)通過ADXL345加速度計進行的身管俯仰角測量，其值是通過2個軸向之間的反正切值得到，在反正切函數(shù)取值范圍內(nèi)存在一定誤差。

2)方位角的測量是通過計數(shù)模塊完成的，光柵盤的設(shè)計不能完全精確地記錄手柄旋轉(zhuǎn)的密位個數(shù)，加上手柄存在回差，雖然通過軟件消除但回差值存在一定的浮動范圍。

3)由于目標(biāo)靶位不是單一的一點，是一定范圍的真實物體，而實際的角度值是按照目標(biāo)靶位所在點計算得出。

5 結(jié) 語

裝甲車輛模擬射擊訓(xùn)練中身管角度采集裝置的設(shè)計采用STC12C5A60S2型號單片機為控制單元，通過ADXL345加速度計和以槽光耦和光柵盤為核心的手柄為采集單元。該裝置實現(xiàn)了對模擬射擊訓(xùn)練身管角度的采集，通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換相關(guān)公式進行綜合解算，測量出裝甲車輛每次擊發(fā)后身管角度，并將解算結(jié)果顯示在LCD上以及通過數(shù)字串行接口將解算數(shù)據(jù)傳輸給外圍部件，最終實現(xiàn)模擬射擊訓(xùn)練。通過實驗測試，各項精度參數(shù)滿足要求。其主要特點如下：

1)裝置的設(shè)計實現(xiàn)了裝甲車輛模擬訓(xùn)練過程中的通用化，安裝簡便，有效地節(jié)約了訓(xùn)練器材的消耗。

2)裝置的設(shè)計沒有改變訓(xùn)練過程中實際操作對象，使得完成模擬訓(xùn)練和實際操作完全一樣，提高了訓(xùn)練效率。

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Design of barrel angle acquisition device in the simulated shooting of armored vehicles

LIU Donghui1, LIU Hao1, SUN Xiaoyun2, XI Lele1, BIAN Lingling1

(1. School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China)

The universal measurement device for barrel angle acquisition in the simulated fire training of armored vehicles is designed and implemented. The device eventually becomes a measurement element in universal mounting simulated shooting training system. This paper presents the principles and methods of this device in details. The ADXL345 three-axis accelerometer is adopted in the tilt and pitch angles' acquisition of this device to achieve high accuracy requirements. In the measurements of azimuth angle, the groove coupler and grating disk are used as the core counting elements for the angle's measurement. The solving process is conducted in the device for the collected data of each angle of the barrel, and the data transfer and display are achieved though serial interface or LCD.

angle measurement; ADXL345 three-axis accelerometer; groove coupler; data collection

2014-03-09；

2014-03-28；責(zé)任編輯：陳書欣

河北省科技廳計劃項目(13205002D)

劉東輝(1971-)，男，山西晉城人，教授，博士，主要從事電器信息檢測與信息處理技術(shù)方面的研究。

E-mail：liudh@hebust.edu.cn

1008-1542(2014)04-0376-08

10.7535/hbkd.2014yx04012

TP274

A

劉東輝，劉 浩，孫曉云，等.裝甲車輛模擬射擊中身管角度采集裝置設(shè)計[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2014,35(4):376-383.

LIU Donghui, LIU Hao, SUN Xiaoyun, et al.Design of barrel angle acquisition device in the simulated shooting of armored vehicles [J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(4):376-383.