李亞楠，王金柱，馬繼存，孫文理

(1.軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，河北 石家莊050003;2.76316 部隊，廣東 河源517300)

0 引 言

彈道參數(shù)測量是彈道修正的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1，2］。根據(jù)彈道唯一性理論，初速、射角和彈道系數(shù)可以確定出一條彈道。根據(jù)43 年阻力定律，初速在音速以下的迫擊炮彈彈道系數(shù)可以看做是個常數(shù)。因此，只要測量出初速和射角就可以預(yù)測出整條彈道，為實現(xiàn)彈道修正提供依據(jù)。目前，國內(nèi)外研究的彈道辨識方法［3～6］主要集中在通過測得特殊時刻速度的方法來推導(dǎo)出初速區(qū)間，進(jìn)而確定射角區(qū)間，經(jīng)過循環(huán)迭代來縮小區(qū)間，從而得到初速和射角。這些方法采用的彈道參數(shù)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但是辨識流程相對復(fù)雜，迭代容易產(chǎn)生累積誤差，從一定程度上限制了這類方法的實際應(yīng)用。

本文以初速和射角分開進(jìn)行辨識為設(shè)計思路，在借鑒其他 測 量 系 統(tǒng) 設(shè) 計 的 基 礎(chǔ) 上［7～10］，設(shè) 計 了 一 種 基 于C8051F352 單片機(jī)的彈道參數(shù)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用差壓和絕壓傳感器采集彈丸所受的動壓和靜壓數(shù)據(jù)，經(jīng)C8051F352 單片機(jī)進(jìn)行處理，得到初速和射角，為彈道修正提供數(shù)據(jù)支撐。

1 測量系統(tǒng)工作原理

1.1 彈道參數(shù)測量方案

基于對現(xiàn)有彈道參數(shù)測量方法問題的分析，在彈道初始段，將初速和射角分開進(jìn)行測量，避免由于循環(huán)迭代產(chǎn)生累積誤差，提高彈道參數(shù)測量的精度和彈道解算的速度。本文提出的彈道參數(shù)測量方案，如圖1 所示。

圖1 彈道參數(shù)測量方案圖Fig 1 Trajectory parameters measuring scheme

1.2 初速的測量

利用差壓傳感器獲取彈道初始段的彈丸所受動壓，得到一組彈丸飛行時間和動壓數(shù)據(jù)(pdi，ti)。通過單片機(jī)進(jìn)行多項式擬合，求得多項式系數(shù)ai

將t=0 代入多項式，即可求得初速pd0=a0。

根據(jù)空氣動力學(xué)原理，按照標(biāo)準(zhǔn)氣象條件有［11］

式中 v 為標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下的海平面處的音速;p0為標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下海平面的大氣壓，則

1.3 射角的測量

利用絕壓傳感器獲取彈道初始段彈丸所受的靜壓psi(即大氣壓pi)，得到一組彈丸飛行時間和靜壓數(shù)據(jù)(psi，ti)。通過單片機(jī)進(jìn)行多項式擬合，求得多項式系數(shù)bi

由外彈道模型中

則

將t=0 代入多項式，即可求得速度的垂直分量的初始值

再利用1.2 中式(3)測量出的初速v0，得到射角

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測量系統(tǒng)組成與工作原理

本文設(shè)計了以C8051F352 單片機(jī)為核心的彈道參數(shù)測量系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。差壓傳感器和絕壓傳感器感受彈丸所受的動壓和靜壓，并分別將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號。經(jīng)信號調(diào)理電路，對差壓、絕壓傳感器的輸出信號進(jìn)行濾波和放大。A/D 轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過調(diào)理電路后的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并送入解算控制單元，最后，由解算控制單元通過執(zhí)行內(nèi)部解算程序，解算出測量的動壓和靜壓，進(jìn)而得到初速和射角。

圖2 測量系統(tǒng)組成硬件原理框圖Fig 2 Hardware principle block diagram of measurement system constitution

2.2 測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.2.1 壓力傳感器

本設(shè)計選用GE 公司NPC—1220—15D 型差壓傳感器和NPC—1220—15A 型絕壓傳感器。量程為0 ～10psi(1 psi=1bf/in2)=6 894.76 Pa，非線性誤差為±0.1%FSO，壓力遲滯為±0.1%FS，工作溫度為－40 ～125 ℃。該傳感器具有優(yōu)良的溫度特性，溫度補償范圍為0 ～60 ℃。其體積小、精度高、功率小、頻率響應(yīng)高等特點非常適用于飛行速度測量需求。

2.2.2 信號調(diào)理電路

經(jīng)仿真分析可知，在0 ～1.5 s 內(nèi)，動壓在1.51 ～54.03 kPa范圍內(nèi)變化，靜壓在94.94 ～101.33 kPa 范圍內(nèi)變化，差壓傳感器的輸出電壓信號范圍為0.73 ～26.12 mV。絕壓傳感器的輸出電壓信號范圍為45.90 ～48.99 mV。為使其滿足后面A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入要求，必須對該信號進(jìn)行放大調(diào)零處理。本系統(tǒng)選用LM358 放大器。該放大器有線性度高、失調(diào)電壓及溫度漂移小、功耗小等特點。

2.2.3 A/D 轉(zhuǎn)換器

本系統(tǒng)采用的單片機(jī)C8051F352 含有16 位的A/D 轉(zhuǎn)換器，共有8 個模擬輸入通道，動壓和靜壓傳感器輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路后，分別接到單片機(jī)的兩個模擬輸入通道。C8051F352 的可編程轉(zhuǎn)換速率達(dá)到1 ksps，CPU 系統(tǒng)時鐘為50 MHz，因此，動壓和靜壓的采樣時差約為1 ms。即使當(dāng)迫擊炮彈速度達(dá)300 m/s 時，1 ms 的時間迫擊炮彈運動距離也僅為0.3 m。相對于整個彈道，可以認(rèn)為動壓和靜壓的值是在一個點上進(jìn)行采樣得到的。因此，直接利用C8051F352 的A/D 轉(zhuǎn)換器，而不附加額外的A/D 轉(zhuǎn)換器。

2.2.4 解算控制單元

本設(shè)計中的解算控制單元采用Cygnal 公司的C8051F352 單片機(jī)。該單片機(jī)采用32 管腳的LQFP 封裝，具有高速度、高性能、高集成等特點，并能與8051 單片機(jī)兼容。此外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。

2.3 測量系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件主要包括3 個部分:系統(tǒng)控制程序、數(shù)據(jù)采集和保存程序，以及彈道參數(shù)解算程序。系統(tǒng)控制程序是用于控制整個軟硬件系統(tǒng)的工作流程，保證系統(tǒng)正常運行。數(shù)據(jù)采集和保存程序是用于差壓傳感器和絕壓傳感器數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和保存。彈道參數(shù)解算程序是用于數(shù)據(jù)的處理，輸出解算的初速和射角。程序流程圖見圖3、圖4和圖5。

圖3 系統(tǒng)控制程序流程圖Fig 3 Flow chart of system control program

3 實驗測試

在實驗室條件下，利用本系統(tǒng)對某型號迫擊炮彈，不同初速和射角范圍條件下的射擊，進(jìn)行了半實物仿真實驗，測試結(jié)果如表1 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集和保存程序流程圖Fig 4 Flow chart of data collection and preservation program

圖5 彈道解算程序流程圖Fig 5 Flow chart of trajectory calculating program

表1 彈道參數(shù)測量結(jié)果Tab 1 Trajectory parameter measurement results

從表1 可以看出:利用該系統(tǒng)解算出的初速和射角精度較高，解算的彈道射程最大誤差不超過0.5 m，相對誤差不超過0.07%，說明測量系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于C8051F352 單片機(jī)的彈道參數(shù)測量系統(tǒng)，利用差壓傳感器和絕壓傳感器采集彈丸所受的動壓和靜壓數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)對采集數(shù)據(jù)的處理，解算出初速和射角。對測量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)描述。在實驗室條件下，進(jìn)行了測試實驗。測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)測量精度高，滿足彈道辨識的精度要求。與其他彈道參數(shù)測量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有測量精度高，解算速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等特點，適合實際工程應(yīng)用。

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