強(qiáng)明輝,安 楊,徐東海

(蘭州理工大學(xué) 1.電氣工程與信息工程學(xué)院;2.甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.電氣與控制工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,甘肅 蘭州 730050;4．西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

隨著戰(zhàn)爭模式變化和工業(yè)技術(shù)發(fā)展,炮彈的精確制導(dǎo)技術(shù)已成為現(xiàn)代化武器關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。炮彈制導(dǎo)過程是一個(gè)復(fù)雜過程,其中尋地是炮彈制導(dǎo)動態(tài)測量十分重要的參數(shù)。目前關(guān)于炮彈尋地、俯仰角和旋轉(zhuǎn)角速度有多種測量方式,如地磁傳感器,陀螺儀等。依靠炮彈內(nèi)部的霍爾傳感器感應(yīng)地磁場的地磁尋地方法,地磁傳感器雖然具有價(jià)格便宜、無積累誤差、抗高過載等優(yōu)點(diǎn),但是由于南北極區(qū)域地磁為非平行地面磁場以及靠近鐵礦山周圍地磁方向受到改變,因而存在無法準(zhǔn)確尋地以及解算過程復(fù)雜等缺點(diǎn)[3-5]。利用陀螺儀方法,機(jī)械陀螺儀體積大、成本高、精度差,而MEMS陀螺儀難以承受高的沖擊,難以滿足日益發(fā)展的制導(dǎo)需要,特別是炮彈制導(dǎo)需要[6-8]。因此,本文提出了一種基于壓敏傳感器制導(dǎo)炮彈尋地的新方法,該方法不僅克服了地磁及陀螺儀存在的不足,而且尋地精度高、速度快、耐沖擊、結(jié)構(gòu)簡單、體積小,傳感器可在-30°～+150°工作[9-10]。該方法不僅可用于制導(dǎo)炮彈尋地和轉(zhuǎn)速測量,而且具有靈敏度高、精度高、受外部因素影響小等優(yōu)點(diǎn)。

1 工作原理

壓敏傳感器結(jié)構(gòu)及其在炮彈中安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,壓敏傳感器由傳感器薄片P、壓塊M以及信號處理電路組成,傳感器固定安裝在彈體內(nèi)壁內(nèi)。壓電傳感器可選取壓電陶瓷、壓電薄膜、壓電晶體等器件中任何一種傳感器。

圖1 壓敏傳感器隨炮彈轉(zhuǎn)動過程及其受力

從圖1傳感器受力分析可知,炮彈發(fā)射后可視為一種高旋彈體,則傳感器做圓周運(yùn)動所需的合力F由3部分組成，分別為向心力Fv(Fv=mv2/r,r為彈體半徑)、重力分量FP(FP=Fmgsinθ,θ為重力與圓周運(yùn)動速度v的夾角),加速度產(chǎn)生的力Fa(Fa=Fmasinθ),即合力F=Fv+Fmgsinθ+Fmasinθ。由于炮彈每圈旋轉(zhuǎn)速度和加速度變化很小,Fv可視為一個(gè)常數(shù)。此外,炮彈加速運(yùn)動主要在垂直方向,在水平方向分量很小且可忽略,所以,傳感器的輸出電壓U的大小僅與作用力FP和Fa變化有關(guān),即重力Fmg及加速運(yùn)動的分量FP及Fa變化對電壓U的變化起到關(guān)鍵性作用。這2個(gè)分量均隨著炮彈的自旋轉(zhuǎn)按正弦規(guī)律周期性變化,當(dāng)傳感器到達(dá)A點(diǎn)時(shí),分量FP和Fa均為0,此時(shí)其輸出電壓UA=0;從A點(diǎn)向C點(diǎn)轉(zhuǎn)動過程中,分量FP和Fa均隨著θ(0°≤θ≤90°)的增大而不斷增大,電壓U也將隨之不斷增大,到達(dá)B點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大峰值UB,max;從B轉(zhuǎn)動到C點(diǎn)時(shí),FP和Fa均隨著θ(90°≤θ≤180°)的增大而不斷減小,電壓U隨之不斷減小,到達(dá)C點(diǎn)時(shí)受力分量為0,此時(shí)其輸出電壓UC=UA=0;從C點(diǎn)向D點(diǎn)旋轉(zhuǎn)過程中,FP和Fa隨著θ(180°≤θ≤270°)的增大而不斷增大,電壓U負(fù)的幅值也將隨之不斷增大(壓塊M對傳感器產(chǎn)生拉力),到D點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大(FP=-(Fmg+Fa)),此時(shí)輸出電壓為負(fù)的最大峰值UD,min;從D點(diǎn)向A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)過程中,FP和Fa隨著θ(270°≤θ≤360°)增加而減小,傳感器受到的拉力不斷減小,電壓U負(fù)的幅值也將隨之不斷增大,到達(dá)A點(diǎn)時(shí)重力分量FP減小到0,電壓U回到0,即UA=0。由此得出傳感器的輸出電壓U將產(chǎn)生如圖2所示周期性的正弦變化。依據(jù)這種正弦周期性變化規(guī)律,通過電路對信號進(jìn)行處理找到峰值B點(diǎn)(或其他3個(gè)點(diǎn)),從而可獲得炮彈的大地方向。炮彈的自旋轉(zhuǎn)角速度可根據(jù)信號的正弦周期中的A和C過零點(diǎn)(或其他2個(gè)對應(yīng)點(diǎn))的時(shí)間間隔Δt并依據(jù)公式計(jì)算得到:

(1)

式中:ω為炮彈自旋轉(zhuǎn)角速度;Δt為2個(gè)測試點(diǎn)的間隔時(shí)間;π為2個(gè)測試點(diǎn)的間隔時(shí)間Δt所對應(yīng)的炮彈旋轉(zhuǎn)角度。

圖2 壓敏傳感器輸出電壓隨炮彈轉(zhuǎn)動的變化關(guān)系波形

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文根據(jù)壓敏傳感器輸出電壓隨炮彈轉(zhuǎn)動的變化關(guān)系,采用了如圖3所示的電路系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)主要由電荷放大電路、二路信號求差電路、濾波電路、過零判斷電路、單片機(jī)處理器以及處理軟件等部分組成。

在電路系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中,壓敏傳感器采用了2個(gè)相同傳感器,其單片機(jī)及電路為彈載式,在炮彈自轉(zhuǎn)過程中,2個(gè)傳感器將產(chǎn)生相位相差為180°的正弦信號,如圖3所示。通過電荷放大電路放大后,再進(jìn)行求差,其目的在于:一是可增強(qiáng)信號的強(qiáng)度,提高靈敏度;二是提高正弦信號幅值及其對稱性;三是消除傳感器裝配產(chǎn)生的誤差。然后,通過濾波電路消除炮彈抖動給電路帶來的高頻干擾信號,因此需要對傳感器信號中的高頻信號進(jìn)行濾波處理,獲得理想的正弦信號。隨后,通過過零判斷電路獲得一個(gè)與正半周寬度相同的一定幅值的正脈沖。最后,采用單片機(jī)對正脈沖進(jìn)行處理,在處理中根據(jù)正脈沖的前后沿獲得炮彈旋轉(zhuǎn)半周的時(shí)間t,計(jì)算出導(dǎo)彈自旋轉(zhuǎn)角速度ω,輸出到控制系統(tǒng),在延遲0.5t后,單片機(jī)輸出一個(gè)固定脈沖信號,此脈沖表示傳感器D旋轉(zhuǎn)到了最低位置,該位置所指的向下的方向即為大地方向。

圖3 壓敏傳感器炮彈尋地和旋轉(zhuǎn)角速度測試的電路方案框圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

本文根據(jù)電路設(shè)計(jì)方案對各部分電路進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)和參數(shù)選取,各部分電路拓?fù)鋱D及其參數(shù)如圖4所示。

圖4 信號處理各部分電路的拓?fù)鋱D及其元件參數(shù)

由于壓電薄膜、壓電陶瓷和壓電晶體隨壓力改變產(chǎn)生的是電荷量變化,而電荷量的微弱變化很難計(jì)算,為此在電路中首先設(shè)計(jì)了由2個(gè)OP07CD運(yùn)放N1和N2構(gòu)成的放大器電路,分別將傳感器1和傳感器2輸出的微弱電荷信號轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號UO1和UO2,同時(shí)將壓電傳感器的高阻抗輸出轉(zhuǎn)換成運(yùn)放的低阻抗輸出。電路輸出為

(2)

式中:Q為傳感器產(chǎn)生的電荷;Ct為傳感器電容;CO為輸入電纜電容;Cf為反饋電容C3,C4;a為運(yùn)算放大器開環(huán)增益;負(fù)號表示輸入與輸出相反。

由于a很大,當(dāng)|Cf(1+a)|?|Ct+CO|時(shí),可近似有:

(3)

由式(3)可知,若反饋電容Cf不變,則輸出電壓UO與輸入電荷Q成線性關(guān)系。因此,通過該部分電路對輸出的微弱電荷信號實(shí)現(xiàn)線性放大,獲得放大的電壓信號UO1和UO2。在選取Cf時(shí),因電荷Q較小,為了確保電路靈敏度,滿足電容的滿阱容量,應(yīng)選取電容值小的電容,一般為幾納法。

在信號求差電路設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)信號傳遞函數(shù)相差180°的特點(diǎn),采用了由OP07CD構(gòu)成的N3減法電路,對UO1和UO2信號進(jìn)行求差放大。

根據(jù)疊加原理,可得出減法電路輸出:

(4)

當(dāng)R3=R4=R5=R6時(shí),可簡化為

UO3=UO1-UO2

(5)

由式(5)可知,通過減法電路處理后獲得增強(qiáng)了2倍的輸出信號UO3,提供了電路的靈敏度,同時(shí)消除2個(gè)傳感器裝配對稱性誤差,輸出了一個(gè)理想的正弦信號。

濾波電路采用了由OP07CD構(gòu)成的帶通有源濾波電路,對炮彈抖動帶來的高頻干擾信號進(jìn)行濾波處理。在確定帶通時(shí),根據(jù)彈旋最高頻率確定低通濾波電路的C5R7,高通濾波電路的C6R8由最低頻率來確定,一般炮彈轉(zhuǎn)速為幾十轉(zhuǎn)到一百多轉(zhuǎn)。選取合適的帶寬對高、低頻干擾信號進(jìn)行有效濾波,可以得到更精確的信號,有利于過零點(diǎn)準(zhǔn)確判斷,在很大程度上可以決定整個(gè)電路的測試精度。過零電路選用由高速比較器MAX908和TVS管組成的電路,通過高速比較器找出信號上升和下降時(shí)的過零點(diǎn),輸出一個(gè)與信號正半周等寬的正脈沖信號。在選取比較器時(shí)盡可能選取高速、低閾值,提高靈敏度,減小誤差。單向TVS管D1將比較器輸出的高電壓穩(wěn)定在3.3 V,滿足后端單片機(jī)ADC端口處理信號的電壓要求。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文利用炮彈實(shí)驗(yàn)平臺,在不同旋轉(zhuǎn)頻率、不同俯仰角的條件下分別進(jìn)行了模擬旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),其測試信號波形及結(jié)果分別如表1和圖5所示,表中,Ts為滾轉(zhuǎn)周期;ωr,ωt為實(shí)際和測量滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速;ω1,ω2分別為測量和實(shí)際滾轉(zhuǎn)角速度;E為尋地角度誤差。

從圖5測試信號波形可知,首先,經(jīng)過電荷放大、求差、濾波后可以獲得一個(gè)對稱、平滑、穩(wěn)定的正弦信號,如圖5(a)所示,由此可以得出本文的方案和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本正確。其次,通過過零判斷電路可以獲得一個(gè)規(guī)則的正方波信號且與正半周寬度相同,如圖5(b)所示,由此可以得到穩(wěn)定的單脈沖信號。最后,通過單片機(jī)對正脈沖進(jìn)行處理,延遲0.5t后由PB6口輸出一個(gè)一定寬度和幅值的正脈沖信號,如圖5(c)所示,由此可以得到由PA9口輸出的自旋轉(zhuǎn)角速度的數(shù)據(jù)。

表1 炮彈尋地和旋轉(zhuǎn)角速度測試結(jié)果

圖5 炮彈尋地和旋轉(zhuǎn)角速度測試信號波形圖

在某型號旋轉(zhuǎn)彈任務(wù)牽引下,壓敏傳感器炮彈參數(shù)測試系統(tǒng)參加了搭載飛行試驗(yàn),從測試系統(tǒng)遙測信號波形看出,該測試方法輸出平穩(wěn),在炮彈彈體旋轉(zhuǎn)頻率約為40 Hz時(shí),與地磁尋地方法相比尋地角度相差0.16°,與角速度陀螺儀測量相比彈體旋轉(zhuǎn)頻率相差1.5%,精度滿足使用要求,從而實(shí)現(xiàn)了炮彈尋地以及彈體轉(zhuǎn)速的精確測量。

3 結(jié)論

本文提出了基于壓敏傳感器的炮彈尋地方法,從理論上分析了其工作原理。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了具體實(shí)現(xiàn)電路以及具體的電路參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中利用炮彈半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了模擬旋轉(zhuǎn)試驗(yàn);在不同旋轉(zhuǎn)頻率、不同俯仰角條件下,分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。在旋轉(zhuǎn)頻率為10～100 Hz時(shí),尋地準(zhǔn)確度在1°以內(nèi),旋轉(zhuǎn)角速度均小于2%。最后進(jìn)行了炮彈飛行控制實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法正確、可行,且具有靈敏度高、沒有累積誤差、精度高、受外部因素影響小等特點(diǎn),完全滿足炮彈尋地的精度要求。同時(shí),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電路具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、調(diào)試方便、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足火箭彈彈道修正的要求,可廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)炮彈的姿態(tài)控制和制導(dǎo)系統(tǒng)。