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        實(shí)時(shí)高精度T型激波檢靶系統(tǒng)研究

        2021-04-20 14:13:18樊長虹于正亮朱高貴
        機(jī)電信息 2021年14期
        關(guān)鍵詞:實(shí)時(shí)高精度

        樊長虹 于正亮 朱高貴

        摘要:野外靶場應(yīng)用T型激波檢靶時(shí),環(huán)境風(fēng)對報(bào)靶精度有重要影響?,F(xiàn)推導(dǎo)了有風(fēng)環(huán)境下T型靶的激波傳遞模型,采用一次方程組即可進(jìn)行解析求解,提高了計(jì)算實(shí)時(shí)性。通過仿真分析橫向風(fēng)、縱向風(fēng)、傳感器陣列基線長度等因素對激波檢靶精度的影響,為T型靶優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:實(shí)時(shí);高精度;激波檢靶

        0 引言

        激波檢靶利用超音速彈丸飛行時(shí)產(chǎn)生的空氣激波進(jìn)行精度報(bào)靶,在實(shí)彈射擊訓(xùn)練中被大量使用[1-3]。激波檢靶裝置的激波傳感器布陣有多種樣式,其中T型靶布陣要求彈丸近似垂直入射靶面,主要用于精度射擊訓(xùn)練。如圖1所示,T型靶采用4個(gè)傳聲器,成本較低,方便布設(shè),因而應(yīng)用較多。但目前野外靶場使用T型靶時(shí)沒有環(huán)境風(fēng)速測量,而環(huán)境風(fēng)會使彈丸激波錐變?yōu)榉菢?biāo)準(zhǔn)圓錐形,影響激波傳遞到達(dá)時(shí)間,導(dǎo)致大風(fēng)環(huán)境下報(bào)靶誤差大[3]。

        本文在前期工作[3]基礎(chǔ)上研究了有風(fēng)環(huán)境下T型靶的激波傳遞模型,給出了解析求解算法,并仿真分析了風(fēng)速誤差、傳聲器陣列基線長度等對檢靶誤差的影響。

        1 數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

        1.1? ? 相關(guān)假設(shè)

        如圖2所示,取直角坐標(biāo)系O-xyz,靶面位于xOz垂直平面,射手正對靶面的水平右方為x軸正向,彈丸垂直入射靶面方向?yàn)閥軸正向,z軸方向按右手螺旋方向定義。4個(gè)激波傳聲器構(gòu)成T型陣列,其中4號傳聲器布設(shè)在y負(fù)軸上,1號、2號、3號傳聲器布設(shè)在x軸上,并且2號傳聲器在坐標(biāo)系原點(diǎn),1號和3號傳聲器分別對稱布置在x負(fù)軸和x正軸上。i號激波傳聲器坐標(biāo)記為Ci(xi,yi,zi),其中C1(-L,0,0),C2(0,0,0),C3(L,0,0),C4(0,H,0)。將1號和3號傳聲器水平間距稱為陣列基線長度,有=2L。

        彈丸在靶面前方附近A點(diǎn)開始繼續(xù)飛行命中靶面點(diǎn)S。

        (1)彈丸穿越靶面在毫秒時(shí)間量級,假設(shè)其速度保持不變,記為=(0,Vb,0)。

        (2)選用矢量風(fēng)速傳感器測量環(huán)境風(fēng),由于野外靶場近地風(fēng)通常為水平面矢量風(fēng),可認(rèn)為垂直方向風(fēng)速分量為0,將矢量風(fēng)速記為=(Wx,Wy,0)。

        (3)靶標(biāo)當(dāng)?shù)乜諝饴曀儆洖閂T(m/s),通過溫度傳感器測量環(huán)境溫度T(℃)后近似計(jì)算,VT=331.45+0.61T。

        (4)激波到達(dá)時(shí)間測量選取2號傳聲器觸發(fā)時(shí)刻為基準(zhǔn),到達(dá)1號、2號、3號、4號傳聲器時(shí)間分別為T1、T2=0、T3、T4。

        1.2? ? 彈丸激波到達(dá)時(shí)間

        圖3給出了彈丸從A點(diǎn)飛至S點(diǎn)過程中各時(shí)間段的矢量關(guān)系。彈丸飛行彈道線上各點(diǎn)依次產(chǎn)生的激波以錐體樣式按速率VT向外部擴(kuò)散。記彈丸從A飛行到Bi時(shí)間為t1,Bi點(diǎn)對應(yīng)產(chǎn)生的激波錐最先到達(dá)第i個(gè)傳感器Ci,對應(yīng)激波傳輸時(shí)間為t2,此時(shí)彈丸從Bi飛行到點(diǎn)Di。以彈丸從A點(diǎn)出發(fā)開始計(jì)時(shí),直至Ci感應(yīng)到激波錐的時(shí)間為Ti=t1+t2。彈丸從A點(diǎn)飛至靶面命中點(diǎn)S點(diǎn)時(shí)間為τ,命中點(diǎn)坐標(biāo)為S(Sx,0,Sz)。

        1.2.1? ? 彈丸速度求解

        由于彈丸垂直入射靶面,彈丸激波錐沿著y軸以速度依次掃過4號和2號傳聲器。4號與2號傳聲器的時(shí)差ΔT42=|T2-T4|=|T4|,則求得彈丸飛行速度大小為:

        根據(jù)式(11)和式(12)得命中坐標(biāo)S(Sx,0,Sz)。采用STM32F103系列ARM芯片求解耗時(shí)小于1 ms,具有良好的實(shí)時(shí)性。

        2 測風(fēng)誤差對報(bào)靶精度影響的計(jì)算分析

        取靶標(biāo)參數(shù)H=1 m,L=0.6 m,靶面寬0.6 m,高1.3 m,本地聲速VT=340 m/s。采用二維超聲波風(fēng)速儀,測速誤差±2%。

        2.1? ? 忽略水平縱向風(fēng)對報(bào)靶精度的影響

        由于水平縱向風(fēng)與彈丸飛行速度相同,部分研究者認(rèn)為忽略水平縱向風(fēng)對報(bào)靶精度無影響,實(shí)際上這種認(rèn)知不正確。

        設(shè)實(shí)際風(fēng)速=(0,10,0)(m/s),即沿y軸縱向風(fēng)。取彈丸速度Vb=600 m/s,忽略風(fēng)速時(shí)解算檢靶誤差,等高線如圖4所示。最大報(bào)靶誤差約3.5 cm(0.035 m),不滿足訓(xùn)練時(shí)檢靶誤差0.3~1 cm的要求,因此水平縱向風(fēng)不能被忽略。

        2.2? ? 忽略水平橫向風(fēng)對報(bào)靶精度的影響

        設(shè)實(shí)際風(fēng)速=(10,0,0)(m/s),即沿x軸正向風(fēng)。彈丸速度Vb=600 m/s,忽略風(fēng)速時(shí)解算報(bào)靶誤差如圖5所示,最大報(bào)靶誤差約5.5 cm(0.055 m),不滿足訓(xùn)練時(shí)檢靶誤差0.3~1 cm的要求;同時(shí)靶面右側(cè)(x軸正向部分)誤差比左側(cè)報(bào)靶誤差略大,即靶面與風(fēng)速方向一致的一側(cè)報(bào)靶誤差略大。

        2.3? ? 風(fēng)速測量誤差對報(bào)靶精度的影響

        仿真風(fēng)速儀測量誤差對報(bào)靶精度存在一定的影響。設(shè)實(shí)際風(fēng)速=(10,0,0)(m/s),取風(fēng)速儀水平橫向和縱向都存在0.2 m/s測量誤差,所測風(fēng)速值為(9.8,0.2,0)(m/s)。彈丸速度為Vb=600 m/s,計(jì)算報(bào)靶誤差等高線如圖6所示。最大報(bào)靶誤差約0.16 cm(0.001 6 m),滿足訓(xùn)練時(shí)精度報(bào)靶0.3~1 cm的誤差要求;同時(shí),靶面右側(cè)(x軸正向部分)的誤差要比靶面左側(cè)報(bào)靶誤差略大,即靶面與風(fēng)速方向一致的一側(cè)報(bào)靶誤差略大。

        2.4? ? 傳聲器陣列基線對報(bào)靶精度的影響

        彈丸速度Vb=600 m/s,實(shí)際風(fēng)速=(10,0,0)(m/s),風(fēng)速隨機(jī)誤差0.2 m/s,各傳聲器激波到達(dá)時(shí)間誤差服從0均值正態(tài)分布,方差3 μs。傳聲器陣列基線長度=2L取1.0 m、1.5 m,報(bào)靶誤差分布如圖7、圖8所示,顯然增大陣列基線,報(bào)靶誤差減小。

        3 結(jié)語

        本文研究了有風(fēng)環(huán)境下T型靶激波傳遞模型和解析算法,具有良好的實(shí)時(shí)性。仿真結(jié)果表明,有風(fēng)環(huán)境下必須測量環(huán)境矢量風(fēng),才能保證有較好的報(bào)靶精度;同時(shí),增加傳聲器陣列基線長度能有效減小報(bào)靶誤差。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 牛鳳翔.ATS自動檢靶系統(tǒng)的數(shù)學(xué)處理方法[J].氣動實(shí)驗(yàn)與測量控制,1993,7(3):118-122.

        [2] Polytronic International Ltd. TG 4010 T-Bar LOMAH System[EB/OL].[2021-02-01].www.polytronic.ch.

        [3] 樊長虹,杜立,管文輝,等.風(fēng)速對聲點(diǎn)陣立靶系統(tǒng)建模及算法的影響研究[J].應(yīng)用聲學(xué),2015,34(5):445-450.

        收稿日期:2021-02-25

        作者簡介:樊長虹(1975—),男,河南人,博士,高級工程師,從事靶標(biāo)系統(tǒng)研究工作。

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