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        實時高精度T型激波檢靶系統(tǒng)研究

        2021-05-14 14:10:39樊長虹于正亮朱高貴
        機電信息 2021年11期

        樊長虹 于正亮 朱高貴

        摘要:野外靶場應用T型激波檢靶時,環(huán)境風對報靶精度有重要影響?,F(xiàn)推導了有風環(huán)境下T型靶的激波傳遞模型,采用一次方程組即可進行解析求解,提高了計算實時性。通過仿真分析橫向風、縱向風、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)化設計提供了基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:實時;高精度;激波檢靶

        0 引言

        激波檢靶利用超音速彈丸飛行時產(chǎn)生的空氣激波進行精度報靶,在實彈射擊訓練中被大量使用[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練。如圖1所示,T型靶采用4個傳聲器,成本較低,方便布設,因而應用較多。但目前野外靶場使用T型靶時沒有環(huán)境風速測量,而環(huán)境風會使彈丸激波錐變?yōu)榉菢藴蕡A錐形,影響激波傳遞到達時間,導致大風環(huán)境下報靶誤差大[3]。

        本文在前期工作[3]基礎(chǔ)上研究了有風環(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)學模型推導

        1.1? ? 相關(guān)假設

        如圖2所示,取直角坐標系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為y軸正向,z軸方向按右手螺旋方向定義。4個激波傳聲器構(gòu)成T型陣列,其中4號傳聲器布設在y負軸上,1號、2號、3號傳聲器布設在x軸上,并且2號傳聲器在坐標系原點,1號和3號傳聲器分別對稱布置在x負軸和x正軸上。i號激波傳聲器坐標記為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點開始繼續(xù)飛行命中靶面點S。

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

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

        (3)靶標當?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(℃)后近似計算,VT=331.45+0.61T。

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

        1.2? ? 彈丸激波到達時間

        圖3給出了彈丸從A點飛至S點過程中各時間段的矢量關(guān)系。彈丸飛行彈道線上各點依次產(chǎn)生的激波以錐體樣式按速率VT向外部擴散。記彈丸從A飛行到Bi時間為t1,Bi點對應產(chǎn)生的激波錐最先到達第i個傳感器Ci,對應激波傳輸時間為t2,此時彈丸從Bi飛行到點Di。以彈丸從A點出發(fā)開始計時,直至Ci感應到激波錐的時間為Ti=t1+t2。彈丸從A點飛至靶面命中點S點時間為τ,命中點坐標為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S(Sx,0,Sz)。采用STM32F103系列ARM芯片求解耗時小于1 ms,具有良好的實時性。

        2 測風誤差對報靶精度影響的計算分析

        取靶標參數(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。采用二維超聲波風速儀,測速誤差±2%。

        2.1? ? 忽略水平縱向風對報靶精度的影響

        由于水平縱向風與彈丸飛行速度相同,部分研究者認為忽略水平縱向風對報靶精度無影響,實際上這種認知不正確。

        設實際風速=(0,10,0)(m/s),即沿y軸縱向風。取彈丸速度Vb=600 m/s,忽略風速時解算檢靶誤差,等高線如圖4所示。最大報靶誤差約3.5 cm(0.035 m),不滿足訓練時檢靶誤差0.3~1 cm的要求,因此水平縱向風不能被忽略。

        2.2? ? 忽略水平橫向風對報靶精度的影響

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

        2.3? ? 風速測量誤差對報靶精度的影響

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

        2.4? ? 傳聲器陣列基線對報靶精度的影響

        彈丸速度Vb=600 m/s,實際風速=(10,0,0)(m/s),風速隨機誤差0.2 m/s,各傳聲器激波到達時間誤差服從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,報靶誤差分布如圖7、圖8所示,顯然增大陣列基線,報靶誤差減小。

        3 結(jié)語

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

        [參考文獻]

        [1] 牛鳳翔.ATS自動檢靶系統(tǒng)的數(shù)學處理方法[J].氣動實驗與測量控制,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.風速對聲點陣立靶系統(tǒng)建模及算法的影響研究[J].應用聲學,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,從事靶標系統(tǒng)研究工作。

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