CN105606121A - 一种弹射装置的分离参数检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种弹射装置的分离参数检测系统，在被弹射物中设有分离信号产生装置，被弹射物的质心设有三轴陀螺仪，并至少在被弹射物的质心处设有激光光源，分离信号产生装置和三轴陀螺仪与视觉识别装置无线连接，感光靶沿被弹射物与弹射装置分离的方向设置，以获取激光光源在弹射过程中的运动轨迹，视觉识别装置连接感光靶和数据分析装置。一种弹射装置的分离参数检测方法，采集过程结束后，视觉识别装置将信号上传至数据分析装置，数据分析装置处理得到弹射过程的速度、加速度和分离姿态角采样值。本发明可用于高速与低速分离装置的分离参数检测，检测速度较快，检测精度较高。

Description

一种弹射装置的分离参数检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种弹射装置，尤其是关于一种弹射装置的分离参数检测系统及方法。

背景技术

随着现代战争对空中格斗武器的要求越来越高，与第三代战斗机相比，第四代与第五代战斗机的机载武器设计理念发生了较大的变化，如美F-22、俄T-50等。为了提高战斗机的隐身性和机动性，新一代战斗机的武器挂载点逐渐从机体外部发展到机体内部。这样一方面要采用折叠翼与弹翼结构限制导弹尺寸，另一方面要设计一种安全可靠的导弹发射装置。发射装置应具有体积小，能确保导弹安全发射离机，并在离机后进入理想的初始飞行姿态的特点。

目前，战斗机的武器挂载方式主要有外挂式与内埋式两种。相对于内埋方式挂载机载武器，外挂方式挂载机载武器有着三个明显的缺点：1、飞行时存在较大的阻力，难以实现超音速巡航；2、外挂武器产生的气动阻力影响了飞机的机动性和敏捷性；3、外挂武器大幅增加了雷达的散射面积（RCS），使战机隐身能力大打折扣。目前，采用内埋方式挂载机载武器成为第四代战斗机的理想选择。

为保证新一代战机的隐身性能，机载武器投放一般采用内埋、弹射投弹、延迟点火方式。由于内埋武器舱的结构特点，相对传统外挂投放方式，导弹在发射时会受到更多因素地干扰。当采用弹射发射方式发射空空导弹，导弹在离开载机的过程中，导弹和载机之间会产生强的气动干扰。尤其是当导弹处于复杂的载机干扰流场中，可能导致导弹与载机或其他外挂物发生碰撞，严重危及载机和飞行人员安全。因此，在内埋式弹射发射装置的设计阶段掌握分离初始段导弹姿态和运动轨迹的精确数据就显得尤为重要。

为了获得弹射过程中导弹各个关键测试节点的运动参数，指导内埋式导弹发射装置的设计，确保空中高速飞行器上发射导弹的安全，研究弹射发射装置试验与测试技术具有极为重要的工程意义与实用价值。而弹射发射装置的运动参数则是该技术的核心内容，对弹射运动参数进行测试研究，可确保空中高速飞行器上发射导弹的安全，大大提高弹射式发射架实验效率与设计可靠性。

现有弹射运动参数测量的方法主要有两种：一种是钢丝拉绳测试仪，但其只能测量平面的4个参数，测量精度也较低，且由于钢丝拉绳的使用寿命有限，因此测试设备的可重复利用率极低；另一种是高速摄像机，采用多台摄像机多角度测量，经过图像处理得到空间18个参数，但由于该方法是直接测量位移，速度和加速度都是通过微分算法求得，高速摄像机采集到的图像受到外界环境干扰极大，因此其测量精度难以保证，同时，采用高速摄像机的解决方案成本较高，不利于技术的应用与推广。

申请号为201010300572.3的中国专利公开了一种低冲击分离装置的分离参数测量装置及方法，用气压传感器采集低冲击分离装置发生分离时分离装置进气口处的气压，压力传感器采集低冲击分离装置发生分离时的预紧力。根据分离器的质量、分离速度计算获得分离冲量。这种检测系统有如下缺陷：1、只能对低冲击条件下分离装置的相对分离位置与速度进行检测，不能解决高冲击条件下分离过程中连续变化的分离角速度和分离姿态角的变化问题，2、主要用于测量弹射过程中不考虑地球重力作用下的分离物体之间在同一轴向上相对分离时的运动速度与距离，使用较为局限，3、测量距离最大只有20mm，不够实用。

发明内容

本发明的主要目的是公开一种弹射装置的分离参数检测系统及方法，提高检测速度和检测精度，可用于高速与低速分离装置的分离参数检测，分析弹射装置的性能是否符合设计要求。

本发明的一个技术方案是：一种弹射装置的分离参数检测系统，包括被弹射物、感光靶、视觉识别装置以及数据分析装置，在被弹射物中设有用于获取被弹射物与弹射装置分离时刻并发出分离信号的分离信号产生装置，在被弹射物的质心设有采样弹射过程姿态角速度信号的三轴陀螺仪，并至少在被弹射物的质心处设有激光光源，所述分离信号产生装置和三轴陀螺仪与视觉识别装置无线连接，感光靶沿被弹射物与弹射装置分离的方向设置，并与被弹射物上的激光光源相对，以获取激光光源在弹射过程中的运动轨迹，视觉识别装置将通过感光靶获取的感光图像信号和无线接收的采样分离信号、姿态角速度信号进行处理，在采集过程结束后，通过通信单元上传至数据分析装置。

较佳的，所述感光靶设有采样激光光源感光图像信号的光敏传感器和对感光图像信号进行增强处理的信号增强单元，信号增强单元连接视觉识别装置。

较佳的，所述视觉识别装置包括无线接收单元、定时器单元、存储单元及主控单元，被弹射物内设有无线发射单元,所述无线接收单元接收被弹射物的无线发射单元发出的采样分离信号和姿态角速度信号，主控单元分别与无线接收单元、定时器单元、存储单元、感光靶和弹射装置连接，主控单元根据弹射装置发出的弹射信号，触发定时器单元开始计时并控制采样频率和时间，存储单元存储有采样的分离信号、姿态角速度信号和感光靶获取的感光图像信号，主控单元对感光图像信号去噪后，提取出被弹射物的位置变化采样信号，主控单元将位置变化采样信号、分离信号、姿态角速度信号标记时间戳以初步合成图像，并在采集过程结束后，通过TCP/IP通信单元上传至数据分析装置。

较佳的，所述数据分析装置包括嵌入式图像处理单元和工控机，工控机与弹射装置连接，工控机的采集卡采集弹射装置的弹射信号，并触发视觉识别装置的定时器单元开始计时以控制采样时间，嵌入式图像处理单元在采样结束后接收TCP/IP通信单元发送的标记时间戳的位置变化采样信号、分离信号、姿态角速度信号及初步合成图像，工控机根据弹射过程的位置变化数据和姿态角速度，得到弹射分离过程的速度、加速度和姿态角采样值，以及分离信号、速度、加速度、姿态角和位移随时间变化的曲线。

较佳的，所述分离参数检测系统还包括显示器，用于显示系统工作状态、弹射分离过程的姿态角、速度、加速度采样值，以及分离信号、速度、加速度和位移随时间变化的曲线。

较佳的，所述激光光源有3个，分别位于被弹射物的头部、尾部和质心处，对应的感光靶和视觉识别装置均有3个，所述激光光源是线状内调式激光光源。

较佳的，所述嵌入式图像处理单元包括FPGA单元和ARM单元，ARM单元通过UART接口与FPGA单元进行通讯，FPGA单元用于图像处理和PCI总线通讯的控制，ARM模块用于控制TCP/IP通讯单元和图像采集，FPGA单元利用PCI总线将采集的信号送至工控机。

本发明的另一技术方案是：一种弹射装置的分离参数检测方法，被弹射物从弹射装置上弹出之前，视觉识别装置控制感光靶以固定采样频率采集被弹射物的激光光源运动轨迹，获取被弹射物初始状态的感光图像信号；被弹射物从弹射装置上弹出时，被弹射物的分离信号产生装置发出分离信号，三轴陀螺仪开始测量姿态角速度信号，视觉识别装置开始以固定采样频率采集并存储分离信号产生装置发出的分离信号、三轴陀螺仪计测量的姿态角速度信号和感光靶获取的被弹射物的感光图像信号，视觉识别装置对感光图像信号去噪后，提取出被弹射物的位置变化采样信号，并将位置变化采样信号、分离信号、姿态角速度信号标记时间戳以初步合成图像；采集过程结束后，视觉识别装置将标记时间戳的位置变化采样信号、采样的分离信号和姿态角速度信号上传至数据分析装置，数据分析装置根据弹射过程的位置变化数据和姿态角速度得到弹射过程的速度、加速度和姿态角采样值，以及分离信号、速度、加速度、姿态角和位移随时间变化的曲线。

较佳的，当按下弹射装置上的弹射按钮时，弹射装置发出弹射信号，弹射装置延时2秒完成预热，同时，弹射按钮触发弹射装置的延时断开继电器延时2秒动作，使被弹射物从弹射装置上弹出；弹射装置连接数据分析装置的工控机，工控机的采集卡接收到弹射信号时，触发视觉识别装置的定时器单元开始计时，定时器单元计时1秒时给主控单元一个触发信号，主控单元初始化感光靶的数据，并以固定采样频率采集被弹射物的激光光源运动轨迹；定时器单元计时2秒时给主控单元一个触发信号，主控单元开始以固定采样频率采集分离信号产生装置发出的分离信号和三轴陀螺仪测量的姿态角速度信号，并控制存储单元开始存储分离信号、姿态角速度信号和感光靶获取的感光图像信号；定时器单元计时3秒时给主控单元一个触发信号，主控单元停止采集，并控制感光靶、分离信号产生装置和三轴陀螺仪停止工作，采集过程结束。

较佳的，系统先进行自检，确认各部分的功能和通讯是否正常，如果正常，则触发弹射装置动作，否则，发出警报并停止系统运行。

与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果：

1、检测速度快。通常3秒内即可完成一套弹射装置的分离参数检测，提高了生产效率，而人工检测则需要花费较长时间；

2、检测精度高。相比现有钢丝拉绳测试仪及其测试方法，本发明采用激光光源非接触式测量，测量结果不易受外界干扰，提高了测量精度和重复利用率，检测结果较稳定并具有高度一致性；

3、运行时间长且节省人力。相比现有高速摄像机及其测试方法，本发明大大降低了测试成本，检测系统可以24小时不间断运行，提高了生产力，节省了人力成本；

4、被弹射物的弹射轨迹可达2m左右，适用于高速和低速分离环境的分离参数测量；

5、视觉识别装置在采集结束后，才将存储单元中的运动轨迹数据全部发送给数据分析装置进行处理的，这样可以避免在弹射实验过程中，视觉识别装置同时发送和接收数据所带来的测试数据丢失与效率较低的问题，有效地提高了测试的可靠性与准确性。

附图说明

图1是本发明弹射装置的分离参数检测系统一实施例的结构示意图。

图2是图1中被弹射物与感光靶的俯视图。

图3是本发明弹射装置的分离参数检测系统一实施例的方框图。

图4是本发明一实施例中被弹射物的方框图。

图5是本发明一实施例中感光靶的方框图。

图6是本发明一实施例中感光靶显示的三个采样时刻的激光光源轨迹变化图。

图7是本发明一实施例中分离信号电压与采样点的关系曲线图。

图8是本发明一实施例中视觉识别装置的方框图。

图9是本发明一实施例中数据分析装置的方框图。

图10是本发明一实施例检测方法的流程图。

图11是本发明数据分析装置提取分离参数的示意图。

1：弹射装置，2：被弹射物，21：分离信号产生装置，22：三轴陀螺仪，23：激光光源，24：无线发射单元，3：感光靶，31：光敏传感器，32：信号增强单元，4：视觉识别装置，41：无线接收单元，42：定时器单元，43：存储单元，44：主控单元，45：数据通讯电缆，451：TCP/IP通信单元，5：数据分析装置，51：嵌入式图像处理单元，52：工控机，6：显示器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参考图1、图2和图3，本发明弹射装置1的分离参数检测系统包括被弹射物2、感光靶3、视觉识别装置4以及数据分析装置5。

弹射装置1是本发明分离参数检测系统的测试对象，提供被弹射物2在弹射下落过程中所需要的动力，一般安装固定在天车或者吊梁上。弹射装置1内设有延时断开继电器，延时断开继电器延时产生弹射动作，以控制被弹射物2从弹射装置1分离弹射。

被弹射物2是测试弹射装置1性能的测试对象，与弹射装置1连接。被弹射物2是根据弹射装置1需求定制的，其与实际弹射产品具有相同的质量、质心、转动惯量与机械接口。通过记录该被弹射物2在下落过程中各个部位的分离参数，分析弹射装置1的动态性能。被弹射物2根据弹射装置1性能要求不同可进行更换。如图4，被弹射物2的内部安装有激光光源23、分离信号产生装置21、三轴陀螺仪22和无线发射单元24。分离信号产生装置21用于获取弹射发生时刻的采样分离信号，并将该信号作为后续分析被弹射物2下落轨迹时刻的触发条件。三轴陀螺仪22用于采样弹射过程的姿态角速度信号。通常情况，该姿态角速度信号主要是被弹射物2与水平方向之间的姿态角的角速度，通过数据分析装置解算该角速度可以得到采样周期内姿态角角度信息的变化情况。分离信号产生装置21和三轴陀螺仪22通过无线发射单元24与视觉识别装置4进行通讯。

感光靶3设置在能够获取弹射过程中被弹射物2的激光光源23变化轨迹的位置，用于采样弹射分离过程中激光光源23的运动轨迹，获取感光图像信号，该感光图像信号中包含激光运动轨迹和噪声。

视觉识别装置4分别连接感光靶3和数据分析装置5。视觉识别装置4内设有无线接收单元41，用于接收被弹射物2的无线发送单元24发送的采样分离信号和姿态角速度信号，同时，视觉识别装置4接收感光靶3获取的感光图像信号。视觉识别装置4将感光图像信号、采样分离信号、姿态角速度信号进行处理，标记时间戳并初步合成图像，通过数据通讯电缆45（如TCP/IP通信单元451）上传至数据分析装置5。

数据分析装置5与视觉识别装置4相连，例如可以通过电缆连接。数据分析装置5根据弹射过程的位置变化数据和采样的姿态角速度数据得到弹射过程的速度、加速度和姿态角采样值。

具体的，如图1，一实施例中，被弹射物2的三轴陀螺仪22和分离信号产生装置21安装于被弹射物2的质心。被弹射物2的激光光源23采用内调式调焦距，激光管为三菱激光管，激光波长650nm，输出功率为50mW，使用K9玻璃透镜和鲍威尔棱镜产生“一”字线状内调式光斑。图6实施例所用的激光光源23是线状激光光源23。激光光源23包括激光光源电路和供电单元，该供电单元用于产生激光光源23所需的+9V直流。

激光光源23是线状内调式激光光源。当被弹射物2较小时，可以只在质心设置激光光源23；当被弹射物2有一定的体积时，为了提高测试精度，可安装3个激光光源23，位置分别是头部、质心和尾部，检测被弹射物2在弹射过程中头部、尾部和质心的分离参数。

图1中的感光靶3是安装在被弹射物2下落路径的侧方，可以记录被弹射物2其上安装的激光光源23在下落过程中所产生的下落轨迹。如图5，感光靶3设有光敏传感器31、数据驱动单元和第一电源单元。所述光敏传感器31是由ALS_PT17组成的64*4元光敏传感器31阵列，用于接收激光光源23在感光靶3上产生的感光图像信号。光敏传感器31在检测到激光信号时，输出+5V的模拟电压信号，未检测到激光信号时输出0V。图6是一实施例中感光靶3显示的三个采样时刻的激光光源23轨迹变化图，通过感光靶3上安装的光敏传感器31产生的电压波动即可反映被弹射物2在弹射分离过程中的运动轨迹变化。数据驱动单元用于增强感光图像信号的驱动能力，解决由于信号线长所导致的信号损失问题。数据驱动单元可以是对感光图像信号进行增强处理的信号增强单元32。所述感光元件和数据驱动单元与视觉识别装置4无线连接。第一电源单元为光敏传感器31和信号增强单元32供电，第一电源单元连接视觉识别装置4的主控单元44，主控单元44通过控制第一电源单元来控制激光传感器的工作。

图1中，视觉识别装置4安装在感光靶3的后方。如图8，视觉识别装置4包括无线接收单元41、定时器单元42、存储单元43及主控单元44。无线接收单元41接收采样的分离信号和姿态角速度信号。主控单元44分别与无线接收单元41、定时器单元42、存储单元43、感光靶3和弹射装置1连接。存储单元43可以是静态SRAM。主控单元44可以是STM32主控单元44。主控单元44根据弹射装置1发出的弹射信号触发定时器单元42开始计时并控制采样间隔（例如1ms）和时间。在定时器单元42的作用下，主控单元44以固定间隔（例如1ms）对感光靶3产生的感光图像信号（即激光运动轨迹数据信息）进行刷新，读取感光靶3的64*4元光敏传感器31的电压数据，将无线接收单元41接收的分离信号、姿态角速度信号和感光靶3获取的感光图像信号存储在存储单元43中。主控单元44按照图像数据格式对感光图像信号去噪后，提取出被弹射物2的位置变化采样信号。主控单元44将位置变化采样信号、分离信号、姿态角速度信号标记时间戳以初步合成图像。在采集过程结束后，主控单元44通过TCP/IP通信单元451将上述信号上传至数据分析装置5。第二电源单元为视觉识别装置4各部分供电。

如图9，数据分析装置5主要包括嵌入式图像处理单元51和工控机52。工控机52与弹射装置1连接，工控机52中设置有PCI高速数据采集板卡，用于采集弹射装置1的弹射信号。采集到弹射信号时，工控机52触发视觉识别装置4的定时器单元42开始计时以控制采样时间。视觉识别装置4记录的数据经TCP/IP通信单元451和嵌入式图像处理单元51传输给工控机52进行存储分析。嵌入式图像处理单元51在采样结束后接收TCP/IP通信单元451发送的标记时间戳的位置变化采样信号、分离信号、姿态角速度信号及初步合成图像。工控机52用于完成分离参数运算与分析处理、各种输入输出控制及人机界面显示控制等功能，根据弹射过程的位置变化数据和姿态角速度，得到弹射分离过程的速度、加速度和姿态角采样值，以及分离信号、速度、加速度、姿态角和位移随时间变化的曲线。

一实施例中，嵌入式图像处理单元51包括FPGA单元和ARM单元，ARM单元通过UART接口与FPGA单元进行通讯，FPGA单元用于图像处理算法运算和PCI总线通讯的控制，ARM模块用于控制TCP/IP通讯单元和图像采集，FPGA单元利用PCI总线将采集的信号送至工控机52。

另外，为了方便查看结果，分离参数检测系统还包括显示器6，用于显示系统工作状态、弹射分离过程的姿态角、速度、加速度采样值，以及分离信号、速度、加速度和位移随时间变化的曲线。

下面通过一个实施例说明弹射装置1的分离参数检测方法。在开始采集分离参数之前，将被弹射物2可靠挂装在弹射装置1上，完成弹射装置1与被弹射物2的通讯电缆和测试线缆的连接。在弹射装置1上设置一弹射按钮，该弹射按钮是机械按钮。弹射按钮按下时，弹射装置1发出弹射信号，弹射装置1的延时断开继电器延时2秒产生弹射动作。

如图10，本发明一实施例的分离参数检测方法如下：

1、在按下弹射按钮之前，先对系统进行自检，确认数据分析装置5、视觉识别装置4、感光靶3、被弹射物2等各部分功能和通讯是否正常，如果正常，则按下弹射按钮，否则，发出警报并停止系统运行。

2、按下弹射按钮时，弹射装置1发出弹射信号，弹射装置1延时2秒完成预热（加压、上电），同时，弹射按钮触发弹射装置1的延时断开继电器延时2秒产生弹射动作，使被弹射物2从弹射装置1上弹出，被弹射物2的分离信号产生装置21发出分离信号，三轴陀螺仪22开始测量姿态角速度信号。

3、弹射装置1连接数据分析装置5的工控机52，工控机52的采集卡接收到弹射信号时，触发视觉识别装置4的定时器单元42开始计时，系统进行预热，定时器单元42计时1秒时给主控单元44一个触发信号，主控单元44控制感光靶3上电，初始化感光靶3的数据，并以固定采样频率采集被弹射物2的激光光源23运动轨迹，获取感光图像信号。

4、定时器单元42计时2秒时给主控单元44一个触发信号，主控单元44开始以固定采样频率采集分离信号产生装置21发出的分离信号和三轴陀螺仪22测量的姿态角速度信号，并控制存储单元43开始存储分离信号、姿态角速度信号和感光靶3获取的感光图像信号，视觉识别装置4对感光图像信号去噪后，提取出被弹射物2的位置变化采样信号，并将位置变化采样信号、分离信号、姿态角速度信号标记时间戳以初步合成图像。

5、定时器单元42计时3秒时给主控单元44一个触发信号，主控单元44停止采集，并控制感光靶3、分离信号产生装置21和三轴陀螺仪22停止工作，采集过程结束。

6、采集过程结束后，视觉识别装置4将标记时间戳的位置变化采样信号、采样的分离信号和姿态角速度信号上传至数据分析装置5，数据分析装置5对数据进行分析，包括每一幅图像的获取、滤波、二值化、分割、膨胀等，并对提取的图像特征参数进行分析，保证测量精度在99%以上，由弹射过程的位置变化数据和姿态角速度得到弹射过程的速度、加速度和姿态角采样值，以及分离信号、速度、加速度、姿态角和位移随时间变化的曲线。

7、数据分析装置5将处理的的结果在显示器上进行显示，如系统工作状态，弹射分离过程的姿态角、速度、加速度采样值，分离信号、速度、加速度和位移随时间变化的曲线等。

上述实施例中，视觉识别装置4的主控单元44的采样间隔是1ms。设定延时断开继电器在3秒后复位，整个分离参数的采集过程在3秒内能够完成。弹射信号是整个测试系统时间基准的开始，其信号质量至关重要，应采用可靠地滤波，必须将机械按钮产生的抖动彻底滤除后再送给整个测试系统作为采集开始时间基准。

上述实施例中，被弹射物2中安装的三轴陀螺仪22以InvenSense公司推出的新一代MPU9250型9轴运动监控处理器为核心，该处理器内部集成有3轴MEMS陀螺仪+3轴加速度计+3轴罗盘处理器，用来记录被弹射物2在下落过程中的姿态角变化情况。存储单元43由ISSI公司的IS61C6416型64K*16高速CMOS静态存储单元43组成。被弹射物2的无线发射单元24和视觉识别装置4的无线接收单元41组成的无线通讯模块采用TI公司的CC3200型WIFI模块。视觉识别装置4中的主控单元44是ARM主控MCU单元，采用ST公司的STM32F103型微处理器。数据分析装置5中的嵌入式图像处理单元51采用ARM+FPGA的设计方案，嵌入式图像处理单元51中的FPGA模块采用Altera公司的高性能低价格CycloneIV系列的EP4CE10F17C8型FPGA，用于图像处理运算和PCI总线通讯的控制。ARM模块采用ST公司生产的STM32F103型微处理器，用于作为复杂事件的处理、控制、图像采集和TCP/IP通讯模块的控制。ARM模块通过UART接口与FPGA进行通讯。嵌入式图像处理单元51通过PCI总线与工控机进行数据交互，实现实时事件记录、回放控制及检测结果统计和远程传输功能。

需要说明的是，工控机的PCI高速数据采集板卡接收到弹射信号（外触发门控信号）时，开始对分离信号进行单通道实时采集，采样频率通过PCI高速数据采集板卡的板载定时器单元42设定，定为10K。3秒时，延时断开继电器复位，“弹射信号”消失（门控关闭），AD采集停止。安装于被弹射物2本体内的分离信号产生装置21用于产生分离信号。图7是本发明一实施例中分离信号电压与采样点的关系曲线图。如图7，此实施例中，被弹射物2和弹射装置1分离前，分离信号为+5V电平，对应图7中的1状态，被弹射物2和弹射装置1分离完成后，分离信号接地，输出0V，对应图7中的0状态，被弹射物2在从弹射装置1上分离过程中，会产生5V-0V之间的电压波动，以5V的采样结束点（400点）作为分离过程的起始点，以0V的采样开始点（500点）作为分离过程的结束点，取分离过程的起始点到结束点的中间值，即取400点和500点的中间值450点采样时刻作为分离时刻，该点应该对应电压波动曲线的波谷，如果不在波谷，取离中间采样值最近的波谷对应的采样时刻作为分离时刻。

本发明方法中，视觉识别装置4不是在弹射分离过程中一边接收感光图像信号运动轨迹数据，一边通过总线发送给数据采集装置，而是当完成一次弹射试验后，视觉识别装置4利用TCP/IP总线将存储单元43中的运动轨迹数据全部发送给数据采集装置进行数据的分析与处理。这样可以避免在弹射实验过程中，视觉识别装置4同时发送和接收数据所带来的测试数据丢失与效率较低的问题，有效地提高了测试的可靠性与准确性。

下面详细介绍数据分析装置5对被弹射物2头部分离参数的提取。

如图11，实线部分为被弹射物2在弹射发生的时刻的位置，虚线部分表示被弹射物2在经过一个采样间隔时间t后，即时刻内所在位置。安装于头部、质心和尾部的三个激光光源23在每个采样周期内反馈回头部、质心和尾部参考点的加速度数据。其中，为头部安装的激光光源23在时刻的测量数据，为质心安装的激光光源23在时刻的测量数据，为尾部安装的激光光源23在时刻的测量数据。为头部安装的激光光源23在时刻的测量数据。为头部安装的激光光源23在时刻的测量数据在X轴水平方向的分量，为头部安装的激光光源23在时刻的测量数据在Y轴竖直方向的分量。

t为采样间隔时间，即采样周期，该时间大小由视频识别装置的采样频率决定。为在时刻被弹射物2相对水平方向X轴的偏转角度，为在时刻被弹射物2相对水平方向X轴的偏转角度，为时刻安装于质心的三轴陀螺仪反馈的数据经计算后所得到的偏转角度数据。由于头部所安装的激光光源23垂直于径向平面，因此为在时刻被弹射物2头部参考点的径向平面与竖直方向Y轴的夹角。由于测试设备中测量偏转角度使用的传感器是安装于质心位置的三轴陀螺仪，因此利用三轴陀螺仪所反馈的角速度数据可以计算在时刻被弹射物2偏转角度，单位为。

为从到时刻经过一个采样周期间隔t后，被弹射物2头部参考点相对于地平面所发生的位移大小。为从到时刻经过一个采样周期间隔t后，被弹射物2头部参考点相对于地平面所发生的位移在水平方向X轴的位移分量。为从到时刻经过一个采样周期间隔t后，被弹射物2头部参考点相对于地平面所发生的位移在竖直方向Y轴的位移分量。

下面以头部参考点运动轨迹分析对数据分析方法进行说明。

利用数学与物理学的知识，头部参考点的位移与角度在每一个采样周期内的变化情况分析如下：

…………公式(1)

…………公式(2)

…………公式(3)

…………公式(4)

…………公式(5)

…………公式(6)

…………公式(7)

…………公式(8)

…………公式(9)

表示在第n个采样周期内头部参考点在水平方向X轴分量的平均加速度，表示在第n个采样周期内头部参考点在竖直方向Y轴分量的平均加速度，表示在第n个采样周期内头部参考点在弹射下落轨迹方向的加速度，表示在第n个采样周期内质心参考点相对水平方向X轴的角速度。

采样周期t的时间长短由视觉识别装置4的采样速率（约256kS/s）确定。根据计算可知，在1s的测试时间内，数据分析装置5可以获得256k个采样数据，每一个采样周期时间约为1ms，即感光靶3的数据刷新周期约为1ms。由于采样时间间隔很小，而在很小的采样时间间隔内加速度大小和方向的变化量不会很大，因此，在不提高采样速率的情况下无法获得更加准确的加速度变化量。本发明采用二值平均法取两个采样时间点所获得数据的平均值来进行数据处理与拟合。等于第(n-1)个和第n个采样周期内头部参考点姿态角速度的平均值，其计算公式如下：

第n个采样周期内的角速度：

………公式(10)

利用公式(1)~(10)和所测得被弹射物的位移轨迹数据可以反推出在任意一个采样周期到内，头部参考点相对地平面的位移大小，头部参考点相对地平面位移在水平方向X轴的分量，头部参考点相对地平面位移在竖直方向Y轴的分量，头部参考点相对水平方向的姿态角的变化情况，以及被弹射物在X轴与Y轴的速度、加速度变化情况。

利用下列公式(11)~(12)可以计算出在任意时刻被弹射物2头部参考点相对于弹射发生前所发生的水平方向X轴位移与竖直方向Y轴位移。

X轴：

（m大小取决于采样点个数）………公式(11)

Y轴：

………公式(12)

在进行软件设计时，根据前面分析可知：对每一个采样周期所获得的被弹射物在感光靶上所形成的运动轨迹数据和角速度数据都要进行数据处理和分析，并按照需要进行迭代计算，以获得每一个采样周期内头部参考点相对地平面发生的位移、头部参考点相对水平方向偏转的姿态角、头部参考点相对于零点位置所发生的水平方向X轴位移、竖直方向Y轴位移、头部参考点在X轴方向的速度与加速度、头部参考点Y轴方向的速度与加速度随时间变化的曲线，并将该结果显示在软件分析界面，同时绘制出头部参考点的变化轨迹曲线。

质心、尾部参考点运动轨迹分析方法与头部参考点完全相同，因此不再对此部分进行介绍，具体分析计算方法参考头部参考点即可。

以上描述仅是本发明的一个较佳实施例，本发明还可以广泛地用在其他实施例中，并且本发明的保护范围并不受实施例的限定，以权利要求的保护范围为准。任何熟悉本专业的技术人员，可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种弹射装置的分离参数检测系统，其特征在于，包括被弹射物（2）、感光靶（3）、视觉识别装置（4）以及数据分析装置（5），在被弹射物（2）中设有用于获取被弹射物（2）与弹射装置（1）分离时刻并发出分离信号的分离信号产生装置（21），在被弹射物（2）的质心设有采样弹射过程姿态角速度信号的三轴陀螺仪（22），并至少在被弹射物（2）的质心处设有激光光源（23），所述分离信号产生装置（21）和三轴陀螺仪（22）与视觉识别装置（4）无线连接，感光靶（3）沿被弹射物（2）与弹射装置（1）分离的方向设置，并与被弹射物（2）上的激光光源（23）相对，以获取激光光源（23）在弹射过程中的运动轨迹，视觉识别装置（4）将通过感光靶（3）获取的感光图像信号和无线接收的采样分离信号、姿态角速度信号进行处理，在采集过程结束后，通过通信单元上传至数据分析装置（5）。

2.根据权利要求1所述的一种弹射装置的分离参数检测系统，其特征在于，所述感光靶（3）设有采样激光光源感光图像信号的光敏传感器（31）和对感光图像信号进行增强处理的信号增强单元（32），信号增强单元（32）连接视觉识别装置（4）。

3.根据权利要求1所述的一种弹射装置的分离参数检测系统，其特征在于，所述视觉识别装置（4）包括无线接收单元（41）、定时器单元（42）、存储单元（43）及主控单元（44），被弹射物（2）内设有无线发射单元（24）,所述无线接收单元（41）接收被弹射物（2）的无线发射单元（24）发出的采样分离信号和姿态角速度信号，主控单元（44）分别与无线接收单元（41）、定时器单元（42）、存储单元（43）、感光靶（3）和弹射装置（1）连接，主控单元（44）根据弹射装置（1）发出的弹射信号，触发定时器单元（42）开始计时并控制采样频率和时间，存储单元（43）存储有采样的分离信号、姿态角速度信号和感光靶获取的感光图像信号，主控单元（44）对感光图像信号去噪后，提取出被弹射物（2）的位置变化采样信号，主控单元（44）将位置变化采样信号、分离信号、姿态角速度信号标记时间戳以初步合成图像，并在采集过程结束后，通过TCP/IP通信单元（451）上传至数据分析装置（5）。

4.根据权利要求1所述的一种弹射装置的分离参数检测系统，其特征在于，所述数据分析装置（5）包括嵌入式图像处理单元（51）和工控机（52），工控机（52）与弹射装置（1）连接，工控机（52）的采集卡采集弹射装置（1）的弹射信号，并触发视觉识别装置（4）的定时器单元（42）开始计时以控制采样时间，嵌入式图像处理单元（51）在采样结束后接收TCP/IP通信单元（451）发送的标记时间戳的位置变化采样信号、分离信号、姿态角速度信号及初步合成图像，工控机（52）根据弹射过程的位置变化数据和姿态角速度，得到弹射分离过程的速度、加速度和姿态角采样值，以及分离信号、速度、加速度、姿态角和位移随时间变化的曲线。

5.根据权利要求1所述的一种弹射装置的分离参数检测系统，其特征在于，所述分离参数检测系统还包括显示器（6），用于显示系统工作状态、弹射分离过程的姿态角、速度、加速度采样值，以及分离信号、速度、加速度和位移随时间变化的曲线。

6.根据权利要求1所述的一种弹射装置的分离参数检测系统，其特征在于，所述激光光源（23）有3个，分别位于被弹射物的头部、尾部和质心处，对应的感光靶（3）和视觉识别装置（4）均有3个，所述激光光源（23）是线状内调式激光光源。

7.根据权利要求4所述的一种弹射装置的分离参数检测系统，其特征在于，所述嵌入式图像处理单元（51）包括FPGA单元和ARM单元，ARM单元通过UART接口与FPGA单元进行通讯，FPGA单元用于图像处理和PCI总线通讯的控制，ARM模块用于控制TCP/IP通讯单元（45）和图像采集，FPGA单元利用PCI总线将采集的信号送至工控机（52）。

8.一种弹射装置的分离参数检测方法，其特征在于，

被弹射物（2）从弹射装置（1）上弹出之前，视觉识别装置（4）控制感光靶（3）以固定采样频率采集被弹射物（2）的激光光源运动轨迹，获取被弹射物（2）初始状态的感光图像信号；

被弹射物（2）从弹射装置（1）上弹出时，被弹射物（2）的分离信号产生装置（21）发出分离信号，三轴陀螺仪（22）开始测量姿态角速度信号，视觉识别装置（4）开始以固定采样频率采集并存储分离信号产生装置（21）发出的分离信号、三轴陀螺仪（22）测量的姿态角速度信号和感光靶（3）获取的被弹射物（2）的感光图像信号，视觉识别装置（4）对感光图像信号去噪后，提取出被弹射物（2）的位置变化采样信号，并将位置变化采样信号、分离信号、姿态角速度信号标记时间戳以初步合成图像；

采集过程结束后，视觉识别装置（4）将标记时间戳的位置变化采样信号、采样的分离信号和姿态角速度信号上传至数据分析装置（5），数据分析装置（5）根据弹射过程的位置变化数据和姿态角速度得到弹射过程的速度、加速度和姿态角采样值，以及分离信号、速度、加速度、姿态角和位移随时间变化的曲线。

9.根据权利要求8所述的一种弹射装置的分离参数检测方法，其特征在于，当按下弹射装置（1）上的弹射按钮时，弹射装置（1）发出弹射信号，弹射装置（1）延时2秒完成预热，同时，弹射按钮触发弹射装置（1）的延时断开继电器延时2秒动作，使被弹射物（2）从弹射装置（1）上弹出；

弹射装置（1）连接数据分析装置（5）的工控机（52），工控机（52）的采集卡接收到弹射信号时，触发视觉识别装置（4）的定时器单元（42）开始计时，定时器单元（42）计时1秒时给主控单元（44）一个触发信号，主控单元（44）初始化感光靶（3）的数据，并以固定采样频率采集被弹射物（2）的激光光源运动轨迹；

定时器单元（42）计时2秒时给主控单元（44）一个触发信号，主控单元（44）开始以固定采样频率采集分离信号产生装置（21）发出的分离信号和三轴陀螺仪（22）测量的姿态角速度信号，并控制存储单元（43）开始存储分离信号、姿态角速度信号和感光靶获取的感光图像信号；

定时器单元（42）计时3秒时给主控单元（44）一个触发信号，主控单元（44）停止采集，并控制感光靶（3）、分离信号产生装置（21）和三轴陀螺仪（22）停止工作，采集过程结束。

10.根据权利要求8或9所述的一种弹射装置的分离参数检测方法，其特征在于，系统先进行自检，确认各部分的功能和通讯是否正常，如果正常，则触发弹射装置（1）动作，否则，发出警报并停止系统运行。