CN106949781A - 一种自行火炮调炮精度测试方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自行火炮调炮精度测试方法及设备，其包括安装结构单元、捷联惯性测量单元、存储单元以及供电单元，所述结构安装单元依据所述捷联惯性测量单元、存储单元以及供电单元中器件体积及火炮内膛结构要求，将自行火炮调炮精度测试设备外形按照药筒结构参数进行设计，使得测试设备测试时装填并固定于火炮身管药室内，避免测试设备测量精度受到结构安装精度影响，具有运行效率高、性能稳定、操作方便等优点，可广泛应用于各类型火炮调炮精度测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种自行火炮调炮精度测试方法及设备，属于测试技术领域，解决自行火炮调炮精度快速准确测试的问题。
背景技术
自行火炮作为现代陆军的主战装备，在高强度的作战对抗中要求能够先敌实施打击并实现首发命中或首群覆盖。调炮精度指身管调转时要求达到的指向位置与实际位置的误差，是决定火炮瞄准精度的重要技术指标，对于能否实现首发命中或首群覆盖具有至关重要的作用，因此在火炮试验定型、作战准备以及大修等过程中必须对调炮精度进行检测，从而保证自行火炮的精确打击能力。
传统的随动调炮精度方法以人工方式为主，通过人眼判读远方靶板坐标计算调炮精度，其检测过程费时费力且测试结果可信度较低。当前，在国家靶场等测试条件较好的部门，已经普遍采用双经纬仪通过对身管上两个特定点的空间位置进行交会测量，解算身管轴线的高低角和方位角，但该方法对双经纬仪布站位置的要求很高，且测试过程中存在身管上两个特定点位置连线难以与身管轴线保持平行、操作复杂以及调炮角度测试范围受限等问题。
以光纤陀螺和加速度计8为敏感器件的捷联惯性测量单元，能够根据惯性器件的输出解算载体在导航坐标系中的位置，具有不依赖外部信息、可全天候工作、数据更新速度快、测试精度高以及稳定性好等优点，但同时也存在初始对准时间长以及必须稳定可靠安装等问题。在利用捷联惯性测量单元实现调炮精度快速准确测试时，需针对自行火炮调炮精度测试要求，设计专用设备，解决初始对准时间较长以及稳定可靠安装等问题。
发明内容
为解决背景技术中的问题，本发明针对调炮精度测试时火炮处在静止状态，依据器件体积、供电等要求设计捷联惯性测量单元、存储供电单元以及结构安装单元，并在姿态解算中采用惯性系快速自对准算法获取捷联姿态矩阵，利用四元法解算姿态矩阵，实现自行火炮调炮精度测试设备的研制。
本发明用于实现上述一种自行火炮调炮精度测试设备，包括捷联惯性测量单元、存储单元以及供电单元，其特征在于：所述测试设备还包括安装结构单元；所述捷联惯性测量单元、存储单元、供电单元安装固定在安装结构单元内；所述安装结构单元外部依据火炮内膛结构将所述自行火炮调炮精度测试设备外形按照药筒结构参数进行设计，测试过程中，利用火炮关闩力将闩体前镜面与所述测试设备的安装结构单元后端面压紧，所述测试设备的前端通过橡胶圈与身管内壁挤压产生摩擦力夹紧固定，使所述测试设备始终固定在身管内膛的确定位置。
本发明还提供了一种自行火炮调炮精度测试设备的调炮精度测试方法，包括以下步骤：
步骤1、将待测试的火炮展开，并调转其身管至初始位置；
步骤2、打开火炮炮闩，将测试设备安装于身管内膛并关闩，利用关闩力使测试设备与身管相对位置固定；
步骤3、启动测试设备，并等待5分钟，使测试设备完成初始化；
步骤4、调转火炮身管至相应角度，并记录火控面板显示的调转高低角和方向角大小；
步骤5、打开火炮炮闩，取出调炮精度测试设备，将设备中的存储卡置于上位机中读取测试过程中的高低角和方向角指向变化；
步骤6、计算并记录调炮精度测试设备测试结果与火炮火控面板调转身管显示结果差值。
本发明有益效果是：
1、本发明的测试设备操作简便、测试时间短、准确度高，可以有效解决自行火炮调炮精度快速准确测试的难题；
2、可用于各类型火炮设计研制、使用以及维修过程中调炮精度的测试，对于缩短火炮研制周期、简便火炮操作维修流程等都具有十分积极的意义。
附图说明
图1是火炮调炮精度测试设备组成单元；
图2是光纤陀螺信号采集板电路结构；
图3是加速度计信号采集板电路图；
图4是捷联惯性测量单元解算模块电路结构图；
图5是捷联惯性测量单元解算流程；
图6是单路陀螺的接口功能实现模块。
其中：1-安装结构单元1 2-捷联惯性测量单元 3-存储单元 4-供电单元 5-光源
6-光纤陀螺，7-光纤陀螺支架，8-加速度计，9-捷联惯性测量单元电路板，10-SD存储卡，11-安装结构单元前端橡胶圈，12-安装结构单元后端面。
具体实施方式
以下将结合附图1-6对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明用于实现上述火炮调炮精度测试的设备包括安装结构单元1、捷联惯性测量单元2、存储单元3以及供电单元4。
(一)安装结构单元1
所述安装结构单元1内部依据光纤陀螺7和加速度计8等器件大小及火炮内膛尺寸要求，将捷联惯性测量单元2、存储单元3及供电单元4安装固定在结构安装单元1内；外部依据火炮内膛结构将自行火炮调炮精度测试设备外形按照药筒结构参数进行设计，从而在测试设备使用时，利用火炮关闩力将闩体前镜面与测试设备的安装结构单元后端面12压紧，而设备的前端则通过橡胶圈11与身管内壁挤压产生摩擦力夹紧固定，以保证测试时设备始终固定在身管内膛某一确定位置。
(二)捷联惯性测量单元2
所述捷联惯性测量单元2利用光纤陀螺和加速度计组件分别测量火炮身管沿载体(所述载体即为火炮身管)坐标系三个轴的角速度和加速度信号，并将该信号送至解算模块进行误差补偿和姿态矩阵计算，进而通过提取姿态矩阵的元素计算火炮的调炮角度信息。
所述捷联惯性测量单元2包括光源5、光纤陀螺7、加速度计8、捷联惯性测量单元电路板9。
所述光源5为所述光纤陀螺7提供光信号。所述光纤陀螺7可用来采集火炮调炮时身管转动的角速度信息，在本发明中选用哈尔滨工业大学某FMU100型三轴一体光纤陀螺，其主要技术指标为：
所述加速度计8可用来采集火炮调炮时身管转动的加速度信息，在本发明中选用中国航天科工集团三院33所生产的JN－06A系列石英挠性加速度计，其主要技术指标为：
偏值稳定性：1μg；
月重复性：1μg；
测量范围：±20g。
所述捷联惯性测量单元电路板9包括惯性信号采集模块和解算模块。
所述惯性信号采集模块包括陀螺信号采集板和加速度计信号采集板。
所述陀螺信号采集板主要完成对光纤陀螺信号的采集和发送。如图2所示，所述光纤陀螺为三轴一体光纤陀螺，其输出的信号首先通过光电检测器变为电压信号经过精密运算放大器放大后的信号经A/D转换器变为数字信号FPGA芯片对接收到的数字信号进行信号解调、积分和阶梯波生成等处理，输出数字信号该信号经过D/A转换器变为模拟信号信号经过放大器放大后的信号输出至相位调制器完成对环路的控制，同时将FPGA寄存器中的陀螺数字信号量发送到捷联惯性测量单元解算模块。
所述加速度计信号采集板主要完成对加速度计信号的采集和发送，该电路板采用高分辨率模数转换芯片和仪表放大器组成的高精度加速度计信号采集电路方案，根据三个通道信号需要同时读出的要求，设计成并行数字读出方案。如图3所示，石英挠性加速度计采用电流输出方式，通过精密电阻采样将加速度计直接输出的电流信号转换为电压信号然后采用精密仪表放大器对电压信号进行放大，经过放大后的信号通过模数转换芯片后变成串行数字信号送给捷联惯性测量单元解算模块进行数据处理。
如图4所示，解算模块包括高速数字信号处理器(DSP)、采用FPGA设计的加速度计信号接口电路、陀螺信号接口电路及对外设备接口电路、初始系统参数读入电路。
解算模块中，DSP主要作用是执行系统解算及相应的控制算法程序；FPGA中加速度计信号接口电路将加速度计信号采集板发送过来的串行数据转换为并行数据后送给DSP进行数据处理，陀螺信号接口电路负责接收陀螺信号采集板发送过来的数据 传送给DSP进行数据处理和存储，对外设备接口电路主要由FPGA和MAX487构成，负责完成系统对外设备的通信。
由于实现DSP系统对陀螺数据的采集需要把陀螺串行数据转化为并行数据，因此FPGA中设计有专门的陀螺信号接口电路。如图6所示，单路陀螺信号接口电路包括串并转换模块、单稳发生电路模块和总线控制模块，其中串并转换模块用来实现陀螺数据的串并转换，单稳发生电路模块用来触发控制数据串并转化，总线控制模块用来实现多个陀螺信号接口电路与DSP数据总线之间的数据传输，而整个陀螺信号接口模块则由三个单路陀螺信号接口电路组成。
图5为捷联惯性测量单元解算流程，其核心算法为在初始对准和姿态解算中采用惯性系凝固初始对准和四元数法完成姿态矩阵更新解算，从而保证火炮调炮精度测试的快速性和准确性。
所述初始系统参数读入电路的作用是将包括陀螺零位、陀螺标度因数、加速度计零位、加速度计标度因数以及经、纬度的系统初始参数读入到DSP中。由于捷联惯性测量单元调试过程中上述初始参数可能发生变化，本发明中采用ATMEL公司的串行EEPROM芯片，将零位误差以及标度因数这些参数在DSP的捷联程序中设计成变量，每次修改时通过计算机的串口传给DSP的变量，同时利用DSP将这些参数写入EEPROM中，由于串行EEPROM具有掉电保护数据功能，当系统再断电重启时，DSP再将EEPROM中最新修改的零位误差以及标度因数参数读取出来，送给DSP的程序中的变量，而避免每次系统重启都需要启用计算机的串口把参数再写一遍，从而实现在线修改参数。
(三)存储单元3
存储单元分为三部分，分别为SDRAM，SPI Flash和SD卡。其中，SDRAM为实现实验过程中大量数据的高速存储和处理，容量为256Mb可存储上千万次的角度测量值，其与DSP通过EMIFB连接，工作时钟为133MHz。SPI Flash用于存储DSP应用程序，其通过SPI与DSP相连接，容量为64Mb。SD卡用于存储原始测试数据，利用DSP通过SD卡控制器对其进行读写操作，为方便数据在PC机上进行读写，在DSP平台上实现FAT32文件系统。本发明中采用基于半导体快闪记忆的TS4GSDHC80I型高速SD存储卡保存原始测试数据。
(四)供电单元4
供电单元由锂电池组和DC-DC整流稳压模块组成。其中，锂电池提供直流电源，具备充电及电量监测功能，根据系统额定工作状态要求，由7节3.7V电池串联为一组的两组锂电池并联供电；DC-DC整流稳压模块包括：±12V开关稳压模块给加速度计采集单元供电；±5V开关稳压模块给三轴光纤陀螺供电；3.3V稳压模块给DSP、FPGA外设和各存储模块供电；1.2V稳压模块给DSP内核供电。
使用本发明自行火炮调炮精度测量设备进行火炮调炮测试方法的步骤包括：
1、将待测试的火炮展开，并调转其身管至初始位置，使火炮火控面板显示的身管高低角和方向角均为00-00；
2、打开火炮炮闩，将测试设备安装于身管内膛并关闩，利用关闩力使测试设备与身管相对位置固定；
3、启动测试设备，并等待5分钟，使测试设备完成初始化；
4、调转火炮身管至相应角度，并记录火控面板显示的调转高低角和方向角大小；
5、打开火炮炮闩，取出调炮精度测试设备，将设备中的存储卡置于上位机中读取测试过程中的高低角和方向角指向变化；
6、计算并记录调炮精度测试设备测试结果与火炮火控面板调转身管显示结果差值；
重复步骤1-5，进行3次重复实验，计算调炮精度测试设备测试结果与火炮火控面板显示调转结果差值的平均值，即为该火炮调炮精度。
Claims (6)
1.一种自行火炮调炮精度测试设备，包括捷联惯性测量单元(2)、存储单元(3)以及供电单元(4)，其特征在于：所述测试设备还包括安装结构单元(1)；所述捷联惯性测量单元(2)、存储单元(3)、供电单元(4)安装固定在安装结构单元(1)内；所述安装结构单元(1)外部依据火炮内膛结构将所述自行火炮调炮精度测试设备外形按照药筒结构参数进行设计，测试过程中，利用火炮关闩力将闩体前镜面与所述测试设备的安装结构单元(1)后端面压紧，所述测试设备的前端通过橡胶圈与身管内壁挤压产生摩擦力夹紧固定，使所述测试设备始终固定在身管内膛的确定位置。
2.根据权利要求1所述的一种自行火炮调炮精度测试设备，其特征在于：所述捷联惯性测量单元(2)包括光源(5)、光纤陀螺(7)、加速度计(8)、捷联惯性测量单元电路板(9)；所述光源(5)为光纤陀螺(7)提供光信号；所述光纤陀螺(7)用来采集火炮调炮时身管转动的角速度信息；所述加速度计(8)用来采集火炮调炮时身管转动的加速度信息；所述捷联惯性测量单元电路板(9)包括惯性信号采集模块和解算模块；所述惯性信号采集模块包括陀螺信号采集板和加速度信号采集板；所述陀螺信号采集板采集光纤陀螺信号，通过光电检测器将光纤陀螺信号变为电压信号，送至精密运算放大器放大后经A/D转换器变为数字信号，在FPGA芯片中，对接收到的数字信号进行信号解调、积分和阶梯波生成处理，输出的数字信号经过D/A转换器变为模拟信号，该信号经过放大器放大后输出至相位调制器完成对环路的控制，同时将FPGA寄存器中的陀螺数字信号量发送到所述解算模块进行数据处理。
3.根据权利要求2所述的一种自行火炮调炮精度测试设备，其特征在于：所述加速度计(8)信号采集板采集三个通道加速度计(8)信号；每个通道中，精密电阻采样将加速度计(8)直接输出的电流信号转换为电压信号，然后采用精密仪表放大器对所述电压信号进行放大，经过放大后的信号通过模数转换芯片后变成串行数字信号送到所述解算模块进行数据处理。
4.根据权利要求2所述的一种自行火炮调炮精度测试设备，其特征在于：所述解算模块包括高速数字信号处理器(DSP)、采用FPGA设计的加速度计信号接口电路、陀螺信号接口电路及对外设备接口电路、初始系统参数读入电路；解算模块中DSP可执行系统解算及相应的控制算法程序；加速度计信号接口电路将加速度计信号采集板发送过来的串行数据转换为并行数据后送给DSP进行数据处理；陀螺信号接口电路将接收陀螺信号采集板发送过来的数据传送给DSP进行数据处理和存储；对外设备接口电路主完成系统对外设备的通信；所述陀螺信号接口电路把陀螺串行数据转化为并行数据，所述陀螺信号接口电路由三个单路陀螺信号接口电路组成；所述单路陀螺信号接口电路包括串并转换模块、单稳发生电路模块和总线控制模块，串并转换模块用来实现陀螺数据的串并转换，所述单稳发生电路模块用来触发控制数据串并转化，所述总线控制模块用来实现多个陀螺信号接口电路与DSP数据总线之间的数据传输；所述初始系统参数读入电路采用串行EEPROM芯片，可将初始参数读入到DSP中，当系统再断电重启时，DSP可将所述串行EEPROM中存储的最新修改的零位误差以及标度因数参数读取出来，实现在线修改参数。
5.根据权利要求1所述的一种自行火炮调炮精度测试设备，其特征在于：所述供电单元(4)由锂电池组和DC-DC整流稳压模块组成；锂电池提供直流电源；DC-DC整流稳压模块包括：±12V开关稳压模块、±5V开关稳压模块、3.3V稳压模块和1.2V稳压模块，其中，±12V开关稳压模块给加速度计(8)采集单元供电；±5V开关稳压模块给三轴光纤陀螺供电；3.3V稳压模块给DSP、FPGA外设和各存储模块供电；1.2V稳压模块给DSP内核供电。
6.一种采用如权利要求1所述的自行火炮调炮精度测试设备的调炮精度测试方法，包括以下步骤：
步骤1、将待测试的火炮展开，并调转其身管至初始位置；
步骤2、打开火炮炮闩，将测试设备安装于身管内膛并关闩，利用关闩力使测试设备与身管相对位置固定；
步骤3、启动测试设备，并等待5分钟，使测试设备完成初始化；
步骤4、调转火炮身管至相应角度，并记录火控面板显示的调转高低角和方向角大小；
步骤5、打开火炮炮闩，取出调炮精度测试设备，将设备中的存储卡置于上位机中读取测试过程中的高低角和方向角指向变化；
步骤6、计算并记录调炮精度测试设备测试结果与火炮火控面板调转身管显示结果差值。
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