CN114113661B - 用于弹丸轴向加速度测量的固定载体、速度测量系统和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体，包括上端盖和固定支撑构件。所述上端盖上表面中心位置安装有MEMS加速传感器，上端盖除MEMS加速传感器的安装区域之外的区域开设有呈环形排列的线路过孔；所述固定支撑构件包括第一支撑连接块、第二支撑连接块和第三支撑连接块；第一支撑连接块、第二支撑连接块和第三支撑连接块相互配合连接形成一个圆柱结构；所述圆柱结构的顶部设置有向上突起的卡紧件，所述卡紧件与上端盖外圆卡接。
Description
技术领域
本公开属于加速度测试技术领域，具体涉及一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体、速度测量系统和测量方法。
背景技术
弹丸的轴向加速度是火炮动态参数测试过程中一项重要的参数并广泛应用于各军事研究领域。在自主式一维弹道修正引信进行射程修正时，弹丸的轴向加速的精确测量对提高射程精度至关重要。根据弹丸轴向加速度的测量值可以建立弹道解算的数学模型，该模型可用于弹道修正和弹道预测。利用动态存储测试技术对弹丸在膛内发射过程中的轴向加速度数据的采集和处理可以估算弹丸的炮口速度。因此提高弹丸轴向的加速度测量精度，扩大弹丸的轴向加速度的测量范围在火炮动态参数测试过程中具有重要的意义。
传统的加速度传感器内部通常具有机械结构，因此不能适用于火炮发射过程中高过载冲击的环境。传统的加速度计采集的加速度信号需要外围的放大、滤波等信号调理电路进行处理，且需要微处理器的A/D采样模块进行模数转化，电路系统复杂会导致整体系统的可靠性下降。传统传感器复杂的电路构成以及相对较大的体积对于一些内部空间狭小的弹丸是不可接受的。
发明内容
本公开的目的是提供一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体、测量系统和基于MEMS加速传感器的弹丸轴向加速度测量方法，用于解决现有技术中利用激光技术测量高速物体的飞行速度时只能简单获取加速度而无法实现加速度获取与控制指令的互动结合和传感器在载体内部无法准确定位而带来测量误差的问题，以及采用复杂电路系统导致整体系统的可靠性下降的技术问题，和直接采用MEMS加速传感器会存在零点漂移的问题。
为了实现上述目的，根据本公开的第一方面，提供一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体，包括上端盖和固定支撑构件。
所述上端盖上表面中心位置安装有MEMS加速传感器，上端盖除MEMS加速传感器的安装区域之外的区域开设有呈环形排列的线路过孔；MEMS加速传感器的电路连接线穿过所述线路过孔；所述固定支撑构件包括第一支撑连接块、第二支撑连接块和第三支撑连接块；第一支撑连接块和第三支撑连接块均设置有凹连接面，第二支撑连接块设置有正向连接面和反向连接面，所述第一支撑连接块的凹连接面与所述第二支撑连接块的正向连接面相互配合连接，内部形成第一容置腔，所述第三支撑连接的凹连接面与所述第二支撑连接块的反向凹连接面相互配合连接，内部形成第二容置腔，第一支撑连接块、第二支撑连接块和第三支撑连接块相互配合连接形成一个圆柱结构；所述第一容置腔内固定有第一电路板，所述第二容置腔内固定有第二电路板，所述第一电路板的电路连接线穿过所述线路过孔与所述MEMS加速传感器连接，所述第二电路板的电路连接线穿过所述圆柱结构内部空间和所述所述MEMS加速传感器以及所述第一电路板连接；所述圆柱结构的顶部设置有向上突起的卡紧件，所述卡紧件与上端盖外圆卡接。
可选地，所述圆柱结构在圆周方向上有多个间隔的切削凹槽，所述切削凹槽在所述第一支撑连接块、第二支撑连接块和第三支撑连接块以形状锁合和/或力锁合的方式相互配合的位置形成。
可选地，所述第一支撑连接块的凹连接面和第二支撑连接块的正向连接面上均设置有一个固定栓和一个圆形凹陷，所述第一支撑连接块的凹连接面上的固定栓穿过所述第一电路板上的过孔与所述第二支撑连接块的正向连接面的圆形凹陷相互卡插接并卡紧，所述第一支撑连接块的凹连接面上的圆形凹陷穿过所述第一电路板上的过孔与所述第二支撑连接块的正向连接面的固定栓相互卡插接并卡紧；所述第二支撑连接块的反向连接面和第三支撑连接块的凹连接面与所述第一支撑连接块的凹连接面和第二支撑连接块的正向连接面连接结构设置相同。
可选地，所述固定支撑构件的圆周尺寸被确定为与弹丸中部内径尺寸吻合，所述圆柱结构的圆周外侧沿周向地设有环形凹槽，所述圆柱结构通过环形凹槽与弹丸内壁的突环卡接，所述固定载体的圆周外侧壁贴靠在弹丸内壁上。
根据本公开的第二方面，提供一种用于弹丸轴向加速度测量的测量系统，该系统包括MEMS加速度传感器，用于测量弹丸的弹丸轴向加速度；固定载体，用于可拆卸的将所述MEMS加速度传感器安装到弹丸上；所述固定载体上固定有系统控制装置，所述系统控制装置与上位机装置连接，所述系统控制装置用于接收所述MEMS加速度传感器检测到的弹丸轴向加速度信号；然后对所述弹丸轴向加速度信号进行滤波补偿，得到弹丸轴向加速度数据；供电系统，用于为整个测量系统供电；其中，所述系统控制装置在读取所述弹丸轴向加速度信号数据之后，对所述弹丸轴向加速度信号数据进行卡尔曼滤波处理得到去除零点漂移后的弹丸轴向加速度数据。
根据本公开的第三方面，提供一种基于MEMS加速传感器的弹丸轴向加速度测量方法，该方法包括：获取当前的弹丸轴向加速度信号；将获取的所述弹丸轴向加速度信号进行去除零点漂移。
可选地，将第k-1时刻的弹丸轴向加速度带入状态方程和协方差矩阵方程；
计算出k时刻的卡尔曼增益，其中，R表示零点漂移的方差，是一个常数，H表示观测矩阵；
根据k时刻的弹丸轴向加速度测量值Z(k)，结合Xk|k-1和k时刻的卡尔曼增益，获得弹丸轴向加速度在k时刻的最优估计，
Xk＝Xk|k-1+K(Zk-HXk|k-1)；
根据弹丸轴向加速度在k时刻的最优估计更新k时刻Xk的协方差。
可选地，所述所述弹丸轴向加速度在k时刻的状态方程和协方差矩阵方程，包括：
所述状态方程的表达式为
Xk|k-1＝FXk-1+BUk
上式表示从k-1时刻到k时刻的弹丸轴向加速度的状态变化过程，其中，Xk|k-1表示在根据k-1时刻预测的k时刻的弹丸轴向加速度数据，Xk-1在k-1时刻采集到的弹丸轴向加速度数据，Uk表示在k时刻采集到的噪声信号数据，F和B分别表示状态转移矩阵和噪声控制矩阵；
所述协方差矩阵方程的表达式为：Pk|k-1＝FPk-1FT+Q，其中，Pk|k-1表示Xk|k-1的协方差。
通过上述技术方案，由于固定载体的的固定支撑构件设置为圆柱结构，且在圆柱结构的圆周外侧沿周向地设有环形凹槽，可与弹丸内壁的突环卡接，使得固定载体固定在弹丸的内部中间，以及通过在第一支撑连接块、第二支撑连接块和第三支撑连接块的连接面上设置固定栓和圆形凹陷可使得位于第一容置腔和第二容置腔内的第一电路板和第二电路板被紧固固定，使得测量装置在弹丸发射时能够承受高过载。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开实施例提供的一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体的爆炸结构示意图；
图3是本公开实施例提供的一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体的倾斜结构示意图；
图4是本公开实施例提供的一种用于弹丸轴向加速度测量的测量系统的框图；
图5是本公开实施例提供的一种基于MEMS加速传感器的弹丸轴向加速度测量方法的流程示意图。
附图标记说明
1—上端盖； 2—固定支撑构件； 3—线路过孔；
4—第一支撑连接块； 5—第二支撑连接块； 6—第三支撑连接块；
7—卡紧件； 8—环形凹槽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
如图1所示，本公开提供一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体，以下为本发明第一实施例，如下所示：
所述固定载体包括上端盖1和固定支撑构件2；
以下为本实施例中，各部件的组成及连接关系，如下所示：
所述固定载体例如采用3D打印方式制作而成，但本公开中的固定载体并不局限于3D打印方式制作，还可以使用例如塑料浇筑而成。
如图1所示，所述上端盖1上表面中心位置安装有MEMS加速传感器，所述MEMS加速传感器安装在一块电路板上，该电路板固定在上端盖1上表面中心位置，可以通过胶水粘接固定在该中心位置，所述上端盖1上表面中心位置还可以设置有一圆柱状的突起，用于将上述电路板连接的线圈缠绕在该突起上；上端盖1除MEMS加速传感器的安装区域之外的区域开设有呈环形排列的线路过孔3；所述线路过孔3同样可以呈不规则的排列方式，只要可以方便的将连接所述MEMS加速传感器的电路连接线穿过该线路过孔3即可，该线路过孔3的直径大于所述MEMS加速传感器的电路连接线直径。
如图1所示，所述固定支撑构件2包括第一支撑连接块4、第二支撑连接块5和第三支撑连接块6，进一步，第一支撑连接块4、第二支撑连接块5和第三支撑连接块6相互配合连接形成一个圆柱结构；第一支撑连接块4和第三支撑连接块6均设置有凹连接面，第二支撑连接块5设置有正向连接面和反向连接面，所述第一支撑连接块4的凹连接面与所述第二支撑连接块5的正向连接面相互配合连接，内部形成第一容置腔，所述第三支撑连接的凹连接面与所述第二支撑连接块5的反向凹连接面相互配合连接，内部形成第二容置腔；其中，第一支撑连接块4和第三支撑连接块6的凹连接面在连接面的表面设置有向内凹陷的腔，但连接面的一周设置为齐平的，便于分别与第二支撑连接块5的正向、反向连接面相互配合，例如以形状锁合和/或力锁合的方式相互配合，可以采用卡扣的方式相互紧固，进一步，在所述圆柱结构在圆周方向上有多个间隔的切削凹槽，所述切削凹槽在所述第一支撑连接块4、第二支撑连接块5和第三支撑连接块6以形状锁合和/或力锁合的方式相互配合的位置形成；进一步，所述第一支撑连接块4的凹连接面和第二支撑连接块5的正向连接面上均设置有一个固定栓和一个圆形凹陷，所述第一支撑连接块4的凹连接面上的固定栓穿过所述第一电路板上的过孔与所述第二支撑连接块5的正向连接面的圆形凹陷相互卡插接并卡紧，所述第一支撑连接块4的凹连接面上的圆形凹陷穿过所述第一电路板上的过孔与所述第二支撑连接块5的正向连接面的固定栓相互卡插接并卡紧；所述第二支撑连接块5的反向连接面和第三支撑连接块6的凹连接面与所述第一支撑连接块4的凹连接面和第二支撑连接块5的正向连接面连接结构设置相同。所述第一支撑连接块4的凹连接面与所述第二支撑连接块5的正向连接面相互配合连接，内部形成第一容置腔，所述第三支撑连接的凹连接面与所述第二支撑连接块5的反向凹连接面相互配合连接，内部形成第二容置腔；进一步，所述第一容置腔内固定有第一电路板，所述第二容置腔内固定有第二电路板，所述第一电路板的电路连接线穿过所述线路过孔3与所述MEMS加速传感器连接，所述第二电路板的电路连接线穿过所述圆柱结构内部空间和所述所述MEMS加速传感器以及所述第一电路板连接，在第一容置腔和第二容置腔内分别设置有第二电路板和第三电路板，第二电路板和第三电路板之间通过电路连接线连接，该电路连接线可穿过第一支撑连接块4、第二支撑连接块5和第三支撑连接块6之间形成的切削凹槽，以及第一电路板的穿过线路过孔3的电路连接线与第二电路板和第三电路板连接，第二电路板上可以设置供电系统。
进一步，所述固定支撑构件2的圆周尺寸被确定为与弹丸中部内径尺寸吻合，所述圆柱结构的圆周外侧沿周向地设有环形凹槽8，所述圆柱结构通过环形凹槽与弹丸内壁的突环卡接，所述固定载体的圆周外侧壁贴靠在弹丸内壁上，使得固定在上端盖1上表面中心位置的安装有MEMS加速传感器的电路板可以位于整个弹丸内腔的中心处，由于弹丸在高速旋转时传感器具有横感特性，所以就需要加速度传感器安装在弹丸的对称轴上，因而将固定载体设置为圆周结构且将MEMS加速传感器安装在上端盖1上表面中心位置，就可以便于测量弹丸的轴向加速度，防止由于MEMS加速传感器的安装位置偏移导致弹丸的轴向加速度测量数据出现偏差。
需要说明的是，在固定支撑构件2的圆周底部的环形凹槽的下环形相对切削掉两圆弧面，形成一个拥有两个弧面的类似长方体结构，在将该支撑载体放置进入弹丸内腔时，在预备通过环形凹槽与弹丸内壁的突环卡接时，将该类似长方体结构的两个弧面从弹丸内壁突环的两个缺口处穿过，在环形凹槽的下环形穿过弹丸内壁的突环且环形凹槽的上环形与弹丸内壁的突环靠近时，转动该固定载体，使得该固定载体顺时针或逆时针旋转90°，即可将该固定载体圆周身外侧的环形凹槽与弹丸内壁的突环卡接，使得固定载体的圆周外侧壁贴靠在弹丸内壁上，将固定载体固定在弹丸内腔。
如图1所示，所述圆柱结构的顶部设置有向上突起的卡紧件7，所述卡紧件与上端盖1外圆卡接，所述卡紧件7位于所述圆柱结构的顶部一周的任意位置，卡紧件7的内侧壁上还设置有向内凹陷的卡槽，上端盖1的外圆一周侧设置有向外突起的棱，该向外突起的棱与紧件7的内侧壁上还设置有向内凹陷的卡槽相互卡紧。
如图2所示，本公开还提出一种用于弹丸轴向加速度测量的测量系统，包括：
MEMS加速度传感器，用于测量弹丸的弹丸轴向加速度；
固定载体，用于可拆卸的将所述MEMS加速度传感器安装到弹丸上；
所述固定载体上固定有系统控制装置，所述系统控制装置与上位机装置连接，所述系统控制装置用于接收所述MEMS加速度传感器检测到的弹丸轴向加速度信号；然后对所述弹丸轴向加速度信号进行滤波补偿，得到弹丸轴向加速度数据；
供电系统，用于为整个测量系统供电；
其中，所述系统控制装置在读取所述弹丸轴向加速度信号数据之后，对所述弹丸轴向加速度信号数据进行卡尔曼滤波处理得到去除零点漂移后的弹丸轴向加速度数据。
如图3所示，本公开还提出一种基于MEMS加速传感器的弹丸轴向加速度测量方法，其采用前述的测量系统进行测量，包括步骤：
获取当前的弹丸轴向加速度信号；
将获取的所述弹丸轴向加速度信号进行去除零点漂移。
进一步，所述将获取的所述弹丸轴向加速度信号进行去除零点漂移，包括：
将第k-1时刻的弹丸轴向加速度带入状态方程和协方差矩阵方程；
计算出k时刻的卡尔曼增益，其中，R表示零点漂移的方差，是一个常数，H表示观测矩阵；
根据k时刻的弹丸轴向加速度测量值Z(k)，结合Xk|k-1和k时刻的卡尔曼增益，获得弹丸轴向加速度在k时刻的最优估计，
Xk＝Xk|k-1+K(Zk-HXk|k-1)；
根据弹丸轴向加速度在k时刻的最优估计更新k时刻Xk的协方差。
进一步，所述弹丸轴向加速度在k时刻的状态方程和协方差矩阵方程，包括：
所述状态方程的表达式为
Xk|k-1＝FXk-1+BUk
上式表示从k-1时刻到k时刻的弹丸轴向加速度的状态变化过程，其中，Xk|k-1表示在根据k-1时刻预测的k时刻的弹丸轴向加速度数据，Xk-1在k-1时刻采集到的弹丸轴向加速度数据，Uk表示在k时刻采集到的噪声信号数据，F和B分别表示状态转移矩阵和噪声控制矩阵；
所述协方差矩阵方程的表达式为：Pk|k-1＝FPk-1FT+Q，其中，Pk|k-1表示Xk|k-1的协方差。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (6)
1.一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体，其特征在于，
所述固定载体包括上端盖（1）和固定支撑构件（2）；
所述上端盖（1）上表面中心位置安装有MEMS加速传感器，上端盖（1）除MEMS加速传感器的安装区域之外的区域开设有呈环形排列的线路过孔（3）；
MEMS加速传感器的电路连接线穿过所述线路过孔（3）；
所述固定支撑构件（2）包括第一支撑连接块（4）、第二支撑连接块（5）和第三支撑连接块（6）；第一支撑连接块（4）和第三支撑连接块（6）均设置有凹连接面，第二支撑连接块（5）设置有正向连接面和反向连接面，所述第一支撑连接块（4）的凹连接面与所述第二支撑连接块（5）的正向连接面相互配合连接，内部形成第一容置腔，所述第三支撑连接的凹连接面与所述第二支撑连接块（5）的反向凹连接面相互配合连接，内部形成第二容置腔，第一支撑连接块（4）、第二支撑连接块（5）和第三支撑连接块（6）相互配合连接形成一个圆柱结构；
所述第一容置腔内固定有第一电路板，所述第二容置腔内固定有第二电路板，所述第一电路板的电路连接线穿过所述线路过孔（3）与所述MEMS加速传感器连接，所述第二电路板的电路连接线穿过所述圆柱结构内部空间和所述所述MEMS加速传感器以及所述第一电路板连接；
所述圆柱结构的顶部设置有向上突起的卡紧件（7），所述卡紧件与上端盖（1）外圆卡接；
所述第一支撑连接块（4）的凹连接面和第二支撑连接块（5）的正向连接面上均设置有一个固定栓和一个圆形凹陷，所述第一支撑连接块（4）的凹连接面上的固定栓穿过所述第一电路板上的过孔与所述第二支撑连接块（5）的正向连接面的圆形凹陷相互卡插接并卡紧，所述第一支撑连接块（4）的凹连接面上的圆形凹陷穿过所述第一电路板上的过孔与所述第二支撑连接块（5）的正向连接面的固定栓相互卡插接并卡紧；所述第二支撑连接块（5）的反向连接面和第三支撑连接块（6）的凹连接面与所述第一支撑连接块（4）的凹连接面和第二支撑连接块（5）的正向连接面连接结构设置相同；
所述固定支撑构件（2）的圆周尺寸被确定为与弹丸中部内径尺寸吻合，所述圆柱结构的圆周外侧沿周向地设有环形凹槽（8），所述圆柱结构通过环形凹槽与弹丸内壁的突环卡接，所述固定载体的圆周外侧壁贴靠在弹丸内壁上。
2.根据权利要求1所述的固定载体，其特征在于，所述圆柱结构在圆周方向上有多个间隔的切削凹槽，所述切削凹槽在所述第一支撑连接块（4）、第二支撑连接块（5）和第三支撑连接块（6）以形状锁合和/或力锁合的方式相互配合的位置形成。
3.一种用于弹丸轴向加速度测量的测量系统，其特征在于，包括权利要求1或2所述的一种用于弹丸轴向加速度测量的固定载体，包括：
MEMS加速度传感器，用于测量弹丸的弹丸轴向加速度；
固定载体，用于可拆卸的将所述MEMS加速度传感器安装到弹丸上；
所述固定载体上固定有系统控制装置，所述系统控制装置与上位机装置连接，所述系统控制装置用于接收所述MEMS加速度传感器检测到的弹丸轴向加速度信号；然后对所述弹丸轴向加速度信号进行滤波补偿，得到弹丸轴向加速度数据；
供电系统，用于为整个测量系统供电；
其中，所述系统控制装置在读取所述弹丸轴向加速度信号数据之后，对所述弹丸轴向加速度信号数据进行卡尔曼滤波处理得到去除零点漂移后的弹丸轴向加速度数据。
4.一种基于MEMS加速传感器的弹丸轴向加速度测量方法，其采用如权利要求3所述的测量系统进行测量，包括步骤：
获取当前的弹丸轴向加速度信号；
将获取的所述弹丸轴向加速度信号进行去除零点漂移。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述将获取的所述弹丸轴向加速度信号进行去除零点漂移，包括：
将第k-1时刻的弹丸轴向加速度带入状态方程和协方差矩阵方程；
计算出k时刻的卡尔曼增益，；其中，R表示零点漂移的方差，是一个常数，H表示观测矩阵；
根据k时刻的弹丸轴向加速度测量值Z(k)，结合和k时刻的卡尔曼增益，获得弹丸轴向加速度在k时刻的最优估计，
；
根据弹丸轴向加速度在k时刻的最优估计更新k时刻的协方差。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述弹丸轴向加速度在k时刻的状态方程和协方差矩阵方程，包括：
所述状态方程的表达式为
；
上式表示从k-1时刻到k时刻的弹丸轴向加速度的状态变化过程，其中，表示在根据k-1时刻预测的k时刻的弹丸轴向加速度数据，/>在k-1时刻采集到的弹丸轴向加速度数据，/>表示在k时刻采集到的噪声信号数据，F和B分别表示状态转移矩阵和噪声控制矩阵；
所述协方差矩阵方程的表达式为：，其中，/>表示/>的协方差。
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