CN114199226A - 一种弹丸跨介质姿态测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种跨介质姿态测试方法，利用跨介质弹载姿态测试装置去测试弹丸入水瞬间的加速度和角速度，从而得到弹丸入水瞬间的姿态。在测试完成后利用设计的跨介质测试装置将数据以串行总线式通信的方式传输回来，以ARM系列的芯片为测试系统的主控单元，然后进行了硬件模块设计，同时设计了跨介质测试装置。可以进行对数据采集后，不用人工打捞，使用测试装置自动完成对数据的回收。
Description
技术领域
本发明涉及弹丸跨介质的动态测试技术，具体涉及一种跨介质的弹丸姿态测试方法。
在水下复杂的测量环境中，进行弹载测试的研究较为困难，因此进行弹载测试装置的研究具有重大的意义。在使用弹载测试系统进行姿态的测量时，由于水下的通信较为困难，不能进行实时的数据传输。目前，在水下弹载姿态测量中，常用的获取数据的手段一般都是采用人工打捞的方式进行打捞弹丸，然后获取其中的数据，如果弹丸进入水底泥沙之中，人工寻找也较为困难，因此发明了适合测量的测试装置。同时在姿态的测试中，一般也会使用惯性器件进行测量，但是在弹丸跨介质的测量中，常用的惯性器件的加速度的量程较小，不能够完成测量的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种弹丸跨介质姿态测试方法，解决了弹丸在入水瞬间姿态测量的问题和弹丸在入水后进入泥沙后打捞困难，数据回收困难的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种弹丸跨介质姿态测试方法，步骤如下：
步骤1、在弹丸内增设姿态测试装置：
所述姿态测试装置包括外壳、弹簧、扭簧、挂钩、浮标、挂钩塞、第一隔板、第二隔板、加速度传感器、陀螺仪、供电模块、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块、主芯片MCU。
在外壳内设置第一隔板，第一隔板将外壳内分为第一腔体和第二腔体，弹簧、扭簧、挂钩、设置在第一腔体内，在第一腔体的圆周外壁上开有一个圆孔，挂钩塞设置在圆孔内，并与外壳的外壁面平滑过渡，弹簧一端固定在第一腔体的内壁，另一端固定在挂钩塞上，挂钩通过扭簧和转轴设置在第一腔体内，初始状态时，挂钩钩在挂钩塞上，且弹簧处于拉伸状态；在挂钩塞外壁和弹丸内壁之间留有间隙，用于装填炸药，用于炸开弹丸壳体以及作为推动挂钩塞向外壳内运动的动力。
在第二腔体内设有第二隔板，通过第二隔板将第二腔体自上而下分为电路板腔和供电模块腔，陀螺仪、主芯片MCU、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块设置在电路板腔，加速度传感器固定在第二隔板上，供电模块固定在供电模块腔内；加速度传感器的输出信号通过3根电缆线与信号调理电路进行连接；信号调理电路的输出连接到主芯片MCU的AD上，陀螺仪与主芯片MCU通过SPI的方式进行连接，存储器模块与主芯片MCU通过FSMC的方式进行连接，数据传输模块通过串行式通信的方式进行回传数据的；供电模块分别与陀螺仪、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块和主芯片MCU连接，对它们进行供电。
步骤2、弹丸发射瞬间，加速度传感器和陀螺仪进行启动，自检和校准；加速度传感器与信号调理电路通过三根电缆线相连；加速度传感器将采集到的电荷信号通过电缆线输入到信号调理电路，信号调理电路将电荷信号进行放大和转换变为电压模拟信号；再通过主芯片MCU中的AD转换将电压模拟信号转化为电压数字信号，获得加速度；主芯片MCU将陀螺仪设置为它的从设备，读取角速度；主芯片MCU将角速度和加速度的值写入存储器模块中。
步骤3、弹丸到达水底之后，在姿态测试装置的作用下，浮标被弹出，带着串行通信线的一端浮到水上和上位机建立连接；等待上位机通过串行通信的方式给姿态测试装置发送一个信号之后，然后通过为数据传输模块将保存在存储器模块中的三轴角速度、三轴加速度和姿态角的值传回到上位机。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）在弹丸入水瞬间的姿态测量中，一般使用弹载装置进行测量，然后在弹丸入水之后通过人工打捞存储记录仪的方式去获取数据，但是弹丸在进入水底之后，捕捞较为困难，而且也容易造成存储器寻找不到丢失的问题。因此，本发明的测试装置在进入水底测试完成之后，不需要进行人工打捞，可以通过测试装置将串行通信线的一端传出，然后将数据传输到上位机。
（2）在弹丸入水瞬间的姿态测量中，一般使用惯性器件进行测量，但是在弹丸跨介质的瞬间加速度变的非常大，一般常用的惯性器件加速度的量程不能达到需求。因此在本发明中选择了大量程的加速度传感器和陀螺仪作为测量的传感部分。
附图说明
图1为本发明的测试装置结构图。
图2为本发明的测试系统的框架图。
图3为本发明的信号调理电路。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
结合图1~图3，一种弹丸跨介质姿态测试方法，步骤如下：
步骤1、在弹丸内增设姿态测试装置：
所述姿态测试装置包括外壳1、弹簧2、扭簧3、挂钩4、浮标5、挂钩塞6、第一隔板7、第二隔板8、加速度传感器、陀螺仪、供电模块、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块、主芯片MCU。其中外壳1、弹簧2、扭簧3、挂钩4、浮标5、挂钩塞6、第一隔板7和第二隔板8这些部分都是机械装置，需要使用车床加工而成，加速度传感器、陀螺仪、供电模块、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块、主芯片MCU这些模块是属于电子器件的部分，需要进行器件选型。
在外壳1内设置第一隔板7，第一隔板7将外壳1内分为第一腔体和第二腔体，弹簧2、扭簧3、挂钩4、设置在第一腔体内，在第一腔体的圆周外壁上开有一个圆孔，挂钩塞6设置在圆孔内，并与外壳1的外壁面平滑过渡，弹簧2一端固定在第一腔体的内壁，另一端固定在挂钩塞6上，挂钩4通过扭簧3和转轴设置在第一腔体内，初始状态时，挂钩4钩在挂钩塞6上，且弹簧2处于拉伸状态；在挂钩塞6外壁和弹丸内壁之间留有间隙，用于装填炸药，用于炸开弹丸壳体以及作为推动挂钩塞6向外壳1内运动的动力。由于第一腔体内在测试的过程中受到的冲击载荷比较小，因此将弹簧2、扭簧3、挂钩4设置在第一腔体内。
在第二腔体内设有第二隔板8，通过第二隔板8将第二腔体自上而下分为电路板腔9和供电模块腔10，将第二腔体分为电路板腔9和供电模块腔10，这样可以在测试中减少器件之间的相互碰撞和挤压，陀螺仪、主芯片MCU、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块设置在电路板腔9，加速度传感器固定在第二隔板8上，供电模块固定在供电模块腔10内。加速度传感器的输出信号通过3根电缆线与信号调理电路进行连接；信号调理电路的输出连接到主芯片MCU的AD上，陀螺仪与主芯片MCU通过SPI的方式进行通信，选择这种通信主要是因为弹载测试中对通信速率的要求较高，存储器模块与主芯片MCU通过FSMC的方式进行连接，数据传输模块通过串行式通信的方式进行回传数据的；供电模块分别给陀螺仪、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块和主芯片MCU进行供电。供电模块分别和这些模块的电源引脚相连。这些模块的供电都是采用3.3V供电。
进一步地，所述姿态测试装置的第二腔体外壁设有螺纹，螺纹的加工选择螺距为0.4mm，螺纹牙型角为60°的普通螺纹，用于连接在弹丸内。在弹丸飞行过程中，过载和振动较大，采用螺纹连接的方式比较可靠，避免测试装置和弹丸形成相对移动。
进一步地，姿态测试装置还包括浮标5，挂钩塞6自内壁向外开有盲孔，浮标5设置在盲孔内。这样设置可以方便在弹丸到水底之后，测试装置在适量炸药的作用下，浮标可以顺利弹出，浮标的一端带有通信线，用来与岸上的设备进行连接。
进一步地，姿态测试装置的外壳1材料为35CrMnSiA，第二腔体通过填充环氧树脂实现缓冲。在弹丸出膛瞬间和入水瞬间测试装置会受到高冲击载荷，因此外壳材料选择35CrMnSiA，这种材料的强度较高，拉伸强度为1620Mpa，屈服应力为1280Mpa。可以抗上万g的冲击。第二腔体内置主芯片MCU、存储器模块等精密器件，因此使用环氧树脂进行灌封，保护这些器件。
步骤2、弹丸发射瞬间，加速度传感器和陀螺仪进行启动，自检和校准，信号调理电路将加速度传感器输出的电荷信号进行放大和转换变为电压模拟信号；再通过主芯片MCU中的AD转换将电压模拟信号转化为电压数字信号，获得加速度；主芯片MCU将陀螺仪设置为他的从设备，读取角速度；主芯片MCU将角速度和加速度的值写入存储器模块中。
步骤3、弹丸到达水底之后，在测试装置的作用下，浮标5被弹出；等待上位机通过串行通信的方式给姿态测试装置发送一个信号之后，然后通过为数据传输模块将保存在存储器模块中的三轴角速度、三轴加速度和处理之后得到的姿态角传回到上位机。
所述信号调理电路包括运算放大器U1、第一接口P1、第一反馈电容C1、第一反馈电阻R1、第二接口P2、第二反馈电容C2、第二反馈电阻R2、第三接口P3、第三反馈电容C3、第三反馈电阻R3、第四分压电阻R4、第五分压电阻R5；信号调理电路是将加速度输出的电荷信号转化为的电压信号，方便后续主芯片MCU进行处理，信号调理电路是用3.3V进行供电，由供电模块与运算放大器U1的引脚4相连进行供电。第四分压电阻R4和第五分压电阻R5起分压的作用，为运算放大器U1正输入端提供1.65V电压，第四分压电阻R4一端接3.3V电压，另一端与第五分压电阻R5相连，第五分压电阻R5的另一端接地；第一接口P1接加速度传感器的X轴接口，第二接口P2接加速度传感器的Y轴接口，第三接口P3接加速度传感器的Z轴输出接口，通过三个接口可以分别获得X轴、Y轴和Z轴的加速度，加速度传感器通过3根电缆线分别与第一接口P1、第二接口P2、第三接口P3相连；第一反馈电容C1和第一反馈电阻R1并联，并联的一端与运算放大器U1的引脚1相连，并联另一端与运算放大器U1的引脚2相连；第二反馈电容C2和第二反馈电阻R2并联，并联的一端与运算放大器U1的引脚6相连，并联另一端与运算放大器U1的引脚7相连；第三反馈电容C3和第三反馈电阻R3并联，并联的一端与运算放大器U1的引脚13相连，并联另一端与运算放大器U1的引脚14相连；加速度传感器采集信号之后，通过第一接口P1、第二接口P2、第三接口P3将电信号传输到信号调理电路中，通过芯片输出放大和转换之后的电压模拟信号。信号调理电路将高内阻的电荷源转换为高内阻的电压源，而且输出三轴的电压是正比于输出的三轴电荷，因此可以通过正比关系得到三个轴的加速度。
Claims (5)
1.一种弹丸跨介质姿态测试方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、在弹丸内增设姿态测试装置：
所述姿态测试装置包括外壳（1）、弹簧（2）、扭簧（3）、挂钩（4）、浮标（5）、挂钩塞（6）、第一隔板（7）、第二隔板（8）、加速度传感器、陀螺仪、供电模块、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块、主芯片MCU；
在外壳（1）内设置第一隔板（7），第一隔板（7）将外壳（1）内分为第一腔体和第二腔体，弹簧（2）、扭簧（3）、挂钩（4）、设置在第一腔体内，在第一腔体的圆周外壁上开有一个圆孔，挂钩塞（6）设置在圆孔内，并与外壳（1）的外壁面平滑过渡，弹簧（2）一端固定在第一腔体的内壁，另一端固定在挂钩塞（6）上，挂钩（4）通过扭簧（3）和转轴设置在第一腔体内，初始状态时，挂钩（4）钩在挂钩塞（6）上，且弹簧（2）处于拉伸状态；在挂钩塞（6）外壁和弹丸内壁之间留有间隙，用于装填炸药，用于炸开弹丸壳体以及作为推动挂钩塞（6）向外壳（1）内运动的动力；
在第二腔体内设有第二隔板（8），通过第二隔板（8）将第二腔体自上而下分为电路板腔（9）和供电模块腔（10），陀螺仪、主芯片MCU、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块设置在电路板腔（9），加速度传感器固定在第二隔板（8）上，供电模块固定在供电模块腔（10）内；加速度传感器的输出信号通过3根电缆线与信号调理电路进行连接；信号调理电路的输出连接到主芯片MCU的AD上，陀螺仪与主芯片MCU通过SPI的方式进行连接，存储器模块与主芯片MCU通过FSMC的方式进行连接，数据传输模块通过串行式通信的方式进行回传数据的；供电模块分别与陀螺仪、信号调理电路、存储器模块、数据传输模块和主芯片MCU连接，对它们进行供电；
步骤2、弹丸发射瞬间，加速度传感器和陀螺仪进行启动，自检和校准；加速度传感器与信号调理电路通过三根电缆线相连；加速度传感器将采集到的电荷信号通过电缆线输入到信号调理电路，信号调理电路将电荷信号进行放大和转换变为电压模拟信号；再通过主芯片MCU中的AD转换将电压模拟信号转化为电压数字信号，获得加速度；主芯片MCU将陀螺仪设置为它的从设备，读取角速度；主芯片MCU将角速度和加速度的值写入存储器模块中；
步骤3、弹丸到达水底之后，在姿态测试装置的作用下，浮标（5）被弹出，带着串行通信线的一端浮到水上和上位机建立连接；等待上位机通过串行通信的方式给姿态测试装置发送一个信号之后，然后通过为数据传输模块将保存在存储器模块中的三轴角速度、三轴加速度和姿态角的值传回到上位机。
2.根据权利要求1所述的弹丸跨介质姿态测试方法，其特征在于：所述姿态测试装置的第二腔体外壁设有外螺纹，用于连接在弹丸内。
3.根据权利要求1所述的弹丸跨介质姿态测试方法，其特征在于：姿态测试装置还包括浮标（5），挂钩塞（6）自内壁向外开有盲孔，浮标（5）设置在盲孔内。
4.根据权利要求1所述的弹丸跨介质姿态测试方法，其特征在于：姿态测试装置的外壳（1）材料为35CrMnSiA，第二腔体通过填充环氧树脂实现缓冲。
5.根据权利要求1所述的弹丸跨介质姿态测试方法，其特征在于：所述信号调理电路包括运算放大器U1、第一接口P1、第一反馈电容C1、第一反馈电阻R1、第二接口P2、第二反馈电容C2、第二反馈电阻R2、第三接口P3、第三反馈电容C3、第三反馈电阻R3、第四分压电阻R4、第五分压电阻R5；信号调理电路是用3.3V进行供电，由供电模块与运算放大器U1的引脚4相连进行供电；第四分压电阻R4和第五分压电阻R5起分压的作用，为运算放大器U1的正输入端提供1.65V电压，第四分压电阻R4一端接3.3V电压，另一端与第五分压电阻R5相连，第五分压电阻R5的另一端接地；第一接口P1接加速度传感器的X轴接口，第二接口P2接加速度传感器的Y轴接口，第三接口P3接加速度传感器的Z轴输出接口，加速度传感器通过3根电缆线分别与第一接口P1、第二接口P2、第三接口P3相连；第一反馈电容C1和第一反馈电阻R1并联，并联在运算放大器U1的引脚1和引脚2上；第二反馈电容C2和第二反馈电阻R2并联，并联在运算放大器U1的引脚6和引脚7上；第三反馈电容C3和第三反馈电阻R3并联；并联在运算放大器U1的引脚13和引脚14上；加速度传感器采集信号之后，通过第一接口P1、第二接口P2和第三接口P3将电信号传输到信号调理电路的运算放大器U1中，然后信号调理电路的运算放大器U1输出放大和转换之后的电压模拟信号。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |