CN115336423B - 一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于分析评估自行火炮、坦克等陆军机动装备所搭载精密电子设备、光电仪器固定支撑装置在火炮射击射击、越野行驶过程中，其弹性阻尼特性分析与减振缓冲性能评估的方法及其实现系统。其中，一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的方法，其技术特点是，利用不同条件火炮射击、越野机动中对后座冲击或行驶振动的测试以及不同类型炮载电子设备支撑装置振动响应传递函数的计算，可以分析对比火炮、坦克等装备不同条件下射击、行驶对炮载精密电子设备支撑装置的影响，可以评估考核不同类型炮载精密电子设备支撑装置在火炮射击、机动行驶等冲击振动激励下的弹性阻尼特性与减振缓冲性能，实施流程见图1。一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的系统，其技术特点是：包括传感器、多路信号采集处理设备、多通道信号测控与评估系统以及安装固定组件。其中，传感器包括2套炮载设备三向振动加速度传感器模块，多路信号采集处理设备包括信号调理模块、主控模块、数据传输模块以及电源模块，多通道信号测控与评估系统包括加固计算机、多路信号分析评估软件，软件又包括底层驱动模块、预处理模块、特征分析模块以及性能评估模块，安装固定组件包括传感器安装模块以及多路信号处理设备固定模块。

Description

一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的方法及系统

所属技术领域

本发明属于炮载精密电子设备减振缓冲性能评估技术领域，涉及炮载精密电子设备动力学特性试验理论与技术，具体地说，就是指一种用于分析评估自行火炮、坦克等陆军机动装备搭载的精密电子设备、光电仪器在火炮射击、越野行驶等过程中的支撑装置弹性阻尼特性与减振缓冲性能的方法及其实现系统。

背景技术

现代自行火炮、坦克等装备已成为集机、电、液、光于一体的复杂武器系统，射程远、精度高、机动性强、信息化程度高成为这类装备的显著优势，但是随着火炮威力的增大以及装备机动速度的提高，射击、行驶过程中的强烈冲击振动效应越来越明显，这将严重影响各种炮载精密仪器设备(如初速雷达、火控计算机、定位定向导航系统、激光测距直瞄镜等)的正常工作，甚至导致其损伤失效。比如对于某型大口径履带式自行火炮，靶场实弹射击试验显示，炮塔内火控计算机前、后方向的最大冲击加速度可达127g，炮塔内惯性定位定向装置上、下方向的加速度可达65g，试验场以40km/h速度越野行驶时，瞄准手显示器上、下方向的5-300Hz频带内的振动加速度平均值达12g，如此高的冲击振动作用会严重影响这些光、机、电集成炮载设备的工作性能，降低其使用寿命，导致装备故障率上升。因此，炮载精密设备的支撑装置除具备基本的安装固定作用外，还必须具有良好的减振缓冲性能。

目前，常见的弹性支撑装置根据支点数目可分为三点、四点、六点等，根据支承方向可分为竖直支承、水平支撑、悬挂支撑等。由于无论是各类信息化炮载精密设备的设计研制还是新型武器装备的靶场定型试验，都需要考核火炮射击、行驶等过程中的过载冲击与大幅值振动与对装备中精密设备、仪器工作性能的影响程度，而其中的主要影响因素就是支撑装置的减振缓冲性能，同时，这点对于分析评估炮载精密电子设备、仪器因恶劣的振动与冲击环境导致的性能下降对整个武器系统战技性能指标的影响规律至关重要。

然而，目前的炮载精密设备支撑装置减振缓冲特性评估过程主要采用振动台模拟实验或理论计算仿真的方法，均不能全面考核火炮射击、越野机动等过程中存在的多维度、大幅值、宽频带冲击振动激励环境对精密电子设备支撑装置弹性阻尼特性的影响，更无法对比评价炮载设备不同支撑方式、不同减振缓冲材料的合理性与有效性。因此，如何实现对炮载精密电子设备支撑装置弹性阻尼特性的准确测试与减振缓冲能力的有效评估，对相应产品的优化设计及装备的试验定型非常关键，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的方法及系统，用以实现对自行火炮、坦克等装备射击、行驶过程中，搭载的精密电子设备、光电仪器固定支撑装置的弹性阻尼特性分析与减振性能评估。本发明的技术方案如图1所示。

其中，一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的方法，其技术特点是，利用不同条件火炮射击、越野机动中对后座冲击或行驶振动的测试以及不同类型炮载电子设备支撑装置振动响应传递函数的计算，可以分析对比火炮、坦克等装备不同条件下射击、行驶对炮载精密电子设备支撑装置的影响，可以评估考核不同类型炮载精密电子设备支撑装置在火炮射击、机动行驶等冲击振动激励下的弹性阻尼特性与减振缓冲性能。

一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的方法，技术方案组成如图2，具体包括：

步骤1：利用多路振动冲击信号测试系统同时采集自行火炮、坦克等装备一定射向、一定射角条件射击时，或者一定车速、一定路面行驶时，炮载精密电子设备安装位置(R1)空间三维方向(x轴向/y轴向/z轴向)振动的加速度时间响应X_R1(X_Rx1、X_Ry1、X_Rz1)与设备本体特定位置(R2)空间三维方向(x轴向/y轴向/z轴向)振动的加速度时间响应X_R2(X_Rx2、X_Ry2、X_Rz2)

步骤2：将步骤1获取的多路振动冲击响应信号进行滤波、降噪以及去除奇异值等处理运算，利用频域最小二乘系统辨识方法，经过多次实验平均，获得一定射向、一定射角条件射击，或者一定车速、一定路面行驶时，炮载精密设备安装位置底座与炮载设备本身的多输入多输出振动冲击传递特性模型G_R2R1，见公式1，包括系统幅频、相频传递函数，系统实部、虚部频响函数，系统Bode图等。

步骤3：根据实验结果，进一步识别被测精密电子设备固定支承装置三维空间坐标(x轴向/y轴向/z轴向)的弹性刚度k_i、阻尼因子ci等参数，见公式(2)，分析对应空间坐标下支撑系统的基本隔振频带ω_c及阻尼耗能系数ξ_i，评估精密电子设备固定支承装置的弹性阻尼特性，见公式(3)。

m_i为质量系数，

为对应方向振型向量(2)

步骤4：在传递函数模型参数辨识结果基础上，对比外界冲击振动激励情况(设备底座加速度响应)，分析被测精密电子设备支承装置的减振缓冲能力。

步骤5：变换不同的火炮射击条件(改变高低射角θ、改变方向射角λ)，或不同的车辆行驶条件(改变车速v、改变路面条件r)，重复步骤1-4。

步骤6：根据对不同射击条件实验测试结果的统计分析，建立射击冲击激励下炮载精密电子设备的振动响应变化模型G_R2R1(θ，λ)，根据对不同行驶条件实验测试结果的统计分析，建立机动行驶振动激励下炮载精密电子设备支撑装置振动响应变化模型G_R2R1(v，r)。

步骤7：选择其它类型炮载精密电子设备支撑装置，重复步骤1-6，得到炮塔内不同类型精密电子设备支撑装置对火炮射击冲击、行驶振动动态响应敏感度的分布规律及减振缓冲效能，为精密电子设备支撑装置在火炮中的优化设计提供实验数据支持。

该方法可分析火炮不同射击状态、行驶状态带来的冲击振动对炮载精密电子设备支撑装置弹性阻尼性能的影响，进而用于武器装备靶场试验定型过程中精密炮载电子设备减振缓冲特性分析以及可靠性评估，提高新装备试验效率与指标参数的鉴定技术水平，同时，可用于对比炮塔内不同类型炮载精密电子设备支撑装置的减振缓冲性能，为炮载精密设备支撑结构及减振材料的优化设计提供科学的实验数据支持。

一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的系统，其技术特点是：包括传感器、多路信号采集处理设备、多通道信号测控与评估系统以及安装固定组件，其联接示意图与见图3、4。其中，传感器包括2套炮载设备三向振动加速度传感器模块，多路信号采集处理设备包括信号调理模块、主控模块、数据传输模块以及电源模块，多通道信号测控与评估系统包括加固计算机、多路信号分析评估软件，软件又包括底层驱动模块、预处理模块、特征分析模块以及性能评估模块，安装固定组件包括传感器安装模块以及多路信号处理设备固定模块。

三向ICP加速度传感器，可测试炮载设备安装位置以及本体的空间三维加速度响应(x、y、z轴)，采用ICP原理结构，并借助系统封装方法将三个压电陶瓷敏感元件并联集成，见图5，传感器内含OP07CSZ运算放大器，电压输出，空间三维方向加速度响应的测试量程均为-300g～+300g，每个方向测试精度均为0.1％，其供电采用DC24V/4mA；为避免传统强振动大冲击传感器测试时必须螺纹穿孔安装的缺点，采用特制矩形钕铁硼稀土永磁材料制作安装座，每支磁力座磁力12kg，可以方便地安装在炮塔座圈或电子设备表面，满足各类炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性测试的技术要求。

多路数据采集处理系统为高强度铸铝结构，机箱壳体采用8060硬质铝合金，同时，表面采用阳极涂层处理，提高其防静电和抗电磁干扰的能力。箱体上的传感器接口、充电器接口、以太网络接口等接插件采用S11LAC系列，无线网络接口采用TNC型跳线。内部包括模块DSP主控模块、信号调理模块、电源模块、数据存储模块以及有线、无线网络数据通信模块。

多路采集处理系统借助底部6个螺纹孔，利用6支磁力座安装在火炮炮塔钢性介质表面，每支磁力座磁力8kg，满足火炮射击冲击振动对设备固定的要求。

主控模块以高速DSP为核心设计，DSP采用TMS320C5506模块，具有强大数据处理和高速运算的能力。该模块基于FPGA技术进行硬件设计，并通过板载双口IDT7132-RAM程序存储器实现DSP的各种功能，包括控制传感器信号的采集、处理、存储，并与通信、电源管理以及人机接口等功能模块交互运行，见图6。(FIFO)

FPGA(现场可编程陈列)用以实现DSP的各种功能。FPGA采用StatixII型现场编程门阵列器件，通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能。

对DSP的功能编程采用的是C++语言，DSP主程序主要实现与采样芯片AD7767的数据交换，完成采样数据的高速传输；完成采样通道的各种硬件配置；完成对网络传输模块的初始化、以太网、无线网数据包发送和接收等操作。

数据采集处理模块由6个通道组成，每通道均采用独立的A/D转换器及配套的实时信号调理系统，实现多通道同步并行采样，且采样速率不受通道数限制，通道间无串扰影响，并在DSP的控制下实现采集数据的存储与远程传输，见图7。

图7中，数据采集模块根据传感器类型的不同，通过选配对应的适调器，可用于多种传感器信号的测量，包括ICP加速度传感器以及电荷加速度传感器。输入电压满度值范围：±0.1V、±0.3V、±1V、±3V、±10V。

图7中，传感器采集的模拟信号进入信号处理设备后，首先经过前置放大器进一步放大，信号经过放大器放大后，为防止干扰信号影响，需要对采集的模拟信号进行滤波，本模块器采用模拟与数字相结合原理设计了低通滤波器，最大程度地保留有用信号，去除干扰信号；信号经过滤波后接入A/D转换器，将模拟信号转化为数字信号，A/D转换器选用14位AD7767采样芯片，最大分析频宽100kHz，动态范围达96db，电路原理见图8；信号由模拟信号转化为数字信号后，再通过主控系统存入SD卡，同时，每次采集完成后，数据也可以通过网络接口直接传输至采集计算机。

多路信号采集处理设备的控制通讯方式有有线网络、无线网络以及手动线控3种，而且可以实现无缝切换工作模式，见图9。

脱机工作采用手动线控方式，可以通过专用线控装置或者面板按键手动控制数据采集与数据存储程序工作，实际工作时设备的采集参数会沿用最后一次配置，适用于空间不够、人手不足的实验测试场合。

联机工作需在计算机与主控模块处于通讯状态下进行，包括有线网络通信与无线网络通信两种模式，可实现计算机远程设置数据采集处理设备的工作参数，实时显示和存储数据，便于在新型武器装备试验或实弹射击等危险环境下使用。

有线网络通讯，有线网络通讯接口采用RTL8139D模块，该模块与DSP连接见图10，借助模块20F001N，用户可利用RJ45接口网线将计算机与信号采集处理设备连接，通过设置计算机有线网络IP地址，实现与采集设备之间的数据传输，并可以远程设置采集参数并控制设备的采集触发、采集终止以及数据存储等，接口结构见图11。

无线网络通讯，采用RocketM2网络接口，工作时先设置计算机的无线网络IP地址，通过Wifi无线网络实现与采集处理设备连接，远程设置采集参数，并控制采集停止与数据存储，使用7dB天线时理论通信距离达100m，增加路由器后，其通信距离可增加到200m，满足野外火炮试验等环境对人员安全的要求，如图12为系统无线网络链接层次示意图。

电源模块分为电源充电器、锂电池管理、数字部分电源、模拟部分电源。电源模块采用LM317LZ电源转换芯片，图13为稳压电源电路图。内含锂电池管理模块，可管理电源模块为数字电路部分(DSP主控模块，含SD卡)与模拟电路部分(信号处理模块)供电，保证系统正常运行。电源模块可为采集处理设备提供±1V、±2.5V、±5V、±12V直流电源；一旦锂电池电量用完，可使用充电器接入220V/50Hz市电给采集处理设备内部的锂电池充电，锂电池参数：标称值为7.2V，7000mA。。

存储模块，系统存储模块基于工业级SD卡设计，选用性能稳定可靠的SLC NAND Flash制成，可满足武器装备试验等恶劣嵌入式系统应用设计要求，温度范围为-40℃到80℃，容量8G，峰值数据传输速度66.6MB/s。

系统测控分析软件采用VC++编程设计，包括底层驱动模块、预处理模块、特征分析模块以及性能评估模块。软件系统结构组成见图14。

底层驱动模块，主要针对DSP主控模块进行远程控制，可自动识别系统硬件配置，实现采集处理设备与计算机之间的有线、无线网络数据通讯，远程控制采集处理设备中采样单元的启动与停止、存储单元的数据读写，同时，为系统软件中多路振动加速度信号的滤波、放大等预处理，数据信息的特征分析和被测试电子设备的性能评估等功能模块，提供底层函数调用支撑。

预处理模块，根据测试环境的不同，主要用于程控设置多路信号采集处理设备各个使用通道的触发模式(人工触发、时间触发)、测试量程、A/D转换灵敏度、滤波器系数、窗函数形式(矩形窗、Hanning窗等)、采样参数(采样频率、采样点数)以及数据存储规则(示波、单次记录、连续记录)。其中，具体预处理项目包括手动/自动触发、重采样、低通滤波(截止频率、平坦度)、消除直流(均值)、消除线性趋势、曲线拟合、平滑处理、数据段截取、删除、时域或频域积分与微分、数字滤波器设计及滤波处理、虚拟通道计算等，同时，该模块还具备多种数据格式(文本格式、excel格式及mat格式)的转换输出功能，方便其它应用软件对采集到的数据进行调用分析。

特征分析模块，主要对测试数据进行统计分类、图表显示以及时域、频域分析处理。其中，数据统计功能包括实时显示采集多路加速度数据的峰峰值、最大值、最小值、平均值等；图表显示功能包括实时显示各通道测量的数值曲线，利用在线光标实现特征数据的快速定位，并可进行特征数据的列表比较；时域分析功能包括概率密度函数、累积密度函数、自相关分析、互相关分析、冲击系数分析等；频域分析功能包括实时频谱、平均谱、自功率谱、互功率谱、频响分析、相干分析等。

性能评估模块，主要根据特征分析模块获得的炮载精密电子设备底座及本体的三向振动加速度数据，通过计算不同射击条件下、不同行驶条件下炮载电子设备支撑装置的三维振动响应动力学传递特性，给出不同类型支撑装置炮载电子设备的动力学环境特征评估报告，为炮载精密电子设备支撑结构以及减振材料的优化设计提供实验数据支持。

附图说明

图1为本发明的系统总体技术示意图。

图2为炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的方法流程示意图。

图3为炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的系统联接示意图。

图4为炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的系统组成示意图。

图5为三向ICP振动加速度传感器结构原理示意图。

图6为DSP主控模块结构原理示意图。

图7为数据采集模块结构原理示意图。

图8为采样系统电路图。

图9为系统通讯方式原理图。

图10为RTL8139D有线通讯模块与DSP连接示意图。

图11为有线通讯结构图。

图12为无线网络链接层次示意图。

图13为稳压电源电路图。

图14系统测控分析软件结构组成示意图。

具体实施方式

炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估方法的实施包括实验准备、实验实施、实验报告三部分。

实验准备：根据被测火炮、坦克类武器装备炮塔内火控计算机、惯性定位定向、瞄准手显示器等炮载精密电子设备支撑装置的结构形式、布置方向以及支撑数目等，选择合适的振动冲击响应测试对象。

实验准备：在被选电子设备支撑装置安装平台附近以及设备本体表面各固定安装一支三向振动ICP加速度传感器。

实验准备：利用专用ICP信号电缆连接三向振动ICP传感器6个输出与信号采集处理设备输入相连。

实验准备：建立便携式加固计算机与多路信号采集处理设备之间的网络连接。手动线控时，直接通过信号采集处理设备线控面板配置采样参数、启动采样存储；有线通信时，先利用信号传输线(长度不大于50m)将设备以太网接口与计算机网络接口相连，再打开数据采集处理设备，等待“连接”、“通讯”和“采样”指示灯均灭后，打开计算机中的系统测控分析软件，输入与采集设备相同网段的IP地址，完成计算机IP地址设置，实现计算机与数据采集处理设备的的有线网络连接；无线通信时，先将通信天线安装到信号采集处理设备相应接口，同时确保计算机无线网络处于打开状态，其余步骤与有线通信类似，等待“连接”、“通讯”和“采样”指示灯均灭后，打开计算机中的系统测控分析软件，输入与采集设备相同网段的IP地址，实现计算机与数据采集处理设备的无线网络连接。

实验实施：在火炮一定条件实弹射击或一定速度行驶时，同步采集炮载精密电子设备支撑装置底座与设备本体某位置的2组x/y/z三向振动加速度响应时域信号(共6路)，并进行滤波、降噪以及去除奇异值等预处理。

实验实施：针对上述6路时间信号分别进行功率谱变换，利用频域最小二乘系统辨识方法，按式(1)建立一定射击或行驶状态时，炮载精密电子设备支撑装置空间三维振动冲击响应的传递函数模型G_R2R1，包括系统幅频、相频传递函数，系统实部、虚部频响函数，系统Bode图等。

实验评估：根据实验结果，进一步识别被测精密电子设备固定支承装置三维空间坐标(x轴向/y轴向/z轴向)的弹性刚度k_i、阻尼因子c_i等参数，见公式(2)，分析对应空间坐标下支撑系统的基本隔振频带ω_c及阻尼耗能系数ξ_i，评估精密电子设备固定支承装置的弹性阻尼特性，见公式(3)。

变换不同的火炮射击条件(改变高低射角、水平射向)，或者变换不同的装备行驶条件(改变行驶车速、变化路面条件)，重复上述实验实施步骤。

实验评估：根据对不同射击条件实验测试结果的统计分析，建立射击冲击激励下炮载精密电子设备的振动响应变化模型G_R2R1(θ，λ)，根据对不同行驶条件实验测试结果的统计分析，建立机动行驶振动激励下炮载精密电子设备支撑装置振动响应变化模型G_R2R1(v，r)。

实验评估：选择其它类型炮载精密电子设备支撑装置，重复上述步骤，得到炮塔内不同类型精密电子设备支撑装置对火炮射击冲击、行驶振动动态响应敏感度的分布规律及减振缓冲效能，为精密电子设备支撑装置在火炮中的优化设计提供实验数据支持。

Claims (2)

1.一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的系统，其特征在于：该系统包括传感器模块、多路信号处理设备、多通道信号测控与评估系统以及安装固定组件；该系统通过多路信号采集以及理论模型分析，可以实现对自行火炮或坦克在射击、行驶过程中，其所搭载的精密电子设备、光电仪器安装固定支撑的弹性阻尼特性分析以及减振缓冲性能评估；

所述传感器模块包括2支炮载精密电子设备三轴ICP传感器，三向ICP加速度传感器可测试炮载设备安装位置以及本体的空间三维加速度响应，采用ICP原理结构，并借助系统封装方法将三个压电陶瓷敏感元件并联集成，传感器内含OP07CSZ运算放大器，电压输出，空间三维方向加速度响应的测试量程均为-300g～+300g，每个方向测试精度均为0.1％，其供电采用DC24V/4mA；

所述多路信号处理设备，包括多路电压信号调理模块、多路A/D转换模块、DSP主控模块、有线与无线信号传输接口模块，AC/DC锂电池电源模块及相应信号电缆；

所述多通道信号测控与评估系统包括加固计算机、多路信号分析评估软件，加固计算机具有以太网卡接口、wifi无线网络接口，其中多路信号分析评估软件包括预处理模块、特征分析模块、性能评估模块；

所述安装固定组件包括传感器安装模块以及多路信号处理设备固定模块。

2.一种炮载精密电子设备支撑装置减振缓冲特性评估的方法，其特征在于：在自行火炮或坦克射击或行驶过程中，可以对其搭载的精密电子设备、光电仪器固定支撑装置的弹性阻尼特性分析与减振性能评估；

包括如下的步骤：

步骤1：选择一种炮载精密电子设备支撑装置，利用多路振动冲击信号测试系统同时采集自行火炮或坦克在实弹射击或越野行驶时，炮载精密电子设备安装位置以及设备本身的空间三维方向振动响应；

步骤2：将步骤1获取的振动响应进行处理和计算，利用最小二乘系统辨识方法，获得炮载设备安装位置底座与炮载设备本身的多输入多输出振动冲击传递特性模型；

步骤3：根据传递特性模型及其参数辨识结果，分析被测设备支承装置的弹性阻尼特性；

步骤4：改变高低射角或改变方向射角或改变装备行驶车速或变换行驶路面，重复步骤1、2、3；

步骤5：根据步骤4得出实验测试结果的统计分析，建立复杂激励作用下炮载精密电子设备支撑装置弹性刚度及阻尼耗能因子的变化模型，评估其减振缓冲性能；

步骤6：根据支承轴方向、支撑点数目布局选择装备中其它类型精密电子设备的支撑装置，重复步骤1-5，分析评估炮塔内不同类型精密电子设备支撑位置对射击冲击与行驶振动激励下的弹性阻尼特性与减振缓冲能力，为炮载精密电子设备减振缓冲装置的优化设计提供实验数据支持。

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