CN207730189U

CN207730189U - 火炮身管偏移角度的外部无损检测系统

Info

Publication number: CN207730189U
Application number: CN201820110767.3U
Authority: CN
Inventors: 孟祥廷; 王伟俊; 贾辉然; 王祥伟
Original assignee: Shijiazhuang Dragon Technology Co Ltd
Current assignee: Shijiazhuang Dragon Technology Co Ltd
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2018-08-14
Anticipated expiration: 2028-01-23

Abstract

本实用新型公开了一种火炮身管偏移角度的外部无损检测系统，包括呈三角形分布的三个拉线式位移传感器、采集电路、MCU、驱动电路和人机交互单元；每一拉线式位移传感器的信号输出端与采集电路的信号输入端相连，采集电路的信号输出端与MCU的A/D输入端相连，MCU通过驱动电路与人机交互单元的控制输入端相连；三个拉线式位移传感器的拉线抽头分别固定在炮口卡子上的传感器固定支点。本实用新型能同时测出火炮身管的方位角、俯仰角的偏移度，精确度高，对布设环境要求低，适用于火炮身管偏移角度的测量。

Description

火炮身管偏移角度的外部无损检测系统

技术领域

本实用新型属于军事装备技术领域，涉及火炮身管偏移角度的测量，具体地说是一种火炮身管偏移角度的外部无损检测系统。

背景技术

专利号为201110415215.6的中国发明专利，公开了拉线式测角系统，适用于间瞄火炮，能够测量火炮身管投影到水平面上的旋转角度。但是，该项技术只能测量火炮身管的方位角的偏移角度，使用时拉线必须水平，并且精度只有1.5密位，应用范围不够广。

发明内容

本实用新型旨在提供一种火炮身管偏移角度的外部无损检测系统，以达到既不容易损坏，又能更精确地检测火炮身管的方位角的偏移角度和俯仰角的偏移角度的目的。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种火炮身管偏移角度的外部无损检测系统，它包括呈三角形分布的第一～第三拉线式位移传感器、MCU、采集电路和人机交互单元；

所述第一～第三拉线式位移传感器的信号输出端与采集电路的信号输入端相连，采集电路的信号输出端与MCU的A/D输入端相连，MCU的输出端通过驱动电路与人机交互单元的控制输入端相连；

所述第一～第三拉线式位移传感器的拉线抽头分别固定在炮口卡子上的传感器固定支点处。

作为限定：所述第一～第三拉线式位移传感器固定在一配重板上。

本实用新型由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

(1)本实用新型不但能够检测出火炮身管的方位角的偏移角度，还能检测出其俯仰角的偏移角度，并且精度达到0.1密位，能够为军事训练提供更精确的结果；

(2)在使用本实用新型时，可将配重板放置在不同位置，如地面上、炮身下方、炮身侧方等，对其布设方向及水平度无特殊要求，安装方便，约束条件少，能够适用于不同的环境；

(3)本实用新型不改变所测量军事设备的原有结构；

(4)本实用新型还可以用于预测火炮打击轨迹等。

本实用新型适用于火炮身管偏移角度的测量，尤其适用于测量装甲车、坦克或履带车上的火炮身管的偏移角度。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

在附图中：

图1为本实用新型实施例的电原理图；

图2为本实用新型实施例的局部架构图；

图3为本实用新型实施例的外部架构图；

图4为本实用新型实施例的使用状态图；

图5为本实用新型实施例的总体流程图；

图6为本实用新型实施例的空间直角坐标系的局部图；

图7为本实用新型实施例的空间直接坐标系的局部图。

图中：1、配重板；2、第一拉线式位移传感器，3、第二拉线式位移传感器，4、第三拉线式位移传感器；5、第一拉线式位移传感器外部拉线原点，6、第二拉线式位移传感器外部拉线原点，7、第三拉线式位移传感器外部拉线原点，8、第一拉线式位移传感器拉线旋转机构，9、第二拉线式位移传感器拉线旋转机构，10、第三拉线式位移传感器拉线旋转机构，11、控制盒，12、触摸显示屏，13、传感器固定支点。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例一种火炮身管偏移角度的外部无损检测系统

本实施例包括第一～第三拉线式位移传感器2－4、MCU、采集电路和人机交互单元；参照图1，第一～第三拉线式位移传感器2－4的信号输出端与采集电路的信号输入端相连，采集电路的信号输出端与MCU的A/D输入端相连，MCU的输出端通过驱动电路与人机交互单元的控制输入端相连。

参照图2、图3、图4，本实施例在使用时，将第一～第三拉线式位移传感器2－4的外部拉线分别从第一～第三拉线式位移传感器外部拉线原点5－7拉起，拉线时第一～第三拉线式位移传感器拉线旋转机构8－10动作，最后第一～第三拉线式位移传感器2－4的拉线抽头分别固定在炮口卡子上的传感器固定支点13。

参照图2，为了制作方便，第一～第三拉线式位移传感器2－4均固定在一个10KG的配重板1上且呈等腰三角形分布，其中第一拉线式位移传感器2和第三拉线式位移传感器4的连线为等腰三角形的底边，第二拉线式位移传感器3处于等腰三角形的顶角处，采集电路和MCU一起置于控制盒11内。

在本实施例中，第一～第三拉线式位移传感器2－4采用国产拉线式位移传感器，拉线长度3米，12VDC供电，线性精度优于±0.02％FS，输出信号0～3.3VDC；MCU采用以STM32F103RTC6芯片为核心的电路来实现，人机交互采用7寸TFT触显示摸屏、SSD1963驱动。

利用本实施例完成火炮身管偏移角度的外部无损检测，包括依次进行的以下步骤：

一、将第一～第三拉线式位移传感器2－4的拉线抽头分别固定在炮口卡子上的传感器固定支点13，

在架设本实施例时，可将其放置在不同位置，如地面上、炮身下方、炮身侧方等，对其布设方向及水平度无特殊要求，图4所示为将其布设在炮身下方；

二、按照以下步骤计算炮塔旋转中心的位置：

(二1)构建空间直角坐标系

定义第一～第三拉线式位移传感器外部拉线原点5-7分别为Q₀、Q₁、Q₂，以Q₀Q₂的中心为原点O(0,0,0)、由O指向Q₀的方向为x轴正方向、指向Q₁方向为y轴正方向、垂直xoy平面向上为z轴正方向，建立空间直角坐标系，

实际上在机械设计加工时，原点O(0,0,0)、Q₀(x₀,y₀,z₀)、Q₁(x₁,y₁,z₁)、Q₂(x₂,y₂,z₂)已是已知量，并已写入到MCU的芯片程序中；

(二2)将火炮身管调至水平位置，水平旋转到任意三个不同的位置，分别得出火炮身管处于三个位置时的传感器固定支点13的坐标P₀(x_p0,y_p0,z_p0)、P₁(x_p1,y_p1,z_p1)、P₂(x_p2,y_p2,z_p2)；

在上述过程中，首先将火炮身管调至水平位置，水平旋转到第一水平位置，按下触摸显示屏12上显示的第一水平位置，这时候采集电路会分别采集第一～第三拉线式位移传感器2-4输出的电信号并送至MCU处理，MCU将电信号转化为拉线长度，然后将火炮身管水平旋转到第二水平位置，按下触摸显示屏12上显示的第二水平位置，这时候采集电路会分别采集第一～第三拉线式位移传感器2-4输出的电信号并送至MCU处理，MCU将电信号转化为拉线长度，最后将火炮身管水平旋转到第三水平位置，按下触摸显示屏12上显示的第三水平位置，这时候采集电路会分别采集第一～第三拉线式位移传感器2-4输出的电信号并送至MCU处理，MCU将电信号转化为拉线长度，

假设三个水平位置时的坐标为P_i(x_pi,y_pi,z_pi)(i＝0,1,2)，P_i至Q_i的拉线长度分别为：d_i0,d_i1,d_i2(i＝0,1,2)，根据两点间公式得：

①、式(1)-式(2)：

式(4)中参数替代变形：

a₁₁x_pi+a₁₂y_pi+a₁₃z_pi＝b₁ 式(5)

其中：

a₁₁＝2(x₁-x₀)

a₁₂＝2(y₁-y₀)

a₁₃＝2(z₁-z₀)

②、式(1)-式(3)同理可得：

a₂₁x_pi+a₂₂y_pi+a₂₃z_pi＝b₂ 式(6)

其中：

a₂₁＝2(x₂-x₀)

a₂₂＝2(y₂-y₀)

a₂₃＝2(z₂-z₀)

③、式(2)-式(3)同理可得：

a₃₁x_pi+a₃₂y_pi+a₃₃z_pi＝b₃ 式(7)

其中：

a₃₁＝2(x₂-x₁)

a₃₂＝2(y₂-y₁)

a₃₃＝2(z₂-z₁)

④、以上式(5)、式(6)、式(7)组成线性方程组，如下：

设x₁＝x_pi；x₂＝y_pi；x₃＝z_pi，则有：

为方便化简统一，将式(8)等价表示为：

记为A⁽¹⁾X＝b⁽¹⁾

化简方程组如下：

第一步：a⁽¹⁾ ₁₁≠0,则有：乘以第一行加到第i行，得：

记为A⁽²⁾X＝b⁽²⁾。

第二步：a⁽²⁾ ₂₂≠0,则有：乘以第二行加到第3行，得：

记为A⁽³⁾X＝b⁽³⁾。

通过A⁽³⁾X＝b⁽³⁾方程回代，得：

(二3)根据P₀(x_p0,y_p0,z_p0)、P₁(x_p1,y_p1,z_p1)、P₂(x_p2,y_p2,z_p2)，计算炮塔旋转中心的位置坐标，

设旋转中心坐标为O₁(x_o1,y_o1,z_o1)，如图6所示，在P₂P₁P₀O₁构成的圆中，P₂O₁＝P₁O₁＝P₀O₁＝R，上述P_i已求，则有：

R²＝(x_o1-x_p0)²+(y_o1-y_p0)²+(z_o1-z_p0)² 式(12)

R²＝(x_o1-x_p1)²+(y_o1-y_p1)²+(z_o1-z_p1)² 式(13)

R²＝(x_o1-x_p2)²+(y_o1-y_p2)²+(z_o1-z_p2)² 式(14)

仿照(二2)的推导过程，相似得到：

其中：

a₁₁＝2(x_p1-x_p0)

a₁₂＝2(y_p1-y_p0)

a₁₃＝2(z_p1-z_p0)

a₂₁＝2(x_p2-x_p0)

a₂₂＝2(y_p2-y_p0)

a₂₃＝2(z_p2-z_p0)

a₃₁＝2(x_p2-x_p1)

a₃₂＝2(y_p2-y_p1)

a₃₃＝2(z_p2-z_p1)

至此，确定了炮塔旋转中心的位置；

三、计算火炮身管俯仰支点的位置，本步骤按照以下步骤顺序进行，

(三1)在同一竖直平面内，将火炮身管在俯仰方向，任意调整高低三个不同位置，分别得出火炮身管处于三个位置时的传感器固定支点13的坐标H₀(x_h0,y_h0,z_h0)、H₁(x_h1,y_h1,z_h1)、H₂(x_h2,y_h2,z_h2)；

在上述过程中，首先将火炮身管在俯仰方向调至第一竖直位置，按下触摸显示屏12上显示的第一竖直位置，这时候采集电路会分别采集第一～第三拉线式位移传感器2－4输出的电信号并送至MCU处理，MCU将电信号转化为拉线长度，接着将火炮身管调至第二竖直位置，按下触摸显示屏12上显示的第二竖直位置，这时候采集电路会分别采集第一～第三拉线式位移传感器2－4输出的电信号并送至MCU处理，MCU将电信号转化为拉线长度，最后将火炮身管调至第三竖直位置，按下触摸显示屏12上显示的第三竖直位置，这时候采集电路会分别采集第一～第三拉线式位移传感器2－4输出的电信号并送至MCU处理，MCU将电信号转化为拉线长度；

同理于步骤(二2)中的分析和计算过程，可求解得到：

(三2)根据H₀(x_h0,y_h0,z_h0)，H₁(x_h1,y_h1,z_h1)，H₂(x_h2,y_h2,z_h2)，计算火炮身管俯仰支点的位置坐标，

假设火炮身管俯仰支点位置坐标为O₂(x_o2,y_o2,z_o2)，如图6所示，

在H₂H₁H₀O₂构成的圆中，H₂O₂＝H₁O₂＝H₀O₂＝R₁，上述H_i已求，则有：

同理于(二3)的分析和计算，可得：

其中：

a₁₁＝2(x_h1-x_h0)

a₁₂＝2(y_h1-y_h0)

a₁₃＝2(z_h1-z_h0)

a₂₁＝2(x_h2-x_h0)

a₂₂＝2(y_h2-y_h0)

a₂₃＝2(z_h2-z_h0)

a₃₁＝2(x_h2-x_h1)

a₃₂＝2(y_h2-y_h1)

a₃₃＝2(z_h2-z_h1)

至此，确定了火炮身管俯仰支点的位置；

四、计算瞄准靶坐标基准点时火炮身管的仰角β和传感器固定支点13的位置、火炮身管旋转的实时仰角β_q和传感器固定支点13的实时位置，本步骤按照以下步骤顺序进行，

(四1)在瞄准靶标基准点时，这时候采集电路会分别采集第一～第三拉线式位移传感器2－4输出的电信号并送至MCU处理，MCU将电信号转化为拉线长度；

(四2)结合第一～第三拉线式位移传感器2－4的拉线长度，也就是传感器固定支点13P(x_p,y_p,z_p)和Q₀(x₀,y₀,z₀)、Q₁(x₁,y₁,z₁)、Q₂(x₂,y₂,z₂)的距离，以及Q₀(x₀,y₀,z₀)，Q₁(x₁,y₁,z₁)，Q₂(x₂,y₂,z₂)，仿照步骤(二2)的分析计算，可求出传感器固定支点13的坐标P(x_p,y_p,z_p)；

(四3)求出P(x_p,y_p,z_p)在P₂P₁P₀O₁平面上的投影P'(x,y,z)，假设此时火炮身管俯仰支点位置坐标为O₂'，PO₂'与水平方向的夹角即为瞄准靶坐标基准点时火炮身管的仰角β，如图7所示；

P₂O₁,P₁O₁,P₀O₁是P₂P₁P₀O₁内的三个向量，分别记为：

a＝P₀O₁＝(x_p0-x_o1,y_p0-y_o1,z_p0-z_o1)，

b＝P₁O₁＝(x_p1-x_o1,y_p1-y_o1,z_p1-z_o1)，

c＝P₂O₁＝(x_p2-x_o1,y_p2-y_o1,z_p2-z_o1)，

PP'是P₂P₁P₀O₁内的法向量，记为：n＝PP'＝(x_p-x,y_p-y,z_p-z)

则有：

其中：

a₁₁＝x_p0-x_o1

a₁₂＝y_p0-y_o1

a₁₃＝z_p0-z_o1

b₁＝(x_p0-x_o1)x_p+(y_p0-y_o1)y_p+(z_p0-z_o1)z_p

n·b＝0同理推导出如下：

a₂₁x+a₂₂y+a₂₃z＝b₂ 式(19)

其中：

a₂₁＝x_p1-x_o1

a₂₂＝y_p1-y_o1

a₂₃＝z_p1-z_o1

b₂＝(x_p1-x_o1)x_p+(y_p1-y_o1)y_p+(z_p1-z_o1)z_p

n·c＝0同理推导出如下：

a₃₁x+a₃₂y+a₃₃z＝b₃ 式(20)

其中：

a₃₁＝x_p2-x_o1

a₃₂＝y_p2-y_o1

a₃₃＝z_p2-z_o1

b₂＝(x_p2-x_o1)x_p+(y_p2-y_o1)y_p+(z_p2-z_o1)z_p

式(18)、(19)、(20)联立组成线性方程组，与步骤(二2)求解相似，得：

至此，P'求解完毕；

不难发现，O’₂是以Q₁(x₁,y₁,z₁)为圆心、|O₂O₁|为半径的位于水平面的圆上的一点，并且P'O’₂O₁三点共线，且有

于是根据β＝β_弧度×180/π(角度)可求出瞄准靶坐标基准点时火炮身管的仰角β；

(四4)再次瞄靶，假设传感器固定支点13随火炮身管旋转至点Q(x_q,y_q,z_q)，点Q在P₂P₁P₀O₁平面上的垂足为Q'(x_q1,y_q1,z_q1)，仿照步骤(四1)(四2)(四3)的分析计算过程，

可得：

其中：

a_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)与步骤(四3)中完全相同，因为n,a,b,c法向量是一样的。

b_i(i＝1,2,3)结构与(四3)也完全相同，仅把x_p,y_p,z_p的坐标更换为x_q,y_q,z_q即可。

此位置时的俯仰角β_q，参考β求解过程，得到：

β_q＝β_弧度×180/π(角度)；

至此，计算出了火炮身管旋转的实时仰角β_q和传感器固定支点13的实时坐标Q(x_q,y_q,z_q)；

(四5)计算出火炮身管旋转的实时方位角偏移角度Δα、俯仰角偏移角度Δβ

Δβ＝β-β_q，

Δα即为在P₂P₁P₀O₁平面上P'O₁和Q'O₁的夹角，在ΔP'Q'O₁中，应用余弦定理，可得：

至此，求出了求解火炮身管绕炮塔中心旋转相对于瞄准靶标基准点时的方位角偏移角度Δα、俯仰角偏移角度Δβ＝β_q-β。

上述计算结果和火炮模拟射击效果会实时显示在人机交互单元上，根据上述计算结果可以评估火炮身管的偏移角度是否在误差允许范围内，此外，通过该方法计算还可以记录火炮对目标的瞄准跟踪轨迹，本实施例所涉及的程序和计算方法为常规技术手段。

Claims

1.一种火炮身管偏移角度的外部无损检测系统，其特征在于：它包括呈三角形分布的第一～第三拉线式位移传感器、采集电路、MCU、驱动电路和人机交互单元；

所述第一～第三拉线式位移传感器的信号输出端分别与采集电路的信号输入端相连，采集电路的信号输出端与MCU的A/D输入端相连，MCU的输出端通过驱动电路与人机交互单元的控制输入端相连；

2.根据权利要求1所述的火炮身管偏移角度的外部无损检测系统，其特征在于：所述第一～第三拉线式位移传感器固定在一配重板上。