基于GPS的彈道修正彈驅(qū)動(dòng)控制器系統(tǒng)

張麗艷，杜忠華，張志安，戴煒

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；2.總裝裝甲兵裝備技術(shù)研究所，北京100072）

基于GPS的彈道修正彈驅(qū)動(dòng)控制器系統(tǒng)

張麗艷1，杜忠華1，張志安1，戴煒2

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；2.總裝裝甲兵裝備技術(shù)研究所，北京100072）

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)二維彈道修正處于起步階段和一維彈道修正處于研制階段，提出了一種基于距離及精度二次修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制器，該驅(qū)動(dòng)控制器模塊是一種新型的修正組件控制模塊，詳細(xì)介紹了修正組件控制器的工作原理、修正原理和硬件電路設(shè)計(jì)。硬件電路設(shè)計(jì)主要包括升壓電路、四路起爆電路和異或門電路。每路起爆電路可以獨(dú)立控制一個(gè)阻尼片。該控制器可以完成多種模式的修正，不僅可以完成彈道修正彈的一維一次和一維二次距離修正，還可以完成彈道修正彈的二維修正。

彈道修正彈，升壓電路，起爆電路，異或門

0　引言

一維彈道修正彈只能對(duì)彈藥射程進(jìn)行修正［1］，是彈道修正彈發(fā)展的初始階段，國(guó)外技術(shù)已相對(duì)比較成熟，是目前彈道修正彈的主流。二維彈道修正彈可對(duì)彈藥的射程和方位進(jìn)行修正［3］，但仍處于研制階段。針對(duì)此現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外提出了很多彈道修正彈修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方法。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了一種新型的變面積增阻式修正機(jī)構(gòu)，克服了原有機(jī)構(gòu)中只能進(jìn)行一次修正的問題。文獻(xiàn)［4］提出了一種用于一維彈道修正引信的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過軟件仿真對(duì)機(jī)構(gòu)的受力情況和工作過程進(jìn)行了數(shù)字仿真和系統(tǒng)分析，得到一維時(shí)間控制射程修正規(guī)律。文獻(xiàn)［5］提出了二維彈道修正火箭彈的系統(tǒng)組成和工作原理，并闡述了利用控制發(fā)動(dòng)機(jī)改變火箭彈速度方向以實(shí)現(xiàn)二維彈道修正的新概念。

彈道修正彈的修正組件控制器是彈道修正系統(tǒng)的重要組成部分，一維彈道修正彈的射程修正和二維彈道修正彈的射程方位修正都需要不同的驅(qū)動(dòng)控制器來完成［6］。鑒于控制器應(yīng)用的特殊性，必須滿足小型化、重量輕、抗過載且成本低等要求。本文提出了一種獨(dú)立的彈道修正控制器模塊，既可以實(shí)現(xiàn)一維彈道距離一次修正和距離二次修正，也可以實(shí)現(xiàn)彈道的二維修正，此控制器模塊集合了一維彈道修正彈和二維彈道修正彈的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了彈道修正的精度。

1　修正組件控制器的修正原理

彈道修正彈執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由作動(dòng)器、解鎖機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置和阻尼片等組成。作動(dòng)器選擇為火藥推銷器。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要4個(gè)推銷器，每一個(gè)起爆電路控制一個(gè)推銷器，每一個(gè)推銷器控制一個(gè)阻尼片，因此，可以達(dá)到阻尼片單獨(dú)張開、兩個(gè)同時(shí)張開和全部張開的目的。根據(jù)阻尼片張開的個(gè)數(shù)，得到阻尼片依次張開的示意圖如圖1所示，阻尼片張開順序是A-E時(shí)，實(shí)現(xiàn)一維一次距離修正；阻尼片張開順序是A-C-E時(shí)，實(shí)現(xiàn)一維二次距離修正；阻尼片張開順序是A-B-C-D-E時(shí)，實(shí)現(xiàn)彈道修正彈二維修正。

圖1　阻尼片依次張開示意圖

1.1彈道修正彈一維修正

彈道修正彈依據(jù)“打遠(yuǎn)修近”的原理［1］，根據(jù)偏差的大小形成控制指令，由升壓起爆電路的四路起爆同時(shí)作用，把指令傳給彈上4個(gè)阻尼片，接收指令后4個(gè)阻尼片同時(shí)張開，實(shí)現(xiàn)彈道修正彈的一次修正。一維一次修正彈道飛行軌跡示意圖如圖2所示。阻尼片張開順序?yàn)锳-E。在彈丸飛行過程中首先兩路起爆電路作用，使得兩個(gè)相對(duì)的阻尼片同時(shí)張開，進(jìn)行彈道修正彈道的一次修正，飛行適當(dāng)時(shí)間后，根據(jù)實(shí)際彈道和理想彈道誤差，控制剩余兩路起爆電路作用，阻尼片全部張開，實(shí)現(xiàn)彈道修正彈的一維二次修正。一維二次修正彈道飛行軌跡示意圖如圖3所示。阻尼片張開順序?yàn)锳-C-E。

圖2　一維一次修正彈道飛行軌跡示意圖

圖3　一維二次修正彈道飛行軌跡示意圖

1.2彈道修正彈二維修正

彈道修正彈二維修正基本原理是：首先一路起爆電路作用，其中一個(gè)阻尼片張開用于縱向修正，阻尼片張開后再次獲取彈丸位置信息，適當(dāng)?shù)臅r(shí)間張開相對(duì)的阻尼片進(jìn)行輔助縱向修正。縱向修正完畢后，根據(jù)實(shí)際彈道與理想彈道對(duì)比，計(jì)算出彈道偏差，得到阻尼片張開的時(shí)刻，依次張開其他兩個(gè)阻尼片進(jìn)行橫向修正，假如第2次方向修正還沒有達(dá)到預(yù)期方向軌跡，第3個(gè)阻尼片張開繼續(xù)修正方向，直到修正好為止。二維彈道修正飛行軌跡示意圖如圖4所示。阻尼片張開順序?yàn)锳-B-C-D-E。

圖4　二維彈道修正飛行軌跡示意圖

2　修正組件控制器電路設(shè)計(jì)

2.1修正組件控制器的工作原理

本文設(shè)計(jì)了以推銷器作為原動(dòng)機(jī)的槳型阻尼機(jī)構(gòu)、以GPS作為彈道測(cè)量系統(tǒng)和以DSP作為彈載處理器的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)修正組件包括控制組件和尾翼組件?？刂平M件包括：GPS低噪放、GPS接收機(jī)、DSP核心控制器、升壓起爆控制電路等；尾翼組件包括：推銷器、推銷機(jī)構(gòu)、尾翼張開機(jī)構(gòu)等。彈道修正彈修正組件工作原理如下頁(yè)圖5所示，GPS天線、低噪放和GPS接收機(jī)屬于GPS系統(tǒng)，主要用于接收GPS信號(hào)，包含彈丸位置信息、速度坐標(biāo)信息，同時(shí)將接收到的GPS信號(hào)傳遞給DSP處理器；DSP處理器系統(tǒng)的主要功能是接收GPS信號(hào)，并解算彈道，給出修正機(jī)構(gòu)展開時(shí)刻，輸出起爆信號(hào)給起爆控制電路，起爆電路引爆推銷器內(nèi)部點(diǎn)火具，推銷器動(dòng)作，控制阻尼片張開，完成對(duì)彈道飛行軌跡的修正。

圖5　彈道修正彈修正組件工作原理

2.2電路總體設(shè)計(jì)

本電路是基于TMS32F28335芯片的控制電路，核心控制器TMS320F28335與GPS接收機(jī)以及上位機(jī)之間采用串口RS232總線傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用基于I2C總線的FRAM（鐵電存儲(chǔ)器）作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體。FRAM存儲(chǔ)速度快，掉電不丟失，存儲(chǔ)的最小單位字節(jié)，適合本系統(tǒng)的存儲(chǔ)需求。3.3 V電壓供給GPIO端口，1.9 V電壓供給芯片內(nèi)核。4個(gè)異或門通過GPIO端口與芯片連接起來，異或門連接升壓模塊，升壓模塊連接兩個(gè)可控硅起爆電路。電路總體原理設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

圖6　電路總體原理設(shè)計(jì)圖

2.3升壓模塊

由于點(diǎn)火頭的引爆電壓大于等于5 V，加上TMS320F28335的IO引腳最大輸出電流只有4 mA到8 mA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能引爆點(diǎn)火頭。因此，設(shè)計(jì)此升壓模塊，將電池電壓從3.1 V升壓至3.1 V至50 V之間的任意電壓值。本模塊選用奧地利公司AS1340升壓芯片，AS1340工作電壓是2.7 V至5.5 V，可提供2.7 V至50 V的可調(diào)節(jié)輸出電壓。AS1340的供電系統(tǒng)除為AS1340供電，還可在其電感線圈獲得高達(dá)50 V的供電電壓。從升壓控制模式講，高達(dá)1 MHz的固定開關(guān)頻率使其能使用極小尺寸的電感和電容器件，從而最大限度地減小PCB的空間。升壓電路如圖7所示。VFB為芯片的基準(zhǔn)電壓1.25 V，VOut輸出電壓可以達(dá)到3 V～50 V之間的任意值，可以通過式（1）獲得：

R7的阻值在10 k-200 k之間。

圖7　升壓電路

2.4引爆電路

圖8　四路起爆電路

四路起爆電路設(shè)計(jì)如圖8所示。Ctrl_out為控制信號(hào)，Vout_45 V為升壓模塊提供的45 v電壓，Ctrl_fire接點(diǎn)火頭一端。當(dāng)Ctrl_out為高電平時(shí)，可控硅導(dǎo)通，引爆點(diǎn)火頭，阻尼片張開。根據(jù)圖8四路起爆電路圖可以清楚地看到，四路起爆電路由兩個(gè)異或門連接，每個(gè)異或門連接兩路起爆，也就是說當(dāng)兩個(gè)異或門同時(shí)工作的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)四路同時(shí)起爆，4個(gè)阻尼片也隨之同時(shí)張開，完成一維彈道修正；2個(gè)異或門根據(jù)指令依次進(jìn)行工作的時(shí)候，就實(shí)現(xiàn)了四路起爆分兩次完成，阻尼片也是一對(duì)一對(duì)的依次張開，可以修正橫向和縱向距離。

2.5異或門電路

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，TMS320F28335的每個(gè)GPIO引腳都是同步的，因此，將兩個(gè)GPIO引腳的信號(hào)經(jīng)過異或門芯片異或之后作為升壓引爆模塊的控制信號(hào)。如圖9所示。經(jīng)過示波器測(cè)試，異或門芯片有效屏蔽了方波信號(hào)對(duì)升壓起爆模塊帶來的潛在危險(xiǎn)。

圖9　異或門芯片電路設(shè)計(jì)

3　結(jié)論

多功能彈道修正彈執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)控制器在彈丸飛行過程中具有較大的靈活性，適應(yīng)不同的彈道，從而改變飛行軌跡，直到達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)由4個(gè)推銷器和4個(gè)阻尼片組成，每個(gè)推銷器可以獨(dú)立控制一個(gè)阻尼片，互不干涉，實(shí)現(xiàn)阻尼片張開的自由性。對(duì)彈丸進(jìn)行射程修正的時(shí)候，經(jīng)過彈道解算結(jié)果分析分為兩種情況：一是只需要一次射程修正就可以達(dá)到修正效果，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間同時(shí)張開4個(gè)阻尼片進(jìn)行距離修正，完成一維一次修正；二是彈丸實(shí)際飛行軌跡與理想彈道軌跡誤差比較大，需要進(jìn)行兩次射程修正才可以命中目標(biāo)，即彈丸飛行過程中，首先張開兩個(gè)阻尼片，進(jìn)行彈道一次距離修正，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間再?gòu)堥_其他兩個(gè)阻尼片，進(jìn)行第2次彈道修正，最終完成彈道一維二次修正。對(duì)彈丸飛行軌跡進(jìn)行二維修正，首先阻尼片張開進(jìn)行方向修正，直到在方向上完成預(yù)期的效果，然后再進(jìn)行距離修正。本文設(shè)計(jì)的多功能彈道修正彈執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)控制器集一維彈道修正和二維彈道修正的優(yōu)點(diǎn)于一身，提高彈丸的射擊精度，這一設(shè)計(jì)對(duì)于彈道修正彈的進(jìn)一步發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。

［1］張民權(quán)，劉東方，王冬梅，等.彈道修正彈發(fā)展綜述［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31（2）：127-130.

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Study of Trajectory Correction Drive Ccontroller Based on GPS

ZHANG Li-yan1，DU Zhong-hua1，ZHANG Zhi-an1，DAI Wei2
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China；2.Armored Forced Equipment Technology Institution，Beijing 100072，China）

In order to improve missiles intensity，using resistance correction principle is a low cost trajectory correction technique.In the domestic，two dimensional trajectory corrections are in its infancy and one dimensional correction is in the stage of development.This paper presents a drive controller based on distance and precision about correction actuator.Drive controller module is a new controller module of correction component，introduces the works，correction principle and hardware circuit of the revised component controller.Hardware circuit design including the booster circuit，four detonates circuit and XOR gate circuit.This controller can perform a variety of modes about correction，not only complete one dimensional trajectory first correction and quadratic distance correction，but also can complete two-dimensional trajectory correction.

trajectory correction projectile，boost circuit，detonates circuit，XOR gate

TJ012.4

A

1002-0640（2015）02-0144-04

2014-01-19

2014-02-04

張麗艷（1989-），女，山東萊蕪人，碩士。研究方向：控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。