一種智能步兵雷的防拆裝置

傅國(guó)強(qiáng)，華宇寧，武永健，郝永平，張德育，白 帆，劉 猛

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

傳統(tǒng)地雷主要由雷殼、炸藥、機(jī)械傳動(dòng)起爆裝置組成[1].雷殼作為地雷的最外層防護(hù)裝置只是機(jī)械的組裝、消極的防御部件，極易被工兵拆除，起不到對(duì)地雷的有效保護(hù)作用.此外，機(jī)械傳動(dòng)起爆裝置的力學(xué)特性決定了其自身存在致命缺陷，即地雷鋪設(shè)之后不可控，地雷不能根據(jù)我方需要及時(shí)捕捉戰(zhàn)機(jī)來應(yīng)對(duì)工兵破壞.近年來，多在電子設(shè)備內(nèi)部設(shè)置機(jī)械式安全檢測(cè)開關(guān).機(jī)械式安全檢測(cè)開關(guān)由安全觸點(diǎn)與導(dǎo)電觸頭構(gòu)成.機(jī)械式檢測(cè)方法簡(jiǎn)單有效，但也存在一個(gè)缺陷，即無法有效避免機(jī)械式安全開關(guān)引起的誤觸發(fā)，設(shè)備在使用、存儲(chǔ)、運(yùn)輸過程中，均可能由劇烈振動(dòng)、環(huán)境溫濕度變化等導(dǎo)致導(dǎo)電觸頭與安全觸點(diǎn)之間的短暫分離而產(chǎn)生誤動(dòng)作.傳統(tǒng)地雷的弊端[2]難以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng).針對(duì)傳統(tǒng)地雷的改進(jìn)，國(guó)內(nèi)外科研院所此前曾取得一些成果[3]，將機(jī)械觸發(fā)裝置改進(jìn)為電氣觸發(fā)裝置，增加防拆裝置，用電信號(hào)起爆替代機(jī)械傳動(dòng)起爆裝置.目前，地雷已開始向智能化、非致命化、可控制方向發(fā)展.

1 智能步兵雷的核心電路

智能步兵雷的核心電路如圖1所示.其硬件平臺(tái)采用的是S3C2416控制器，配置GPS模塊；軟件平臺(tái)為L(zhǎng)inux2.6.21；自組網(wǎng)路由協(xié)議為AODV[4].每個(gè)智能步兵雷都擁有獨(dú)立的S3C2416核心電路.其微控模塊采用的是三星公司生產(chǎn)的S3C2416 ARM926芯片(其主頻為400 MHz)，運(yùn)行內(nèi)存選用三星公司的K4T51163 DDRII266 64MByte RAM內(nèi)存，程序存儲(chǔ)選用三星公司的256 MB的NAND FLASH，并且支持?jǐn)U展存儲(chǔ)設(shè)備.

圖1 智能步兵雷核心電路實(shí)物圖

2 防拆裝置的設(shè)計(jì)

2.1 電氣防拆裝置

智能步兵雷的控制電路能夠通過I/O引腳檢測(cè)防拆裝置的狀態(tài)信息.智能步兵雷的I/O引腳有20個(gè)，接收的電信號(hào)電壓等級(jí)為直流3.3 V.智能步兵雷的I/O引腳如圖2所示.

圖2 智能步兵雷的I/O引腳

將智能步兵雷控制電路的第9個(gè)和第12個(gè)I/O引腳可作為防拆裝置的信號(hào)采集引腳.雷殼由4顆固定螺栓固定，每顆固定螺栓下面都有一個(gè)獨(dú)立的防拆裝置.在智能步兵雷的正常值守期間，電氣防拆裝置的驅(qū)動(dòng)程序在對(duì)應(yīng)I/O引腳信號(hào)線上采集低電平信號(hào).當(dāng)工兵對(duì)智能步兵雷進(jìn)行拆除時(shí)，防拆裝置的感應(yīng)部件會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng).這種抖動(dòng)造成I/O引腳采集的電位波動(dòng)，電氣防拆裝置的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)將高電平信號(hào)以中斷的方式通知智能步兵雷的S3C2416核心電路，然后無延遲起爆智能步兵雷戰(zhàn)斗部.電氣防拆裝置的程序流程如圖3所示.

圖3 電氣防拆裝置的程序流程

2.2 機(jī)械防拆裝置

為進(jìn)一步保護(hù)雷區(qū)，在智能步兵雷中設(shè)計(jì)了機(jī)械防拆裝置.機(jī)械防拆裝置被安裝在智能步兵雷的雷殼夾縫中，其動(dòng)作原理相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械按鍵.在正常情況下，智能步兵雷的機(jī)械防拆裝置輸出的是低電平信號(hào)，當(dāng)對(duì)方工兵試圖拆除智能步兵雷而拔出雷殼上的固定螺栓時(shí)，上下雷殼分離，機(jī)械防拆裝置會(huì)自動(dòng)彈起，并且產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)，機(jī)械防拆裝置的驅(qū)動(dòng)程序因收到高電平信號(hào)的上升沿而產(chǎn)生中斷，通知智能步兵雷S3C2416核心電路，無延遲起爆智能步兵雷戰(zhàn)斗部.機(jī)械防拆裝置的程序流程如圖4所示.

圖4 機(jī)械防拆裝置的程序流程

智能步兵雷防拆裝置的信號(hào)以中斷方式通知S3C2416核心電路，不必浪費(fèi)時(shí)間和資源去查詢防拆裝置的狀態(tài).在防拆裝置有請(qǐng)求服務(wù)時(shí)，向S3C2416核心電路發(fā)出中斷請(qǐng)求，該核心電路會(huì)停止執(zhí)行當(dāng)前程序而優(yōu)先響應(yīng)防拆裝置的中斷信號(hào)，因此提高了防拆裝置的靈敏性和動(dòng)作實(shí)時(shí)性.

3 防拆裝置的結(jié)構(gòu)及其靈敏性分析

3.1 防拆裝置的結(jié)構(gòu)

智能步兵雷防拆裝置的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 防拆裝置的電路結(jié)構(gòu)

無論工兵先剪斷防拆裝置的信號(hào)采集線，還是先拔出固定螺栓，都會(huì)在智能步兵雷防拆裝置上產(chǎn)生一個(gè)微小的斷點(diǎn)電容C，斷點(diǎn)電容C隨即被充電，產(chǎn)生高電平信號(hào)和高電平的上升沿信號(hào).斷點(diǎn)電容形成后的防拆裝置電路結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 防拆裝置出現(xiàn)斷點(diǎn)電容后的電路結(jié)構(gòu)

斷點(diǎn)電容C可近似用平板電容模型進(jìn)行求解，即：假設(shè)斷點(diǎn)電容C的兩極間沒有任何介質(zhì)，是真空的，斷點(diǎn)電容C的兩極板正對(duì)面積為s，兩極間距離為d，則：

(1)

當(dāng)兩極間充滿空氣介質(zhì)時(shí)，電容值增大為真空電容值的ε倍.ε為常數(shù)，與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)(空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1.000 58)，稱為相對(duì)介電常數(shù).那么，斷點(diǎn)電容的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

(2)

3.2 防拆裝置的靈敏性

對(duì)形成斷點(diǎn)電容的防拆裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可得到智能步兵雷防拆裝置的運(yùn)算模型(圖7).

圖7 防拆裝置的運(yùn)算模型

圖8 優(yōu)化前防拆裝置的單位階越響應(yīng)曲線

從圖8可看出，智能步兵雷的防拆裝置為一階系統(tǒng).在3.3 V直流電源的作用下，其階躍響應(yīng)曲線從初值0上升到3.3 V直流電壓的63.2%、86.5%、95.0%、98.2%、99.3%，所需時(shí)間分別為過渡過程T、2T、3T、4T、5T.

設(shè)斷點(diǎn)電容C的極板正對(duì)面積s=1 mm2，板間距離d=1 mm，則一階系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)為：

T=8.86×10-8s.

總之，智能步兵雷的防拆裝置以電信號(hào)起爆替代機(jī)械傳動(dòng)起爆，從滿足實(shí)戰(zhàn)要求出發(fā)，還需要改善防拆裝置的實(shí)時(shí)性和靈敏度，進(jìn)一步提升智能步兵雷的反應(yīng)能力.本文對(duì)該防拆裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化.

4 防拆裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 優(yōu)化后電路模型

為提高防拆裝置的反應(yīng)速度，在防拆裝置上增加一個(gè)串聯(lián)電感L.在斷點(diǎn)電容C充電時(shí)，防拆裝置中存在兩個(gè)串聯(lián)儲(chǔ)能元件.此時(shí)，防拆裝置可作為一個(gè)二階系統(tǒng)(圖9)看待.

圖9 優(yōu)化后防拆裝置電路結(jié)構(gòu)

4.2 優(yōu)化后運(yùn)算模型

對(duì)優(yōu)化后防拆裝置的電路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，可得圖10所示的防拆裝置運(yùn)算模型.

圖10 優(yōu)化后防拆裝置運(yùn)算模型

5 優(yōu)化后防拆裝置的性能分析

優(yōu)化后防拆裝置的基爾霍夫電壓方程為：

(3)

式中：UC為斷點(diǎn)電容兩端電壓；U為防拆裝置的輸入電壓；R=10 kV，為串聯(lián)電阻；t為時(shí)間.

對(duì)式(3)進(jìn)行拉氏變換得：

(4)

優(yōu)化后防拆裝置的傳遞函數(shù)為：

(5)

防拆裝置等同于一個(gè)二階系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)輸入為單位階躍函數(shù)，即輸入為1 V時(shí)，輸出的頻域響應(yīng)[5]為：

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行拉氏反變換，則輸出的時(shí)域響應(yīng)為：

(7)

優(yōu)化后防拆裝置的階躍響應(yīng)波形如圖11所示.其輸出為電壓信號(hào)(V).

圖11 優(yōu)化后防拆裝置的階躍響應(yīng)波形

優(yōu)化后防拆裝置的階躍響應(yīng)曲線在振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比ξ越大，響應(yīng)速度就越慢.當(dāng)L=0，即智能步兵雷的防拆裝置結(jié)構(gòu)未優(yōu)化時(shí)，ξ=∞，防拆裝置為一階系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)曲線上升速度慢，輸出響應(yīng)輸入的效果不佳.優(yōu)化后防拆裝置為二階系統(tǒng)，響應(yīng)速度提高，防拆裝置能快速地響應(yīng)外界工兵對(duì)智能步兵雷的破壞，但會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào).由此可見，振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比ξ越小，輸出響應(yīng)輸入的速度越快，能越早到達(dá)輸入的值，即反應(yīng)速度越快.但是，振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比并非越小越好，因?yàn)棣卧叫t輸出曲線超調(diào)越大.I/O引腳的額定電壓為3.3 V，如果I/O引腳電壓輸入超過5 V就可能造成智能步兵雷的核心電路燒毀，導(dǎo)致智能步兵雷失控.因此，該二階系統(tǒng)的阻尼比必須滿足條件：ξ>2，即超調(diào)量不得大于輸入的50%[5].

6 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)地雷以機(jī)械方式觸發(fā)，觸發(fā)方式單一，因雷殼構(gòu)造簡(jiǎn)單而極易被工兵拆除.本文在智能步兵雷上增加S3C2416核心電路，移植linux2.6.21操作系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)防拆裝置后，提升了智能步兵雷自身防御性能，可更有效地應(yīng)對(duì)工兵破壞，增強(qiáng)智能步兵雷的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和適應(yīng)能力.