火箭炮調(diào)炮精度智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孟 波，王圣旭，游 藩，夏 平，喻 俊

(中國人民解放軍63981部隊， 武漢 430311)

瞄準精度是火箭炮的一項重要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標，瞄準精度的高低直接影響到火箭炮落炸點的精度，是火箭炮關(guān)鍵技術(shù)指標之一。其瞄準精度與指揮控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和定位定向裝置有關(guān)[1-2]，最終反映在火箭炮的射角、射向的準確性上。因此有必要對火箭炮調(diào)炮精度檢測進行深入研究。

依靠火箭炮配備的周視瞄準鏡，可以測量其調(diào)炮后的方位角和高低角，但由于該裝置本身誤差較大，加之炮管彈性變位和炮身偏移量并不反映到瞄準裝置上，該方法檢測精度不高。難以滿足火箭炮自動調(diào)炮高精度檢測的要求?，F(xiàn)有保障車組所配備的瞄準檢測系統(tǒng)，由于設(shè)計定型時間較早，限于當時的技術(shù)條件，檢測效率和精度上都不夠高，因此有必要對火箭炮調(diào)炮精度檢測進行深入研究，設(shè)計一款高精度和高效率的檢測設(shè)備。

1 總體設(shè)計方案

所謂火箭炮調(diào)炮精度，是指通過某種測量方式，將測量計算得到的調(diào)炮角度與在火控系統(tǒng)中裝定的調(diào)炮角度進行比較，所得差值就是調(diào)炮精度。

火箭炮調(diào)炮精度主要分為兩部分：一部分是取決于火箭炮系統(tǒng)實際調(diào)炮到位值與輸入的指令值之間的誤差；另一部分是取決于尋北的重復(fù)性精度。此外，起落架懸臂梁式支撐在不同負載、不同射角條件下會產(chǎn)生彈性變位，從而引起射角變化；且火箭炮在高低調(diào)炮過程中，在方位上也會產(chǎn)生偏移，這種偏移也可造成射向誤差。

遠程火箭炮調(diào)炮精度智能檢測系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺架構(gòu)由2臺高精度DJD2數(shù)字式經(jīng)緯儀、搭載調(diào)炮精度檢測軟件的便攜式計算機、串口數(shù)據(jù)線、2副木質(zhì)三角架、炮尾瞄準器、標桿組件(底座、中管、頂管、瞄準板、頂尖等)等組成，所采用的經(jīng)緯儀水平、垂直角度顯示讀數(shù)分辨率可達1″、測角精度可達2″。

2 數(shù)學(xué)模型分析及算法實現(xiàn)

2.1 數(shù)學(xué)模型分析

圖1 調(diào)炮精度檢測數(shù)學(xué)模型

根據(jù)正弦定理可得

(1)

式中：L為兩臺經(jīng)緯儀之間的水平距離(以下同)。

根據(jù)余弦定理可得：

(2)

又由余弦定理可得：

(3)

(4)

同理可得出以O(shè)1經(jīng)緯儀為主站，O2經(jīng)緯儀為輔站的高低角和方位角：

(5)

其中：ψ為ψ1、ψ2的平均值；θ為θ1和θ2的平均值。將其稱之為第一數(shù)學(xué)模型[4]。根據(jù)系統(tǒng)功能，所述的計算機還設(shè)有零線檢測平臺、管間平行度檢測平臺、射角不一致檢測平臺，其存儲器還存在有第二數(shù)學(xué)模型：

在第二數(shù)學(xué)模型中,θ基和ψ基分別為火箭炮基準管在零位時的高低角和方向角；θ瞄和ψ瞄分別為火箭炮瞄具與第二靶標連線高低角和方向角測量值；θ和ψ為火箭炮零位時各炮管軸線高低角和方向角的測量值； Δ零線和Δψ零線分別為瞄具零線的高低與方向偏差； Δ管平行和 Δψ管平行分別為各炮管軸線相對于基準管軸線在高低和方向的平行度[5]。

為了實現(xiàn)自動調(diào)炮精度檢測平臺、自動尋北精度檢測平臺的功能，設(shè)計了第三數(shù)學(xué)模型和第四數(shù)學(xué)模型：

2.2 算法的設(shè)計與實現(xiàn)

1) 調(diào)炮精度檢測算法

遠程火箭炮調(diào)炮精度智能檢測系統(tǒng)檢測算法的實現(xiàn)是本課題的關(guān)鍵，檢測算法包括零位檢測、零線檢測、管間平行度檢測、瞄準裝置射角不一致檢測、瞄準裝置瞄準線錯位檢測、尋北精度檢測、自動調(diào)炮射角、射向調(diào)炮誤差檢測等[6]，按照各個檢測環(huán)節(jié)的定義，利用建模分析中的公式推導(dǎo)，進行計算，最終得出測量值。以調(diào)炮精度檢測為例：使用兩臺經(jīng)緯儀瞄準定向器上的兩個標記點，得到該射角測量值與火控計算機給出的裝定目標值作差，即為一次測量結(jié)果，重復(fù)上述操作7次，保存測量結(jié)果，軟件系統(tǒng)根據(jù)第三、第四數(shù)學(xué)模型計算出均方差，即為調(diào)炮精度。

2) 瞄準點自動識別算法

調(diào)炮精度智能檢測系統(tǒng)包含瞄準零位檢測、瞄準零線檢測、瞄準線錯位檢測、射角不一致檢測、定向管標記點誤差檢測、尋北精度檢測、調(diào)炮精度測量等7個檢測項目，每個檢測項目都需要利用經(jīng)緯儀對各標記點進行四次測量，現(xiàn)有調(diào)炮精度檢測系統(tǒng)，是在人員指導(dǎo)下，嚴格按照操作步驟對各標示點進行對瞄測量，操作過程繁瑣、耗時費力、易出錯。通過對調(diào)炮精度檢測流程的分析，嘗試對各標記點角度特征提取與識別，可以最大限度的縮短檢測時間[7]。

根據(jù)每組測量{(α1,β1),(α2,β2),(α3,β3),(α4,β4)}中方向角度α1、α2、α、α的大小關(guān)系和測量所利用的經(jīng)緯儀哦O1還是O2這兩個特征，就可識別出標記點，進而將測量值與標記點對應(yīng)起來，由計算機軟件根據(jù)算法推導(dǎo)出的公式自動運算，無需像傳統(tǒng)測量方式那樣由專人指揮，嚴格按照操作步驟瞄準測量，既節(jié)省了操作時間，又可避免由于過多的人工干預(yù)而出現(xiàn)人為失誤。

3) 測量點誤差補償算法

誤差補償算法不僅提高了系統(tǒng)的檢測精度，同時由于其降低了反復(fù)調(diào)整P1、P2的位置使其連線平行于炮管中軸線的標準,從而減少了操作時間，提高了檢測效率。

3 軟件開發(fā)與應(yīng)用

高精度調(diào)炮智能檢測軟件是Windows系統(tǒng)下通過Qt平臺實現(xiàn)的，軟件采用模塊化設(shè)計。軟件系統(tǒng)可分為人機交互界面模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計算處理模塊和數(shù)據(jù)存儲及報表打印模塊等。

1) 人機交互界面模塊

設(shè)計界面時，根據(jù)功能需求分為主界面、設(shè)置界面、瞄準零位檢測界面、瞄準零線檢測界面、瞄準線錯位檢測界面、射角不一致檢測界面、定向管標示點誤差檢測界面、尋北精度檢測界面、調(diào)炮精度檢測界面等，用以實現(xiàn)檢測過程的人機交互。

主界面示意圖如圖2，所示主要完成快速進入各子界面，并且能夠快速設(shè)置本次檢測人、被測火炮編號等功能。

圖2 主界面示意圖

調(diào)炮精度檢測界面如圖3所示，主要用于檢測火炮調(diào)炮精度。該界面所具備的功能：自動檢測串口號是否設(shè)置正確；自動判斷經(jīng)緯儀所瞄準的是靶板還是炮口十字標識點。

圖3 調(diào)炮精度檢測界面

2) 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

兩臺經(jīng)緯儀將測量得到的數(shù)據(jù)通過串口線上傳至數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器按照具體的調(diào)炮精度檢測算法進行計算，并將接收到的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果存放到數(shù)據(jù)庫中。雙方遵循相同的串口通信協(xié)議。利用第三方串口qextserialport類函數(shù)，可以方便快捷地完成一般串口編程任務(wù)，設(shè)置波特率，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗，停止位，數(shù)據(jù)流控制等串口參數(shù)。該類打包時無需加入其他文件，所有函數(shù)是開放、透明的，用戶可根據(jù)自己的需求進行改造，編程者可以將更多的精力集中在串行通信協(xié)議的編制及數(shù)據(jù)處理上。

3) 數(shù)據(jù)存儲與報表打印模塊設(shè)計

為最大限度減少人工操作步驟，提高調(diào)炮精度檢測效率，本系統(tǒng)設(shè)計了檢測報告存儲打印功能模塊。Qt中的QtSQL模塊提供了對數(shù)據(jù)庫的支持，通過數(shù)據(jù)庫模塊來和不同的數(shù)據(jù)庫接口進行通信，為系統(tǒng)檢測報表的存儲打印功能實現(xiàn)提供了有效解決方案。引入SQL模塊后，添加數(shù)據(jù)庫驅(qū)動、設(shè)置數(shù)據(jù)庫名稱，數(shù)據(jù)庫登陸用戶名及密碼，使用QSqlQuery類，可以完成插入數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)等功能。通過SQLite數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的數(shù)據(jù)報表打印模塊，具有快速、便捷以及出色的穩(wěn)定性，可以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4 實驗數(shù)據(jù)

為了對該系統(tǒng)的檢測效率及精度進行驗證[9]，課題組針對遠程火箭炮調(diào)炮精度智能檢測系統(tǒng)各檢測項目分別設(shè)計試驗，并通過試驗數(shù)據(jù)比較作出結(jié)果分析。

下面以調(diào)炮精度測量為例，采用7次高低及方位調(diào)炮精度測量，對測量值求取均方差以衡量兩種檢測手段的可靠性[10]。選取高低到位值及方向到位值的標準值分別為500 mil、10 mil見表1所示。

表1 調(diào)炮精度測量數(shù)據(jù)記錄表

從檢測數(shù)據(jù)來看，3種測量方式測量誤差都在允許范圍內(nèi)，對測量值的均方值進行比較，調(diào)炮精度智能檢測系統(tǒng)所得結(jié)果的波動范圍更小，同時，該檢測系統(tǒng)與傳統(tǒng)調(diào)炮精度檢測方法相比，檢測效率顯著提升。該項目整個測試過程可在1 h的測試時間內(nèi)完成，縮短至現(xiàn)有檢測方式的1/3。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)能夠發(fā)揮其檢測效率高、容錯性強、智能化程度高、精度高等優(yōu)點，較目前已有的調(diào)炮精度檢測設(shè)備性能更優(yōu)，為遠程火箭炮維修保障工作提供了有效的技術(shù)支撐，具有重大的軍事效益，處于軍內(nèi)調(diào)炮精度檢測領(lǐng)域先進水平。