基于電子準(zhǔn)星補(bǔ)償?shù)碾姶虐l(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

倪曉明，田楊萌，向紅軍

(1 北京信息科技大學(xué)， 北京 100192； 2 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003)

0 引言

電磁發(fā)射器( EM launcher)就是利用電磁力提升和推動(dòng)彈體的器械，電磁發(fā)射器具有無(wú)明火、無(wú)污染、非接觸、噪音小、推力大、速度可控等明顯優(yōu)勢(shì)，在公安、國(guó)防等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1-3]。目前的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)基本采用機(jī)械瞄準(zhǔn)或光學(xué)瞄準(zhǔn)，需根據(jù)距離進(jìn)行手工調(diào)整或補(bǔ)償，本設(shè)計(jì)采用了電子自動(dòng)補(bǔ)償方式，根據(jù)測(cè)得的距離，確定加速級(jí)數(shù)，自動(dòng)計(jì)算初速度并對(duì)準(zhǔn)星進(jìn)行修正補(bǔ)償，避免了手工調(diào)整，提高了瞄準(zhǔn)和射擊的精度及速度。設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由觀瞄系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)、火控系統(tǒng)及準(zhǔn)星修正系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成，其中觀瞄系統(tǒng)通過(guò)CCD/CMOS攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)打擊目標(biāo)的觀察、記錄和初步瞄準(zhǔn)；測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)激光測(cè)距、測(cè)角部件對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距、測(cè)角；火控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)測(cè)距離和角度以及所需的出膛速度計(jì)算出驅(qū)動(dòng)級(jí)數(shù)，調(diào)整電磁火力；準(zhǔn)星修正系統(tǒng)修正虛擬準(zhǔn)星位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確瞄準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

文中設(shè)計(jì)方案由電子觀瞄成像模塊、激光測(cè)距模塊、角度測(cè)量模塊、圖像處理模塊、彈道計(jì)算和準(zhǔn)星補(bǔ)償修正模塊、影像顯示和記錄模塊、彈速調(diào)整模塊等組成，基于電子準(zhǔn)星補(bǔ)償?shù)碾姶虐l(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于電子準(zhǔn)星補(bǔ)償?shù)碾姶虐l(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 激光測(cè)距模塊

主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離的測(cè)量，即從彈體出膛點(diǎn)到被瞄準(zhǔn)點(diǎn)的連接線距離。根據(jù)這一距離配合傾斜角度可以確定彈體出膛速度和彈道軌跡。

激光測(cè)距一般有兩種方式：相位法和脈沖法。相位式激光測(cè)距一般應(yīng)用在精密測(cè)距中，精度高，一般為毫米級(jí)。但測(cè)量速度較慢，距離有限，一般為百米級(jí)。脈沖法測(cè)量距離的精度一般在±1 m左右，但測(cè)距范圍很大，可輕松超過(guò)千米[4]。因本次設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)距精度要求不高，米級(jí)精度足夠，但對(duì)快速測(cè)量要求較高，因此設(shè)計(jì)選擇脈沖測(cè)距法。

激光測(cè)距模塊發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量物體的反射后被測(cè)距模塊接收，測(cè)距模塊記錄激光往返的時(shí)間。光速和往返時(shí)間的乘積的一半就是測(cè)距模塊和被測(cè)量物體之間的距離。從激光發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)間距離D可用式(1)表示。

D=ct/2

(1)

式中：D為從激光發(fā)射點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)間距離；c為光在大氣中傳播的速度；t為光往返激光發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)一次所需的時(shí)間。

2.2 傾角測(cè)量模塊

主要實(shí)現(xiàn)對(duì)槍身俯仰角度的測(cè)量，配合測(cè)距模塊所測(cè)距離值確定彈體出膛速度和彈道軌跡。該模塊設(shè)計(jì)的核心芯片采用了AD公司的ADXL345數(shù)字式超低功耗三軸加速度計(jì)芯片。該芯片分辨率高(13位)，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過(guò)SPI或I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ADXL345是一款完整的三軸加速度測(cè)量系統(tǒng)，既能測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度，也能測(cè)量靜止加速度，傾角測(cè)量就是利用靜止加速度測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。ADXL345加速度信號(hào)的幅度和極性關(guān)系如圖2所示，ADXL345輸出響應(yīng)與芯片放置位置的關(guān)系如圖3所示[5]。

圖2 ADXL345加速度信號(hào)的幅度和極性關(guān)系

圖3 ADXL345輸出響應(yīng)與芯片放置位置關(guān)系

加速度傳感器測(cè)得的加速度并不能直接表示物體的傾角，需要通過(guò)計(jì)算才能得到傾角值。傳感器平行安裝在電磁發(fā)射器上，X軸與發(fā)射器出彈筒平行，Y軸橫向與出彈筒垂直，Z軸與出彈筒縱向垂直，設(shè)出彈筒與地面的夾角為俯仰角ρ，槍身的側(cè)滾角為γ。

當(dāng)ρ=0，γ=0時(shí)，各軸上的靜態(tài)加速度為：Ax=0g；Ay=0g；Az=1g

當(dāng)ρ≠0，γ=0時(shí)，各軸上的靜態(tài)加速度為：Ax=1g×sinρ；Ay= 0g；Az= 1g×cosρ

由上式可得到俯仰角ρ的計(jì)算公式：

ρ=arctan(Ax/Az)

(2)

同理可得到滾角為γ的計(jì)算公式：

師：在建立函數(shù)與方程的聯(lián)系過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了“動(dòng)” 與“靜”的轉(zhuǎn)化——“方程的根是一個(gè)靜態(tài)的點(diǎn)，等價(jià)轉(zhuǎn)化為“函數(shù)的零點(diǎn)”就與運(yùn)動(dòng)變化聯(lián)系上了.

γ= arctan(Ay/Az)

(3)

主控芯片通過(guò)SPI接口讀取ADXL345傳感器的三軸加速度后，根據(jù)上述公式，可計(jì)算出發(fā)射器的俯仰角、側(cè)滾角數(shù)據(jù)[6]。

加速度傳感器的硬件連接如圖4所示。

圖4 加速度傳感器的硬件連接

2.3 彈體速度計(jì)算/彈道計(jì)算/準(zhǔn)星補(bǔ)償修正計(jì)算模塊(十字瞄準(zhǔn)叉絲補(bǔ)償計(jì)算)

該模塊的關(guān)鍵是準(zhǔn)星的補(bǔ)償修正計(jì)算。

1)根據(jù)激光測(cè)距模塊所測(cè)距離及火控策略首先確定電磁驅(qū)動(dòng)級(jí)數(shù)，距離越遠(yuǎn)驅(qū)動(dòng)級(jí)數(shù)越多，隨后把分級(jí)使能信號(hào)命令發(fā)送給電磁驅(qū)動(dòng)模塊，調(diào)整電磁火力，改變彈體出膛速度。

2)根據(jù)驅(qū)動(dòng)級(jí)數(shù)和彈體質(zhì)量等參數(shù)計(jì)算出彈體出膛速度。

3)彈道和飛行時(shí)間計(jì)算。根據(jù)激光測(cè)距模塊所測(cè)距離S和傾角測(cè)量模塊所測(cè)俯仰角ρ，可計(jì)算出發(fā)射器出彈口和目標(biāo)之間的距離S，進(jìn)一步可計(jì)算出水平距離S水平和垂直距離S垂直，如式(4)、式(5)所示。

S水平=S·cosρ

(4)

S垂直=S·sinρ

(5)

彈道曲線的基本公式如式(4)所示。

(6)

式中：S為距離；v為彈丸初速；a為加速度，等于重力加速度g和空氣阻力加速度a′(v)的矢量和；t為時(shí)間。

4)計(jì)算修正俯仰角Δρ。

根據(jù)式(7)，距離S，時(shí)間t，可進(jìn)一步計(jì)算出修正俯仰角Δρ。

(7)

5)確定單位像素視角。本設(shè)計(jì)選用300萬(wàn)像素CMOS攝像頭，焦距為10 mm，視場(chǎng)角為12°，顯示屏分辨率為1024像素×768像素，可計(jì)算得出在不放大時(shí)單位像素視角f=0.011 7°。

6)根據(jù)計(jì)算出的修正俯仰角Δρ和單位像素視角f，可計(jì)算出準(zhǔn)星的修正像素值ΔP=Δρ/f，即十字瞄準(zhǔn)線在瞄準(zhǔn)屏幕上的補(bǔ)償位置，以便射擊者手動(dòng)調(diào)整發(fā)射器的瞄準(zhǔn)角度，達(dá)到瞄準(zhǔn)射擊目的。

本部分完全利用軟件編程實(shí)現(xiàn)，代碼運(yùn)行于主控芯片，用以控制電磁驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)級(jí)數(shù)和LCD準(zhǔn)星顯示模塊的十字瞄準(zhǔn)叉絲補(bǔ)償。

2.4 彈體速度控制驅(qū)動(dòng)模塊

電磁加速器可通過(guò)調(diào)整加速級(jí)數(shù)或電磁力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)彈體出膛速度的調(diào)整。本設(shè)計(jì)采用了7級(jí)電磁加速器，每級(jí)由一個(gè)加速線圈、一個(gè)儲(chǔ)能電容、一個(gè)大功率可控硅和一套可控硅觸發(fā)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，電磁加速器結(jié)構(gòu)如圖5所示。可控硅觸發(fā)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各級(jí)基本相同，分為使能部分、觸發(fā)部分、驅(qū)動(dòng)部分和測(cè)速反饋部分。上一級(jí)的反饋信號(hào)作為本級(jí)的觸發(fā)信號(hào)，第一級(jí)永久使能，其它級(jí)可選通使用，用來(lái)控制加速級(jí)數(shù)。第一級(jí)沒(méi)有使能信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)直接啟動(dòng)發(fā)射信號(hào)。

圖5 電磁加速器結(jié)構(gòu)圖

彈體速度控制驅(qū)動(dòng)模塊首先根據(jù)彈體速度計(jì)算模塊確定的出膛力度和速度，給出不同的加速使能級(jí)數(shù)，調(diào)整電磁火力，最后驅(qū)動(dòng)電磁發(fā)射部分，實(shí)現(xiàn)彈體的不同加速要求。

2.5 圖像處理及影像顯示記錄系統(tǒng)

該模塊完成視頻圖像的處理、準(zhǔn)星的疊加、距離等數(shù)據(jù)的疊加顯示、視頻錄像等功能。設(shè)計(jì)硬件基于一款開(kāi)源的ARM開(kāi)發(fā)板“香橙派+”，它可以運(yùn)行Android4.4、Ubuntu、Debian等操作系統(tǒng)，體積小巧，使用全志H3的Cortex-A7四核ARM處理器，擁有2 GB DDR3 內(nèi)存，板載16 GB EMMC Flash存儲(chǔ)器，具有可擴(kuò)展的TF卡/ MMC卡插槽，視頻輸入支持具有CSI接口的攝像頭模塊，視頻輸出支持 HDMI和 CVBS雙輸出，完全滿足本模塊的需求。

本設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)基于Android4.4系統(tǒng)，軟件基于Android SDK和JDK軟件包，采用Java語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊?。電子觀瞄采用了具有自動(dòng)對(duì)焦功能的攝像頭，軟件上調(diào)用了系統(tǒng)提供的照相機(jī)程序android.hardware.Camera類進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，視頻錄制使用了MediaRecorder類進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，準(zhǔn)星的疊加顯示、距離等數(shù)據(jù)的疊加顯示使用了andriod.graphics類實(shí)現(xiàn)。

操作界面底圖為照相機(jī)的預(yù)覽畫(huà)面，然后在畫(huà)面上疊加顯示十字瞄準(zhǔn)叉絲，目標(biāo)距離、傾角、火力等數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)目標(biāo)距離、傾角、修正輔助瞄準(zhǔn)點(diǎn)，用于實(shí)際瞄準(zhǔn)。操作顯示界面如圖6所示。

圖6 操作顯示界面

2.6 鍵控操作控制模塊

整個(gè)發(fā)射器的鍵控部分采用組合按鍵控制方式，可實(shí)現(xiàn)帶半按瞄準(zhǔn)功能的兩步式扳機(jī)、鏡頭變焦控制、火力手自動(dòng)調(diào)整、照相、錄像等功能。

3 驗(yàn)證及結(jié)論

基于以上方案進(jìn)行了樣機(jī)制作，并在軍械工程學(xué)院進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

以上數(shù)據(jù)表明，本次設(shè)計(jì)的基于電子準(zhǔn)星補(bǔ)償?shù)碾姶虐l(fā)射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能，在距離測(cè)量精度、補(bǔ)償修正精度、瞄準(zhǔn)誤差方面基本滿足設(shè)計(jì)要求。研究取得了初步的成果，但距離實(shí)際應(yīng)用和定型還有一定的差距，有待對(duì)機(jī)械部分及整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)硬件電路及軟件代碼做進(jìn)一步的優(yōu)化裁減。

表1 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)