基于激光測距技術(shù)的火炮擊針突出量測量方法

胡 備，鄭立評，于 楊

( 1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 火炮工程系 ，河北 石家莊 050003；2.解放軍第32140部隊(duì)，河北 石家莊 050003)

火炮在射擊過程中，擊針擊發(fā)引燃底火藥。擊針突出量是擊針在擊發(fā)時(shí)露出炮閂鏡面的長度。擊針突出量過小，容易發(fā)生不發(fā)火的故障；擊針突出量過大，容易產(chǎn)生擊穿底火的現(xiàn)象[1]。因此，合適的火炮擊針突出量是確?；鹋趯?shí)彈射擊安全穩(wěn)定進(jìn)行的前提條件。擊針突出量數(shù)值的要求范圍一般為2～4 mm，如某型火炮的擊針突出量要求為2.0～2.38 mm.火炮在服役過程中，由于零部件的磨損老化，不規(guī)范的使用等原因，火炮的技術(shù)性能會逐漸劣化[2]。為確保訓(xùn)練安全，火炮在實(shí)彈射擊訓(xùn)練前，必須對火炮的擊針突出量進(jìn)行檢測，只有在火炮擊針突出量大小符合要求的情況下才能進(jìn)行實(shí)彈射擊。

針對擊針突出量傳統(tǒng)檢測方法帶來的費(fèi)時(shí)費(fèi)力問題，設(shè)計(jì)了基于激光測距技術(shù)的火炮擊針突出量測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在不提出閂體的條件下、定量測出火炮擊針突出量，可提高檢測效率、精度、安全性。

1 火炮擊針突出量傳統(tǒng)檢測方法

目前，國內(nèi)外是使用檢查規(guī)對火炮擊針突出量進(jìn)行檢測。檢查規(guī)是一個(gè)矩形平板，該平板的邊上有長方形的深缺口和淺缺口，兩個(gè)缺口的寬度都大于擊針直徑，檢查規(guī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢查規(guī)檢測方法的具體操作步驟是：提出火炮閂體，取下?lián)翎樆?；使擊發(fā)機(jī)成擊發(fā)狀態(tài)，向里推擊針到位；用檢查規(guī)上的缺口在擊針上方通過；當(dāng)檢查規(guī)上的淺缺口不能通過擊針，檢查規(guī)上的深缺口能夠通過擊針時(shí)為符合要求[3-4]。不同類型的火炮，檢查規(guī)深缺口和淺缺口尺寸不一樣。某型火炮的擊針檢查規(guī)的深缺口深度為2.38 mm，淺缺口深度為2 mm.

用檢查規(guī)來檢測擊針突出量的方法雖然原理簡單、設(shè)計(jì)巧妙，但是檢測的前提條件是必須取下炮閂。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)檢查規(guī)檢測的方法會帶來以下幾點(diǎn)問題：

1)易出現(xiàn)意外情況，安全性不高。提取閂體時(shí)，官兵需要站在炮尾上將炮閂緩慢取出，此步驟可能會發(fā)生提取閂體過程中閂體卡住，解決此問題所耗時(shí)間長；另外對于某些大口徑火炮，火炮的炮閂有60 kg左右，官兵在提取閂體過程中砸到腳的情況時(shí)有發(fā)生，安全性不高。

2)對檢測環(huán)境要求高。提出閂體是在炮尾進(jìn)行的，因此在炮尾處需要足夠的空間以便操作人員取出炮閂。對于自行火炮來講，由于環(huán)境的限制，空間狹窄，要取出炮閂十分困難、耗時(shí)長、效率低、不易于操作。

3)檢測精度度低。擊針突出量檢查規(guī)檢查的方法只能定性測量，不能定量測量。這種測量方法受人為因素影響較大，在檢查規(guī)沒有完全壓緊閂體鏡面或者檢查規(guī)沒有完全垂直于閂體鏡面的情況下容易導(dǎo)致測量出的結(jié)果誤差偏大，可能會出現(xiàn)該方法檢測為合格但實(shí)際上不合格的情況。因此，檢查規(guī)檢測擊針突出量的方法精度低。

2 硬件設(shè)計(jì)及測量原理

2.1 測量結(jié)構(gòu)組成

基于激光測距技術(shù)的火炮擊針突出量測量系統(tǒng)的測量結(jié)構(gòu)主要由激光位移傳感器、十字滑臺、傘狀支撐結(jié)構(gòu)以及相關(guān)固定裝置等組成。圖2為測量結(jié)構(gòu)示意圖，本測量結(jié)構(gòu)大致分成支撐裝置和數(shù)據(jù)采集儀兩部分。

支撐裝置是一個(gè)傘狀定心結(jié)構(gòu)[5]，其作用是將整個(gè)測量裝置固定在火炮身管內(nèi)部。

激光位移傳感器固定在十字滑臺上組成數(shù)據(jù)采集儀，激光位移傳感器用以采集傳感器與閂體鏡面和傳感器與火炮擊針尖端面的距離信號。本系統(tǒng)使用的是高精度的CMOS激光位移傳感器，測量參考距離為50 mm，測量范圍為±15 mm，測量精度在微米級，能夠滿足擊針突出量的測量要求。

直線導(dǎo)軌滑臺模組如圖3所示，十字滑臺由兩個(gè)直線導(dǎo)軌滑臺模組組裝而成：一個(gè)直線滑臺模組的滑臺底座固定在另一個(gè)直線滑臺模組的滑塊上，兩個(gè)直線滑臺模組的絲杠相互垂直；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠上的滑塊直線運(yùn)動(dòng)，激光傳感器固定在另一個(gè)滑塊上，這樣就能夠通過控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)從而控制激光位移傳感器進(jìn)行二維移動(dòng)。

連接部件用以連接數(shù)據(jù)采集儀與支撐裝置且采用莫氏錐度連接，莫氏錐度用于靜配合以精確定位，由于錐度很小，利用摩擦力的原理，可以傳遞一定的扭矩。莫氏錐度連接使得支撐結(jié)構(gòu)與測量裝置之間具有較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，降低支撐結(jié)構(gòu)的微動(dòng)從而提高了測量的精確性，并且可以方便拆卸。

2.2 測量原理

本測量系統(tǒng)的主要思想是通過激光傳感器與火炮閂體鏡面距離和傳感器與擊針尖端面的距離的差值來計(jì)算擊針突出量。

該測量系統(tǒng)測量火炮擊針突出量的原理：火炮開閂，將整個(gè)擊針突出量測量裝置從火炮的炮尾伸入火炮身管內(nèi)膛至適當(dāng)位置，通過傘狀定心結(jié)構(gòu)將整個(gè)測量裝置固定于該位置；而后對火炮進(jìn)行關(guān)閂并擊發(fā)動(dòng)作；單片機(jī)的普通I/O口輸出方向信號和脈沖信號給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)十字滑臺，滑臺上的滑塊帶動(dòng)激光傳感器進(jìn)行橫向和縱向的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；在運(yùn)動(dòng)過程中，激光傳感器測得n組距離信號[6]，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊，距離信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在單片機(jī)內(nèi)；單片機(jī)對這些數(shù)字信號進(jìn)行處理和計(jì)算得出火炮擊針突出量的數(shù)值；單片機(jī)將火炮擊針突出量的數(shù)值通過單片機(jī)內(nèi)的液晶驅(qū)動(dòng)模塊傳到LCD顯示屏進(jìn)行顯示[7-8]。從而實(shí)現(xiàn)在無需提出火炮閂體的條件下，高效、精準(zhǔn)地檢測出火炮擊針突出量。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖4所示。

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集算法

火炮擊發(fā)后，擊針的位置在理論上與火炮身管軸線共線。通過激光位移傳感器與火炮閂體鏡面距離和傳感器與擊針尖端面的距離的差值來計(jì)算擊針突出量，最大的難題就是要確保采集到傳感器與擊針尖端面的距離，也就是必須確保傳感器的激光束能照射在擊針尖端面。雖然測量系統(tǒng)有傘狀定心結(jié)構(gòu)，但也不能完全確保在安裝時(shí)激光傳感器的發(fā)射器和傘狀定心結(jié)構(gòu)的軸線以及火炮身管軸線共線，也就是結(jié)構(gòu)的裝配存在著軸線對中誤差。為解決該問題，本系統(tǒng)采用激光掃描式測量方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉測量。

通過十字滑臺的設(shè)計(jì)，激光傳感器能夠進(jìn)行二維移動(dòng)，如圖5所示，通過控制步進(jìn)電機(jī)使得激光傳感器每次移動(dòng)的位移為1.5 mm，移動(dòng)1次，采集1次數(shù)據(jù)，一行采集完25個(gè)數(shù)據(jù)后，十字滑臺帶動(dòng)激光傳感器縱向移動(dòng)1.5 mm，激光傳感器采集下一行數(shù)據(jù)[9]，如此反復(fù)共采集25×25個(gè)數(shù)據(jù)。即采集數(shù)據(jù)范圍為一個(gè)37.5 mm×37.5 mm矩形，矩形的中心為傘狀定心機(jī)構(gòu)的軸心。通過查閱資料和實(shí)際測量可知，擊針尖端面直徑為2 mm左右[10]，即大于傳感器每次移動(dòng)的步長1.5 mm.本系統(tǒng)采用的CMOS型激光位移傳感器光束直徑為70 μm，遠(yuǎn)小于擊針尖端面直徑。只要軸心對中誤差范圍在37.5 mm×37.5 mm矩形內(nèi)，就能夠確保傳感器在二維掃描式測量時(shí)激光束照射在擊針尖端面。查閱資料知，傘狀定心結(jié)構(gòu)的軸心對中誤差在2 mm以內(nèi)，遠(yuǎn)小于37.5 mm，該算法通過增大軸線對中誤差的允許范圍從而避免了軸線對中誤差帶來的影響。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

如圖5(b)所示，通過算法找到25×25個(gè)數(shù)據(jù)中的最小值，也就是激光與擊針尖端面距離b，以最小值為基準(zhǔn)建立9宮格模型，將最小值相鄰的所有有效測量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得出激光到閂體鏡面的距離a，則可得出擊針突出量c=a-b.若b值是掃描范圍中間的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，則b值相鄰的有效測量值有8個(gè)，則a值是該8個(gè)數(shù)據(jù)值的均值；若b值是第3行的最后一個(gè)測量值，則b值相鄰的有效值有5個(gè)，以此類推。測量系統(tǒng)程序流程如圖6所示。

4 誤差分析及處理

4.1 誤差分析

測量系統(tǒng)誤差主要有粗大誤差和系統(tǒng)誤差。粗大誤差可通過中位值平均濾波法來消除。

系統(tǒng)誤差主要是單片機(jī)采集和轉(zhuǎn)換激光位移傳感器輸出信號的非線性誤差。單片機(jī)通過片內(nèi)12位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換傳感器輸出的模擬電壓信號，理論上轉(zhuǎn)換結(jié)果NADC與測量距離值L如圖7所示的虛直線一樣成線性關(guān)系。由于單片機(jī)內(nèi)部的電子元器件總是存在非線性誤差；測量值與轉(zhuǎn)換結(jié)果實(shí)際關(guān)系可能如圖7實(shí)線所示。

4.2 分段線性插值自動(dòng)校正方法

針對系統(tǒng)誤差，采取對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定并采用分段線性插值的方法求取測量值與轉(zhuǎn)換結(jié)果的實(shí)際關(guān)系，從而對系統(tǒng)誤差進(jìn)行自動(dòng)校正。其具體方法是：將測量量程Ymax平均分成m段，即y1，y2,…,ym-1，ym，即每段Δy=Ymax/m.

將測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即在理論值y1,y2,…,ym-1,ym的情況下記錄單片機(jī)對應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果N1,N2,…,Nm-1,Nm.則可得每段數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)(N1,y1),(N2，y2),…,(Nm-1，ym-1),(Nm，ym).對每段進(jìn)行線性插值，且采取點(diǎn)斜式求法。設(shè)每段實(shí)際距離測量值Li與轉(zhuǎn)換結(jié)果N的線性表達(dá)式為

Li=yi+Ki(N-Ni).

(1)

斜率為

(2)

即

(3)

則，每段的線性表達(dá)式為

(4)

測量系統(tǒng)在標(biāo)定的時(shí)候,將記錄的轉(zhuǎn)換結(jié)果N1,N2,…,Nm-1,Nm存在單片機(jī)的FLASH存儲器中，單片機(jī)的FLASH存儲器同EFPROM一樣是電可擦除并且可編程存儲器，即使掉電后數(shù)據(jù)也不丟失。在實(shí)際測量時(shí)將單片機(jī)的轉(zhuǎn)換結(jié)果N與標(biāo)定時(shí)存儲的N1，N2,…,Nm-1，Nm進(jìn)行比較，判斷該距離屬于哪個(gè)測量段，而后再通過N和式(4)算出修正后的測量值。在測量計(jì)算中,只用到比較判斷和加、減、乘、除的運(yùn)算,這在單片機(jī)中通過軟件能非常容易實(shí)現(xiàn)。

5 模擬實(shí)驗(yàn)

5.1 數(shù)據(jù)采集重復(fù)精度實(shí)驗(yàn)

單片機(jī)在采集和轉(zhuǎn)換傳感器輸出的模擬信號時(shí)可能存在粗大誤差。為了消除粗大誤差，在每次數(shù)據(jù)采集時(shí)多次轉(zhuǎn)換并采用中位值平均濾波法。即傳感器每移動(dòng)1.5 mm，單片機(jī)重復(fù)多次采集并保存d個(gè)數(shù)據(jù)，去掉d個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，然后計(jì)算d-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該次距離測量的最終結(jié)果。

圖8是采集3行數(shù)據(jù)濾波前和濾波后(d=7)的距離測量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)通過中位值平均濾波法能夠有效地消除粗大誤差。

5.2 分段線性插值法標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證自動(dòng)校正方法的有效性和可行性，將該測量系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。將激光位移傳感器的測量量程30 mm分為15段，即每段Δy為2 mm.對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，將實(shí)際的測量值顯示在LCD顯示屏上并記錄數(shù)據(jù)如表1所示。表中的理論距離值是傳感器自帶顯示屏的顯示值，即系統(tǒng)以傳感器的顯示值來標(biāo)定單片機(jī)采集和轉(zhuǎn)換的距離值。

表1 測量標(biāo)定時(shí)的數(shù)據(jù) 單位：mm

由表1可知，在運(yùn)用單片機(jī)對激光傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差將近達(dá)到了0.30 mm左右，對于高精度要求的擊針突出量測量是不允許的。通過自動(dòng)修正的方法，該測量的誤差在0.02 mm以內(nèi)，有效地提高了測量系統(tǒng)的精度。

5.3 擊針突出量檢測的模擬實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該測量系統(tǒng)的可行性，如圖9所示，將測量裝置放在水平臺上，在數(shù)據(jù)采集儀前面放了一個(gè)金屬所制的平面靶，在靶的正中央釘入一個(gè)M2的螺絲釘，使得螺絲釘突出2.14 mm，用以模擬火炮擊針突出量。

對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，測得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 突出量2.14 mm的測量結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，應(yīng)用該測量裝置對火炮擊針突出量進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)測量的誤差在0.03 mm以內(nèi)，相對誤差在2%以內(nèi)，能夠精確、有效地反映模擬擊針突出量的實(shí)際大小。初步驗(yàn)證了基于激光技術(shù)的火炮擊針突出量測量系統(tǒng)能夠通過不解體的方法高精度地測量出火炮擊針突出量。

6 結(jié)束語

調(diào)研發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的火炮擊針突出量檢測方法需要提出閂體的條件給部隊(duì)帶來了諸多不便。針對這一難題，筆者采用了機(jī)電結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出了不需要解體就能智能化測量出火炮擊針突出量的方法。通過模擬實(shí)驗(yàn)證明，該方法相對傳統(tǒng)的擊針突出量檢測方法，不僅解決了不提取閂體就能檢測出火炮擊針突出量；而且能夠?qū)鹘y(tǒng)的定性測量改進(jìn)成定量測量，實(shí)現(xiàn)了該參數(shù)檢測的數(shù)字化與自動(dòng)化。