單兵巡飛彈弱彈道環(huán)境智能感知系統(tǒng)

何 博，殷志臣，婁文忠，馮恒振

(1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081;2.陸軍研究院通用裝備研究所，北京 102202)

0 引言

單兵巡飛彈是一種可以實(shí)現(xiàn)多模式發(fā)射及投放的武器系統(tǒng)，具有情報(bào)偵察、目標(biāo)指示、信息中繼、區(qū)域封控、精確打擊和毀傷評估等特征[1-4]。作為一種小型高智能武器系統(tǒng)，引起了美國、俄羅斯、以色列、英國、德國等國家的廣泛關(guān)注，先后加入了單兵巡飛彈的發(fā)展行列。單兵巡飛彈的測試面臨的挑戰(zhàn)主要是更小的體積空間，識別更弱的彈道環(huán)境和在與高度信息交互的過程中可靠地感知彈道環(huán)境。一般單兵巡飛彈的體積較小，這就要求巡飛彈藥彈道環(huán)境感知系統(tǒng)所占體積盡可能小[5-6]。單兵巡飛彈整個彈道環(huán)境微弱，其“弱”量級表現(xiàn)為最大過載為百g量級，且持續(xù)時(shí)間短暫，為ms量級，彈體全程不旋轉(zhuǎn)，故這種處于弱環(huán)境力的彈藥測試研制過程中，對于彈道環(huán)境的感知變得尤為重要。必須通過感知微弱環(huán)境力的變化實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)的可靠順序解除[7-9]，故提高彈道環(huán)境檢測精度成為單兵巡飛彈測試研制過程中的重要組成部分[10-11]。國內(nèi)外對此展開了技術(shù)研究和型號研制，以美國“彈簧刀”單兵巡飛彈為代表。俄羅斯、德國等國也對單兵巡飛彈進(jìn)行了大量研究，并服役于作戰(zhàn)部隊(duì)，通過不斷地研究更新，實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)以及對目標(biāo)的精確打擊和高效毀傷，但是彈道環(huán)境感知精度不高[12-14]。我國的單兵巡飛彈研制起步晚，技術(shù)力量主要集中于巡航時(shí)間、控制算法和毀傷效能[15-18]，并且用于巡飛彈安全解除保險(xiǎn)的弱環(huán)境力感知系統(tǒng)研究滯后。

針對單兵巡飛彈具有弱彈道環(huán)境的特點(diǎn)，無法根據(jù)劇烈環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)各級保險(xiǎn)有效解除的問題，設(shè)計(jì)了用于單兵巡飛彈微弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)。

1 弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單兵巡飛彈藥彈道環(huán)境感知系統(tǒng)由環(huán)境感知模塊和高可靠存儲模塊組成。

1.1 環(huán)境感知模塊設(shè)計(jì)

智能感知發(fā)射環(huán)境模塊用來感知彈道力學(xué)環(huán)境。本模塊由兩支MEMS加速度傳感器組成，采樣周期為200 Hz，芯片尺寸為5 mm×3 mm×1 mm，用于可靠感知發(fā)射階段加速度過載。圖1為環(huán)境感知模塊電路設(shè)計(jì)。

圖1 環(huán)境感知模塊電路Fig.1 Environment sensing module circuit

1.2 高可靠存儲模塊設(shè)計(jì)

針對單兵巡飛彈的彈道飛行環(huán)境，設(shè)計(jì)了具有高可靠性的環(huán)境過載存儲系統(tǒng)，以防止發(fā)生飛行過程中數(shù)據(jù)丟失等問題。高可靠存儲模塊控制電路如圖2所示，采用高可靠非易失性存儲芯片實(shí)現(xiàn)彈道數(shù)據(jù)存儲，芯片尺寸為5 mm×5 mm×2.5 mm。

圖2 高可靠存儲模塊電路Fig.2 Highly reliable memory module circuit

2 無信息交互下弱環(huán)境感知試驗(yàn)

無信息交互即彈載計(jì)算機(jī)和引戰(zhàn)系統(tǒng)無持續(xù)相互通信(詢問狀態(tài)和反饋狀態(tài))，僅測試感知系統(tǒng)對微弱環(huán)境力的感知精度和感知、存儲可靠性。

2.1 離心過載試驗(yàn)

地面過載測試系統(tǒng)搭建在離心環(huán)境下，以模擬單兵巡飛彈的整個彈道環(huán)境。為了完整地模擬飛控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了模擬飛控上位機(jī)平臺，主要功能包括：系統(tǒng)上電后發(fā)送狀態(tài)自檢指令、獲取當(dāng)前狀態(tài)、實(shí)時(shí)存儲和輸出離心過載。

地面全系統(tǒng)模擬試驗(yàn)平臺試驗(yàn)系統(tǒng)組成為：測試樣機(jī)、模擬主控、離心試驗(yàn)控制平臺(如圖3所示)、離心試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖4所示)。

圖3 離心試驗(yàn)控制平臺Fig.3 Centrifugal test control platform

圖4 離心試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Centrifugal test system

試驗(yàn)流程如下：

1) 系統(tǒng)上電，離心測試控制端向測試系統(tǒng)發(fā)送采集過載信息指令，測試系統(tǒng)向控制端反饋接收到指令狀態(tài)，并標(biāo)記相應(yīng)標(biāo)志位；

2) 離心試驗(yàn)設(shè)置，設(shè)置離心加速度為50～180g，梯度為10g，每個梯度持續(xù)時(shí)間10 s；

3) 離心旋轉(zhuǎn)開始，高可靠非易失性存儲芯片響應(yīng)過載信息存儲指令，并實(shí)時(shí)存儲離心過載信息，測試系統(tǒng)通過串口通信方式將實(shí)時(shí)感知的過載信息輸出到離心試驗(yàn)控制平臺。

控制端通過通信接口將接收到的過載信息實(shí)時(shí)打印，測試得到：系統(tǒng)控制端接收到的離心過載值與時(shí)間關(guān)系如圖5(a)所示；高可靠非易失性存儲芯片采集的離心過載值與時(shí)間關(guān)系如圖5(b)所示。

圖5 離心過載隨時(shí)間變化Fig.5 Centrifugal overload vs. time

由圖5可以得到，系統(tǒng)控制端接收的加速度信息與高可靠非易失性存儲芯片存儲的信息保持一致，測試時(shí)間為425 s，兩路信號采集樣本303 571個，測試點(diǎn)加速度幅值誤差最高為0.3%，每一級離心過載階梯過載值和持續(xù)時(shí)間完整，控制端接收的離心過載數(shù)據(jù)和非易失性存儲芯片存儲的離心過載數(shù)據(jù)與離心機(jī)提供的過載信息吻合，證明了所設(shè)計(jì)的微小型弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)的精確性及存儲過載信息的可靠性。

2.2 沖擊-離心過載試驗(yàn)

為滿足高動態(tài)環(huán)境下，弱環(huán)境感知系統(tǒng)的生存可靠性及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，開展了沖擊-離心過載試驗(yàn)。

沖擊試驗(yàn)裝置如圖6所示，利用馬歇特錘對測試樣機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，對感知系統(tǒng)施加的沖擊過載如圖7所示。

圖6 沖擊試驗(yàn)裝置Fig.6 Shock test device

圖7 馬歇特錘沖擊過載Fig.7 Shock overload of the Machete hammer

由圖7可知，感知系統(tǒng)經(jīng)歷了峰值達(dá)4 000g，持續(xù)時(shí)間為20 μs的沖擊過載。將經(jīng)歷高沖擊過載試驗(yàn)后的感知系統(tǒng)再次進(jìn)行離心過載試驗(yàn)，并同時(shí)通過控制端實(shí)時(shí)接收和高可靠非易失性芯片存儲兩種方式進(jìn)行感知微弱環(huán)境力變化，得到經(jīng)歷了高沖擊后的離心過載數(shù)據(jù)，如圖8所示。從圖8可以得到，系統(tǒng)控制端接收的加速度信息相比高可靠非易失性芯片存儲的信息有微小時(shí)間滯后，這是由于軟件的邏輯，在感知到離心過載后，先進(jìn)行存儲進(jìn)高可靠非易失性芯片，再進(jìn)行串口通信傳輸?shù)较到y(tǒng)控制端，導(dǎo)致了一定時(shí)間的滯后，但忽略時(shí)間的滯后，感知得到的離心過載信息是高度一致的，并且與離心機(jī)提供的過載信息吻合，說明所設(shè)計(jì)的弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)，在經(jīng)歷高動態(tài)環(huán)境的沖擊后，仍具有感知的高精度和感知、存儲的高可靠性。

圖8 沖擊后離心過載測試Fig.8 Centrifugal overload test after shock

3 高度信息交互下弱環(huán)境感知測試

在實(shí)際高智能的單兵巡飛彈中，彈載計(jì)算機(jī)時(shí)刻都在向引戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)送自檢指令，引戰(zhàn)系統(tǒng)收到自檢指令后，也必須立即向彈載計(jì)算機(jī)反饋?zhàn)陨淼臓顟B(tài)。即引戰(zhàn)系統(tǒng)的MCU每隔一段時(shí)間就會處理通信，而無法正常感知并存儲彈道環(huán)境，并且存儲進(jìn)芯片的過程也是一個耗時(shí)的過程，在實(shí)際發(fā)射過載只有十多毫秒的時(shí)間窗里，很容易丟失環(huán)境信息，以至于無法完成引戰(zhàn)系統(tǒng)的解除保險(xiǎn)。

在通信無法改變的情況下，為了獲得更多的環(huán)境信息，將感知就存儲的邏輯變?yōu)楦兄?、暫存MCU到統(tǒng)一存儲，在這樣的邏輯下，正常感知過載間隔為1 ms左右，能夠滿足在發(fā)射短時(shí)間窗里連續(xù)感知到發(fā)射過載閾值才能確定自身環(huán)境的需求。

在裝無人機(jī)載制導(dǎo)彈藥進(jìn)行聯(lián)合測試試驗(yàn)前，利用模擬上位機(jī)以25 Hz的頻率一直向MCU發(fā)送詢問指令，MCU接到指令后立即向模擬上位機(jī)進(jìn)行狀態(tài)反饋，在此高度信息交互的狀態(tài)下，進(jìn)行連續(xù)敲擊試驗(yàn)。 圖9為不同方位連續(xù)敲擊(敲擊5次)試驗(yàn)后，讀取高可靠非易失性芯片中存儲的三軸過載信息。從圖9(a)中可以看到，在X軸方向，有4個波峰，但還有最后一個波峰(約在4 365 ms處)并不明顯；從圖9(b)和圖9(c)中可以明顯看到敲擊連續(xù)5次敲擊得到的5個過載波峰?？梢钥吹?，每次敲擊峰值持續(xù)的時(shí)間為1.186 ms，是能夠可靠地感知并存儲到瞬態(tài)的沖擊過載。

圖9 連續(xù)敲擊測試三軸過載Fig.9 Continuous tapping test for triaxial overload

將弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)搭載到單兵巡飛彈進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)，無人機(jī)載彈藥的飛控計(jì)算機(jī)以25 Hz的頻率向感知系統(tǒng)的MCU連續(xù)發(fā)送狀態(tài)自檢指令。記錄開始的閾值設(shè)置為80g，即感知到的過載信息從80g后開始被MCU記錄，并在記錄結(jié)束后，統(tǒng)一發(fā)送到可靠非易失性芯片中存儲。

發(fā)射飛行試驗(yàn)結(jié)束，所得到的發(fā)射三軸發(fā)射過載曲線如圖10所示。

圖10 發(fā)射測試三軸過載Fig.10 Launch test triaxial overload

從圖10(a)和圖10(b)中看到，發(fā)射過程中，單兵巡飛彈有一定的振動；從圖10(c)可以看到，系統(tǒng)感知到了相對其他兩軸更大的過載信號，所以Z軸為無人機(jī)載彈藥彈軸方向，在開始記錄后，過載在11.38 ms達(dá)到MEMS加速度芯片感知過載的閾值(200g)，在11.38 ms到22.06 ms時(shí)都達(dá)到或超過了200g的過載，共感知并存儲到了10次最大過載信息。從達(dá)到80g閾值開始存儲，到發(fā)射過載降至50g，共感知并存儲到了24個數(shù)據(jù)點(diǎn)(中間4～10 ms為一次通信中斷)。說明所設(shè)計(jì)的微弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)在高度信息交互的環(huán)境下準(zhǔn)確且可靠地感知并存儲了微弱環(huán)境過載信息，并且適用于多次連續(xù)判斷是否達(dá)到解除保險(xiǎn)閾值過載，提高了引戰(zhàn)系統(tǒng)的安全可靠性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了用于單兵巡飛彈的微小型、高精度、高可靠的弱彈道環(huán)境感知系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)中采用MEMS加速度傳感器和高可靠非易失性存儲芯片實(shí)現(xiàn)微弱彈道環(huán)境的實(shí)時(shí)精確感知和實(shí)時(shí)可靠存儲。在無信息交互下，利用高速離心機(jī)進(jìn)行了地面功能模擬試驗(yàn)，利用馬歇特錘使整個系統(tǒng)經(jīng)歷高動態(tài)高過載沖擊后，再次離心測試，驗(yàn)證了感知系統(tǒng)準(zhǔn)確性及可靠性。最后與單兵巡飛彈聯(lián)合進(jìn)行了高度信息交互下的發(fā)射飛行測試，驗(yàn)證了感知系統(tǒng)在高智能的巡飛彈藥中，能夠準(zhǔn)確和可靠的感知過載，可以使單兵巡飛彈多次連續(xù)地判斷是否達(dá)到解除保險(xiǎn)閾值過載，提高了引戰(zhàn)系統(tǒng)的安全可靠性。