基于MEMS傳感器與慣性開關的目標識別技術研究

趙忠海，焦志剛，李 木，劉洪濤，范衛(wèi)民

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院， 沈陽 110000； 2.遼寧華興機電有限公司， 遼寧 錦州 121017)

為了提高地空導彈的單發(fā)毀傷概率，應設法提高引戰(zhàn)配合效率[1-2]。理想的引信，應該能夠在最佳炸點引爆導彈戰(zhàn)斗部，使戰(zhàn)斗部破片飛散區(qū)中心對準目標要害中心，使引戰(zhàn)配合效率最大。有效的目標識別是實現(xiàn)最佳炸點引爆控制的基礎，為了實現(xiàn)引信對不同硬度目標的識別與起爆精確控制，本文利用MEMS傳感器和機械慣性開關對不同目標硬度的識別特性，實現(xiàn)命中目標后的精確延時起爆。采用分析設計方法取代經(jīng)驗設計方法，通過計算機仿真優(yōu)化方案的結構參數(shù)，設計適應不同目標的觸發(fā)機構，開展對不同目標識別的技術研究。

1 導彈碰撞目標數(shù)值分析

根據(jù)防空導彈作戰(zhàn)目標的結構特點，設定導彈對不同的攻擊目標和撞擊姿態(tài)數(shù)值模擬導彈以60°的彈頭落角(彈軸與靶板平面的夾角)撞擊1 mm鋁板和6 mm鋼板，彈頭碰撞靶板示意圖如圖1。

圖1 彈頭碰撞靶板示意圖

為了減少彈體有限元模型網(wǎng)格數(shù)量，提高分析效率[3-4]，方便有限元模型的建立和網(wǎng)格剖分，對撞擊過程做如下簡化：

1) 僅考慮彈頭部分撞擊在靶板上的作用效應，由于不考慮發(fā)動機部分，建立彈頭有限元模型時將尾部封閉，形成一個完整的筒狀薄壁結構；

2) 翼狀結構僅在飛行過程中起穩(wěn)定作用，在撞擊過程中不考慮前翼對撞擊的影響；

3) 彈頭薄壁和內(nèi)部結構簡化為一個實體模塊；

4) 將整彈質(zhì)量等效至彈頭(不同靶板撞擊分析時彈頭的長度略有差異，但彈頭的質(zhì)量相同)；

5) 整個撞擊過程不考慮熱效應；

6) 不計空氣阻力和自身重力的影響；

7) 在撞擊之前，靶板不受任何外力作用；

8) 撞擊過程中不考慮靶板的整體運動；

9) 靶板的表面是均勻光滑的平面。

彈頭撞擊靶板的過程中，靶板和彈頭薄壁結構均有可能發(fā)生破壞?？紤]到實際結構的尺寸(彈頭壁厚與靶板厚度遠小于彈頭長度)，因此，靶板與彈頭薄壁結構均使用殼單元，能夠模擬在瞬間撞擊時發(fā)生的失穩(wěn)破壞。

撞擊問題具有局部大變形效應，該效應局限于彈頭與靶板接觸附近的區(qū)域。故在劃分網(wǎng)格時對這一區(qū)域撒布尺寸較小的單元種子，生成較密的網(wǎng)格；在距接觸點位置較遠處采用較疏的網(wǎng)格進行劃分。約束靶板四個側面的所有自由度，且靶板側面定義為非反射邊界，模擬成無限大靶板，以消除靶板的邊界效應。

整個建模過程采用毫米單位制。彈頭尖端與軸線的交點距靶板的初始垂直間距設為600 mm，撞擊過程在0.01 s內(nèi)完成。在算法計算過程中經(jīng)常由于網(wǎng)格發(fā)生巨大畸變而導致計算終止。當數(shù)值分析過程超過了可承受的計算規(guī)模和時間時也會導致計算終止。此時需要不斷調(diào)整網(wǎng)格大小來適應數(shù)值計算。作用過程及應力云圖如圖2、圖3所示，其撞擊曲線如圖4、圖5所示。模擬結果分析：從模擬結果可以看出在彈落角相同的情況下，1 mm鋁板的破壞程度明顯大于6 mm鋼板。比較了以彈落角60°撞擊靶板瞬間時刻的彈頭加速度，可以看出，擊穿6 mm鋼板時受到的反向加速度更大。

圖2 彈頭落角60°穿靶6 mm鋼板作用過程 有限元仿真圖

圖3 彈頭落角60°穿靶1 mm鋁板作用過程 有限元仿真圖

圖4 導彈60°落角撞擊6 mm鋼板靶板過載曲線

圖5 導彈60°落角撞擊1 mm鋁板靶板過載曲線

通過仿真數(shù)值分析，防空導彈撞擊1 mm鋁板時慣性加速度為3 143 m/s2，撞擊6 mm鋼板時慣性加速度為18 695 m/s2.考慮導彈頭部及連接部為薄壁鋁制結構，觸發(fā)引信一般位于導引頭等艙段后，慣性組件與引信連接緩沖等原因，設定導彈對鋁制目標的觸發(fā)慣性過載為300g，對鋼制目標觸發(fā)慣性過載為1 800g，開展后續(xù)工作。

2 MEMS傳感器慣性觸發(fā)電路設計

2.1 MEMS傳感器設計及驗證

MEMS加速度計通過測量碰撞加速度并將加速度數(shù)據(jù)以二進制補碼的形式反饋給單片機，由單片機處理數(shù)據(jù)后，來決定是否輸出觸發(fā)信號[5-7]。仿真數(shù)據(jù)分析后，設定MEMS觸發(fā)系統(tǒng)在受到300g以上的慣性力時可靠作用。單片機選用C8051F331微控制器，加速度計選用H3LIS331DL加速度傳感器，其中，單片機設置為主機、加速度計設置為從機、數(shù)據(jù)傳輸采用四線SPI通信。查閱數(shù)據(jù)手冊確定主機與從機的使用方式、電氣參數(shù)及尺寸，確定供電電路及通信協(xié)議并設計電路原理與PCB，經(jīng)查閱單片機與加速度計的供電電壓(VCC)為3.3 V直流電，于是選用電源穩(wěn)壓器L78L33，將20 V直流電源穩(wěn)定為3.3 V，達到供電目的。通過加速度沖擊試驗確定是否滿足MEMS加速度計觸發(fā)要求。原理圖如圖6所示。

圖6 MEMS觸發(fā)系統(tǒng)的電路原理圖

2.2 沖擊試驗

使用沖擊臺對電路模塊進行慣性沖擊，通過試驗臺g值傳感器對沖擊臺g值進行測量。試驗分別進行250g值沖擊2次，350g值沖擊2次。MEMS傳感器感應g值波形如圖7～圖10所示。

圖7 250g沖擊MEMS傳感器MATLAB分析波形

圖8 350g沖擊MEMS傳感器MATLAB分析波形

圖9 250g值時傳感器濾波輸出波形

圖10 350g值時傳感器濾波及單片機輸出波形

2.3 試驗結果

MEMS加速度計共經(jīng)過四組加速度沖擊試驗，試驗加速度值分別為250g、253g、363g、360g。其中前兩組試驗MEMS系統(tǒng)不作用，后兩組試驗MEMS系統(tǒng)作用，發(fā)出觸發(fā)信號。

3 慣性開關設計

3.1 慣性開關設計

慣性開關放置于引信內(nèi)部，在撞擊的瞬間由于慣性力的作用，內(nèi)部構件會發(fā)生位移，從而產(chǎn)生閉合信號，慣性開關主要由接電銷、嵌套、接電套、接電塊、接電簧、緩沖彈簧構成，將以上構件按照設計要求放入絕緣套中，接電銷與接電套可以在絕緣套中沿長軸移動，接電塊和嵌套固定在絕緣套內(nèi)，接電銷與嵌套間由接電簧連接，接電套與接電塊間由緩沖彈簧連接，頂部采用壓螺進行封裝。如圖11(a)所示為慣性開關的三維幾何模型正視圖，圖11(b)為慣性開關的剖面圖。經(jīng)設計計算，接電簧的勁度系數(shù)k1=4.05 N/m，緩沖彈簧的勁度系數(shù)k2=737 N/m。

慣性開關的作用原理：

1) 當導彈撞擊軟目標時，接電銷克服接電簧抗力向前移動，與接電套接觸，從而產(chǎn)生閉合信號；而接電套因緩沖彈簧抗力大，而相對未發(fā)生移動，實現(xiàn)小g值的有效閉合。

2) 當導彈撞擊硬目標時，接電銷克服接電簧抗力向前移動，與接電套接觸；同時，接電套克服緩沖彈簧抗力隨接電銷共同向上移動，實現(xiàn)減少接電銷回彈力和增加接電銷與接電套接觸時間的效果，從而產(chǎn)生相對持續(xù)的閉合信號，實現(xiàn)大g值的有效閉合。

圖11 慣性開關

3.2 慣性開關仿真分析

考慮對不同目標撞擊時產(chǎn)生的作用力不同，撞擊效果也不同(擊穿，未擊穿)，為了充分考慮各種撞擊情況，分別模擬200g、500g、1 000g、3 000g、5 000g、10 000g和20 000g慣性力作用下的閉合狀態(tài)。

按照幾何模型建立慣性開關有限元數(shù)值模型，為了減少有限元模型網(wǎng)格數(shù)量，提高分析效率，對慣性開關結構做如下簡化：

1) 由于絕緣套僅起到固定構件的作用，因此在數(shù)值模型建立的過程中不再建立絕緣套的實體模型，而將其對構件的約束轉(zhuǎn)化為相應的邊界條件直接施加在構件上；

2) 構件為銅合金材質(zhì)，硬度大，撞擊過程中可以忽略構件本身的變形，因此將構件均視為剛性體；

3) 為了方便有限元數(shù)值模型的建立，幾何模型中的倒角在有限元數(shù)值模型中均按直角處理；

4) 絕緣套內(nèi)壁是光滑的，不計空氣阻力的影響；

5) 在撞擊之前，慣性開關不受任何外力作用；

6) 由于彈簧構架的截面積遠小于整體構件尺寸，且形狀復雜，為了避免過于繁瑣的建模，不再單獨建立彈簧的有限元數(shù)值模型，直接使用ABAQUS中的彈簧單元替代，考慮彈簧的實際受力情況，根據(jù)彈簧并聯(lián)時勁度系數(shù)的關系對彈簧單元的勁度系數(shù)進行折減。

由于分析慣性開關在受到慣性力作用下的狀態(tài)，因此需要考慮構件的質(zhì)量，選擇可變形體建模，在材料屬性中設置材料的密度，使用六面體進行網(wǎng)格劃分，構件質(zhì)量會根據(jù)單元大小和密度自動計算，在ABAQUS相互作用模塊對構件創(chuàng)建剛體約束，將構件轉(zhuǎn)化成剛體。根據(jù)幾何模型中的彈簧構件的位置，保證彈簧長度一致，選取相互對稱的位置添加彈簧單元，并根據(jù)折減施加每根彈簧的勁度系數(shù)。整個建模過程采用毫米單位制。有限元數(shù)值模型和網(wǎng)格剖分如圖12所示(圖12中的細線為等效的彈簧單元)。

圖12 慣性開關有限元數(shù)值模型

從模擬結果可以看出在不同g值的情況下，接電銷與接電套接觸時間與慣性過載持續(xù)時間成線性關系。在小g值沖擊時，當沖擊過載消失時接電銷與接電套立即分開；在大g值沖擊時，當沖擊過載消失時接電銷與接電套仍可持續(xù)一段接觸時間。

將慣性開關通過工裝擰緊在沖擊平臺中心位置，通過調(diào)整沖擊平臺高度和信號發(fā)生器類型來調(diào)整所受沖擊g值。小g沖擊慣性開關輸出圖像如圖13所示，大g沖擊慣性開關輸出圖像如圖14所示。

圖13 小g沖擊慣性開關輸出圖像

圖14 大g沖擊慣性開關輸出圖像

試驗結果為：當沖擊慣性g值小于1 800g值時慣性開關與普通碰炸開關區(qū)別不大，隨沖擊持續(xù)時間變化而變化；當沖擊慣性g值較大時，其可延長一定的閉合時間，實現(xiàn)對高g值慣性過載的有效感知。

4 目標識別設計

4.1 目標識別解算準則

當導彈與目標碰撞時，引信根據(jù)MEMS慣性觸發(fā)電路和慣性開關觸發(fā)輸出信號時間差異，感知識別不同硬度目標。感知信息與導引頭提供的目標信息進行綜合解算，從而精確起爆戰(zhàn)斗部[8-13]，實現(xiàn)制導引信一體化引戰(zhàn)配合設計。

目標識別解算準則：

1) 根據(jù)2路不同的觸發(fā)輸出信號時間差異感知不同硬度目標，控制芯片根據(jù)兩路信號時間先后差異，結合導引信息，進行延時精確起爆控制。

2) 當沖擊慣性g值小于1 800g值時，MEMS慣性觸發(fā)電路響應速度快先行輸出起爆信號，慣性開關在MEMS慣性觸發(fā)電路響應后輸出閉合；當沖擊慣性g值較大時，慣性開關先行輸出起爆信號，MEMS慣性觸發(fā)電路在慣性開關輸出起爆信號后輸出起爆信號。通過實驗可以看出MEMS慣性觸發(fā)電路和慣性開關感知不同硬度目標的響應速度是可以區(qū)分開的?？刂菩酒鶕?jù)MEMS慣性觸發(fā)電路和慣性開關兩路信號時間先后差異，結合導引信息，進行延時精確起爆控制。

4.2 驗證

將MEMS慣性觸發(fā)電路和慣性開關通過工裝擰緊在沖擊平臺中心位置，通過調(diào)整沖擊平臺高度和信號發(fā)生器類型來調(diào)整所受沖擊g值。

試驗結果為：當沖擊慣性g值小于1 800g值時，MEMS慣性觸發(fā)電路響應速度快先行輸出起爆信號，慣性開關在MEMS慣性觸發(fā)電路響應后0.2 ms輸出閉合；當沖擊慣性g值較大時，慣性開關先行輸出起爆信號，MEMS慣性觸發(fā)電路在慣性開關輸出起爆信號后0.4 ms輸出起爆信號。通過實驗可以看出根據(jù)2路不同的觸發(fā)輸出信號時間差異感知不同硬度目標，控制芯片根據(jù)兩路信號時間先后差異，結合導引信息，進行延時精確起爆控制。

圖15 350g值沖擊時MEMS慣性觸發(fā)電路 和慣性開關復合輸出圖像

圖16 2 500g值沖擊時MEMS慣性觸發(fā)電路 和慣性開關復合輸出圖像

5 結論

通過使用ABAQUS動力學仿真分析了慣性開關作用過程，并根據(jù)仿真結果及沖擊試驗確定防空導彈引信中的MEMS慣性觸發(fā)電路和慣性開關受到不同大小慣性力時的電信號特征情況，并通過電路模塊中的控制芯片進行了識別與確認，2路信號均能可靠起爆傳爆序列，最終實現(xiàn)了對不同目標的識別，并可應用于起爆點的精確控制。

MEMS慣性觸發(fā)電路可以對防空導彈彈道過載進行準確的測量，當沖擊過載超過300g時，MEMS慣性觸發(fā)電路可以有效起爆傳爆序列，當沖擊過載小于300g時，MEMS慣性觸發(fā)電路可以有效保證傳爆序列不發(fā)火，可保證防空導彈初始飛行彈道安全。

慣性開關抗大慣性過載能力強，結構簡單，不易損壞。在保證低g值慣性觸發(fā)可靠的同時，可彌補MEMS慣性觸發(fā)電路大g值慣性觸發(fā)能力的不足。使防空導彈觸發(fā)作用可靠性得到了有效保障。

經(jīng)沖擊試驗證實，當受到低g值慣性力作用時，自適應觸發(fā)機構中的MEMS慣性觸發(fā)電路響應速度快先行輸出起爆信號，慣性開關在MEMS慣性觸發(fā)電路響應后0.2 ms輸出閉合；當沖擊慣性g值較大時，慣性開關先行輸出起爆信號，MEMS慣性觸發(fā)電路在慣性開關輸出起爆信號后0.4 ms輸出起爆信號。根據(jù)兩路不同的觸發(fā)輸出信號時間差異感知不同硬度目標，電路控制模塊根據(jù)自適應觸發(fā)機構兩路信號時間先后差異，實現(xiàn)了對不同硬度目標的識別技術研究，可以向引信提供延時精確起爆控制信號。