槍用計數(shù)器的加速度感應開關(guān)仿真

龐海濤，姚養(yǎng)無，車 悅，朱良材，韓成輝

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051； 2.寧波軍鴿防務科技有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

近年來，部隊士兵實彈射擊訓練量逐年提升，槍支使用頻繁，靶場槍彈管理工作也變得繁雜，槍械管理人員難以對每把槍械的射擊使用情況實現(xiàn)快速準確的掌握，部分靶場的管理工作仍停留在較為初級的人工統(tǒng)計階段。在面臨大量的槍械數(shù)據(jù)情況下，容易造成處理效率低下，而且容易出現(xiàn)信息數(shù)據(jù)丟失、損壞等情況，不利于數(shù)據(jù)的查詢分析[1-2]。對每支槍械的使用情況進行詳盡的統(tǒng)計有著很重要的實際意義[3-5]：一方面，彈藥消耗量在一定程度上反映射手的訓練量，此外由射彈數(shù)量可以較為準確地把握槍械的使用壽命，每支槍的使用壽命是有限的，將其在達到使用壽命后不再繼續(xù)使用或作為其他用途。不同壽命階段的槍支有不同的射擊特性。深入了解這一特性可以幫助射手培養(yǎng)良好的射擊習慣，提高訓練效果，更加準確掌握槍械在不同階段的射擊性能；另一方面，實現(xiàn)槍支彈藥的精細化管理，保證槍彈的有效管控，防止射手私自截留彈藥而造成彈藥的外流，對社會的穩(wěn)定造成威脅。

為了進行射彈統(tǒng)計，因此出現(xiàn)了一種基于聲音、光線、電磁信號的射擊識別技術(shù)，自動記錄射擊時間和射擊間隔等信息，國內(nèi)外在此均有一定的研究。圣路易斯槍聲探測系統(tǒng)[6-7]是一種基于聲波進行三角定位來確定槍支射擊地點的系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)必須依靠人來判斷聲源的類型?？葡２呒夹g(shù)大學的Martin Lojka等人[8]利用機器學習的馬爾可夫模型，該模型可以分辨槍聲和玻璃破碎的聲音，但前提是其背景噪音必須控制在一定的范圍內(nèi)，無法適應靶場的多靶位射擊。江蘇省公安廳的申小虎[9]通過聲譜區(qū)別了不同種類的槍械射擊情況，對不同槍械的識別情況較良好，但該方法受采樣設備的影響較大，目前還不能廣泛采用。

針對槍彈射擊數(shù)量統(tǒng)計，國內(nèi)外現(xiàn)已有不少成果。以色列WeaponLogic公司[10]設計的射彈計數(shù)器通過內(nèi)置的加速度感應開關(guān)實現(xiàn)射擊次數(shù)的自動識別統(tǒng)計，其質(zhì)量小，可靠性高。比利時FN公司[11]推出的 SmartCore射彈計數(shù)器可以無源使用且保養(yǎng)簡單，且其經(jīng)過改進過也可適用于手槍的槍彈計數(shù)。目前國內(nèi)振動感應式的射擊識別裝置較少，預計將來的新式步槍會配置一個振動感應式的射彈計數(shù)器。

因此本文針對靶場彈藥消耗統(tǒng)計情況，設計了一種能夠?qū)ι鋼艉笞钭鞒鎏囟憫募铀俣雀袘_關(guān)，滿足槍械射擊時的高過載和瞬時的需求。

1 加速度感應開關(guān)原理和結(jié)構(gòu)

1.1 加速度感應開關(guān)原理

槍支射擊時，火藥燃燒產(chǎn)生的氣體使槍支后坐，在射手的握持下，槍身會在一定范圍內(nèi)振動[12-13]，從而產(chǎn)生后坐加速度。對于自動武器來說，其單發(fā)射擊的持續(xù)時間通常只有幾十毫秒，其后坐力在短時間的變化非常迅速其峰值非常大，要采集到該變化數(shù)據(jù)需要傳感器有一定的靈敏度和高量程；但傳感器的靈敏度也不能太高，高靈敏度的傳感器通常量程不大，且容易受到外界環(huán)境的干擾。專業(yè)加速度測量儀雖能精確測量這一加速度，但無法便捷安裝、攜帶，對于使用環(huán)境有較大的要求；微型加速度計小巧方便，但不滿足大量程、高穩(wěn)定性的測量要求，射擊環(huán)境下無法保證使用壽命[14]。普通的傳感器又無法滿足在槍械上使用的條件。

常見的采集振動的傳感器有機械式、光學式、電測式等種類。機械式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格低廉；光學傳感器是利用光信號的變化來感知物體的運動狀態(tài)，但是其體積較大，不適宜采用。電測式傳感器可分為電渦流式、磁電式、電容式和壓阻式等；電渦流式需要外接電源，不便于攜帶，不滿足要求；磁電式傳感器較為脆弱，不適用于射擊時的劇烈振動的惡劣條件；電容式傳感器的輸出阻抗較高，容易受到工作環(huán)境的干擾；對于測量動態(tài)變化的數(shù)值，電壓輸出式壓電設計是當前較為主流的加速度傳感器，其通過電阻式應變片感知被測量物體的加速度，具有體積小，帶寬高的優(yōu)點，但是這種類型的傳感器對溫度的變化較為敏感，在使用時需要對溫度進行控制，因此本文在結(jié)合壓阻式傳感器在其基礎上提出了一種操作簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定的機械式加速度傳感器，以對槍支射擊的動態(tài)特性進行測量。

根據(jù)參考基準的不同，機械方法的振動傳感器可以分為相對式傳感器和慣性式傳感器，相對式傳感結(jié)構(gòu)通常以獨立于被測對象的物體為參考基準，測得的結(jié)果是被測對象相對于參考基準的振動；而慣性式傳感結(jié)構(gòu)通常不需要一個相對靜止的基準點，它以被測對象的慣性系統(tǒng)坐標作為參考坐標。根據(jù)槍械射擊的特點，不易找到靜止參考點，所以采用慣性式傳感結(jié)構(gòu)。

某型槍械在射擊時其內(nèi)部構(gòu)件的運動如下[15-17]：首先，發(fā)射藥燃燒后，在膛底合力作用下，槍機閉鎖支撐面與機匣接套閉鎖支撐面碰撞產(chǎn)生沖擊；此后，發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生高壓的氣體推動活塞向后運動，活塞撞擊連桿，連桿再撞擊槍機，槍機向后運動，迫使機頭回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)開鎖，并帶動機頭與擊錘一起后坐完成抽殼、拋殼動作；此外，子彈在拋殼時，拋殼挺也會受到一個向后的沖擊。單次擊發(fā)時槍支后坐加速度波形共出現(xiàn)三股波動，利用這一射擊規(guī)律，設計了一種加速度感應開關(guān)，其具體工作原理如圖1所示。

圖1 加速度感應開關(guān)工作過程

當槍械射擊時會產(chǎn)生機械震動，機械震動帶動加速度感應產(chǎn)生位移，當其內(nèi)部的慣性單元接觸金屬觸點的時候?qū)娫矗娐废蚩刂坪诵陌l(fā)送信號，該傳感器無需測量射擊過程中加速度的具體的某個數(shù)值，只需要加速度達到預設值后導通電路即可，再通過數(shù)據(jù)分析其是否為射擊狀態(tài)，極大地簡化了傳感器的結(jié)構(gòu)和工作流程，也降低了功耗，可滿足長時間待機的需求，可靠性以及使用壽命也有一定的保障，巧妙避開了實時測量的問題，可以適用于較為嚴苛的測試環(huán)境，可以將將槍支的振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)對槍支狀態(tài)的監(jiān)控。

1.2 加速度感應開關(guān)結(jié)構(gòu)

加速度感應開關(guān)[18]由外殼、慣性單元、彈簧、中心觸點等結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。外殼和中心觸點為固定部分，與射彈計數(shù)器固連，中心觸點負責輸出信號，連接著電源的負極，慣性單元連接著的彈簧單元連接著正極，他們一起構(gòu)成了電源的一個回路。槍支未射擊時，在彈簧的作用下，鎢珠由于與支撐彈簧之間有一段行程，此時整個電路處于未導通的狀態(tài)；當處于射擊狀態(tài)時，在槍支后坐運動產(chǎn)生的慣性力的作用下，慣性單元與中心觸點導通，線路此時行成閉合回路，電路被導通，喚醒控制核心，計算電路的導通次數(shù)和導通的時間，判斷射擊狀態(tài)和射擊次數(shù)。

圖2 加速度感應開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

為了使加速度傳感器更加精確的感知槍支的射擊狀態(tài)，加速度傳感器的運動狀態(tài)應該盡可能與槍支的狀態(tài)一致，并且要盡量減少對槍支射擊的影響，綜合其他配合的電路板、天線、電池等工作部件，盡量將其結(jié)合到一起，所以將所有的工作部件統(tǒng)一安裝在一個柱狀殼體(數(shù)據(jù)采集器外殼)中，將計數(shù)器設計為與槍械握把內(nèi)部大小一致的結(jié)構(gòu)，其放置于握把內(nèi)，將其與握把內(nèi)部緊密貼合。其加速度感應開關(guān)應該與射擊方向即身管的的軸線方向平行，這樣可以準確的測量軸向方向的加速度，提高計數(shù)的準確率。加速度感應開關(guān)與計數(shù)器的軸向方向呈81度夾角，這一方向與身管軸線方向平行，其安裝位置圖如圖3所示。

圖3 加速度感應開關(guān)安裝位置

2 加速度感應開關(guān)數(shù)學模型

槍支射擊過程中，加速度感應開關(guān)會隨著槍支一起發(fā)生運動，其慣性運動單元與外殼之間會發(fā)生相對運動，其運動過程中可以等效為一個粘性阻尼單自由度振動系統(tǒng)[19]。以外殼為參考系，可以將該系統(tǒng)的運動簡化，在槍械射擊給感應開關(guān)的驅(qū)動f的作用下，彈簧單元相對中心觸點產(chǎn)生了大小為x的位移，假設彈簧的預壓縮力為零，則系統(tǒng)的運動模型可以用二階常系數(shù)線性微分方程表示：

(1)

式中，m為慣性單元質(zhì)量，c為介質(zhì)阻尼系數(shù),k為彈簧剛度系數(shù)。驅(qū)動f可以表示為一系列元沖量的疊加，當t=τ時刻時，元沖量可以表示為：

(2)

根據(jù)線性系統(tǒng)疊加原理可知，加速度感應開關(guān)對激勵的響應等于對區(qū)間0≤τ≤t的時間內(nèi)各個元沖量響應之和即：

(3)

當彈簧的預壓縮量為x0，系統(tǒng)的初始速度為零時，慣性單元與中心觸點碰撞前的響應可表示為：

(4)

3 槍支握把處運動數(shù)據(jù)

對加速度感應開關(guān)的動力學仿真，需要提前獲得槍支握把位置處的運動數(shù)據(jù)，因此需要進行實槍射擊實驗。在某室內(nèi)試驗靶場中，射手用某步槍采取站姿無依托姿勢[20]進行實彈射擊，加速度傳感器安裝于握把尾端位置。使用壓電式加速度傳感器，許用量程為1 000 g，傳感器重量約為100克，傳感器測量的加速度信號以5 mV/g的靈敏度輸出。由于傳感器重量遠小于槍支重量，對槍支整體的運動特性影響并不顯著，所以可以近似認為傳感器對槍支的射擊狀態(tài)并未造成影響。得到單發(fā)、三連發(fā)射擊的加速度波形如圖4～5所示。

圖4 單發(fā)射擊后坐加速度波形

圖5 三連發(fā)射擊后坐加速度波形

從實彈射擊結(jié)果可以看出，單發(fā)射擊時，加速度波形共出現(xiàn)了三股顯著波動，其中第一股加速度峰值在160 g左右，第二股加速度峰值為70 g左右，第三股加速度峰值在40 g左右；第一次峰值和第二次峰值的時間間隔大約為20 ms，第二次峰值和第三次峰值間隔時間大約為40 ms，其整個射擊過程的加速度變?yōu)榉浅×?，在相對較為平穩(wěn)的階段其數(shù)據(jù)的波動也較大。連續(xù)射擊的波形近似單次擊發(fā)波形的周期性重復，采集到每個周期內(nèi)的單個射擊數(shù)據(jù)曲線基本一致，可以采用。則根據(jù)槍械射擊時加速度波形的規(guī)律，設計的加速度感應開關(guān)在槍械單次擊發(fā)情況下，可以使慣性單元觸碰兩次中心觸點，即單次擊發(fā)時外電路可導通兩次。

4 加速度感應開關(guān)仿真計算及驗證

4.1 模型設置

加速度感應開關(guān)安裝在數(shù)據(jù)采集器中，但是其他部分的元器件結(jié)構(gòu)對整個槍械的運動和數(shù)據(jù)的采集基本沒有影響，因此其內(nèi)部的插座、電路板、電池等元件均做簡化處理，僅保留加速度感應開關(guān)在內(nèi)的主要元器件。數(shù)據(jù)采集器除加速度感應開關(guān)感知槍支后坐運動外，其他部件都固定不動，則可簡化模型。忽略各個部件在加工過程中的加工誤差。簡化的模型中，除彈簧受力壓縮發(fā)生變形外，忽略其余部分產(chǎn)生的彈性變形對整體模型造成的影響，將他元件視為剛體。

4.2 動力學仿真

將模型導入動力學軟件Adams中，在慣性單元和底座之間添加的彈簧，其剛度為0.527 N/mm預壓力設置為1.12 N。射擊方向選擇為X軸正向。材料設置如表1，仿真主要用到的是固定副，具體使用情況如表2所示。簡化后的模型中活動部件較少，僅需考慮慣性單元與外殼、中心觸點的接觸關(guān)系，將元件間的接觸關(guān)系設置為法向碰撞，剛度為105N/m深度為0.1。

表1 主要元件的材質(zhì)及密度

表2 運動副的設置

設定好約束，將槍支握把位置的加速度運動數(shù)據(jù)通過樣三次樣條插值函數(shù)Spline加載于數(shù)據(jù)采集器重心得到的動力學模型如圖6所示。

圖6 動力學仿真模型

在中心觸點和慣性單元之間添加測量工具并開始計算求解，得到慣性單元相對中心觸點的運動情況如圖7～8所示。

圖7 單發(fā)射擊時慣性單元相對中心觸點的運動

圖8 連續(xù)射擊時慣性單元相對中心觸點的運動

從圖7中可以看出，單發(fā)射擊時慣性單元10～20 ms以及30～40 ms的兩個階段里面內(nèi)波形變化較大，其最大行程接近3 mm，可以達到設計的2.6 mm行程要求。50～70 ms以及70～80 ms兩個階段的行程較短，分別只有約1 mm和1.5 mm。慣性單元在仿真時間內(nèi)共發(fā)生4次幅值較大的相對運動,只有前兩次達到2.6 mm的設計行程，能夠使電路導通。從圖8中可以看出，連續(xù)射擊時候的波形其與單發(fā)射擊的波形重復性較高，每一個波形曲線基本一致，說明該模型可靠性有一定的保障。

4.3 模型的實驗驗證

為了驗證加速度感應開關(guān)可以可以準確記錄槍械的射擊特性，可以記錄下兩次脈沖信號，設計了一種可以模擬槍支射擊的工裝，該工裝以矩陣鍵盤輸入控制信息，通過驅(qū)動電磁鐵的前后運動來模擬槍械內(nèi)部構(gòu)件的撞擊運動，通過設置滑塊的行程，滑塊彈簧的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)，電磁鐵與滑塊之間的距離，電磁鐵的撞擊力度等可以準確地模擬出來槍械在射擊地過程中其內(nèi)部的實際運動狀態(tài)。其模擬工裝的實物模型如圖9所示，采用的設備清單如表3所示。

圖9 槍械射擊模擬驗證模型

表3 設備清單

具體實驗過程如下：

1)搭建好測試工裝樣機，并通過萬用表對原理樣機進行檢查，確保加速度感應開關(guān)電路處于斷路狀態(tài)，電池電量充足，信號測量點的初始電壓為零；

2)檢查并調(diào)節(jié)測試工裝的參數(shù)，確定正常后，連接工裝的電源；

3)將數(shù)據(jù)采集器安裝在測試工裝的夾具上；

4)將加速度感應開關(guān)的信號輸入端和輸出端連接示波器，將示波器設置為1.5 V單次觸發(fā)，上升沿/下降沿雙向觸發(fā)；

5)使用控制器驅(qū)動電磁鐵進行模擬射擊，并通過示波器采集工裝捕捉到的信號數(shù)據(jù)并對其進行分析研究；

將采集到的實彈射擊的波形輸入到模擬工裝，通過工裝得到了不同條件下的射擊信號脈沖。其單發(fā)和連發(fā)的數(shù)據(jù)波形圖如圖10和11所示。

圖11 連射射擊識別

由圖可知，感應開關(guān)在一次射擊的時候可以采集到兩次脈沖信號，第一次信號為瞬時信號，持續(xù)時間很短，約為4 μs；第二次信號持續(xù)時間為4 ms，兩次信號的間隔時間為19 ms；連續(xù)射擊時每個單次射擊時間的間隔為58 ms?？梢钥闯鰡伟l(fā)射擊滿足設計時的兩次導通電路記錄脈沖信號的要求，連發(fā)射擊時每次單次的脈沖信號也可以可靠連續(xù)采集，能夠承受射擊狀態(tài)下的沖擊。通過示波器采集的數(shù)據(jù)說明在實驗工裝條件下該感應開關(guān)可以滿足設計要求，可以提取出槍械擊發(fā)和射擊特征，能夠?qū)ι鋼粝膹椝庍M行統(tǒng)計。

5 加速度感應開關(guān)強度校核

加速度感應開關(guān)工作過程中，慣性單元隨著槍支后坐在殼內(nèi)往復運動，不斷碰撞中心觸點和感應開關(guān)外殼，產(chǎn)生的沖擊載荷可能會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。為了解各元件在槍支后坐過程中的應力應變情況，判斷元件能否滿足工作強度要求，現(xiàn)利用有限元分析軟件對加速度感應開關(guān)進行強度校核，將UG模型轉(zhuǎn)化為parasolid后導入到Hypermesh中，采用六面體網(wǎng)格劃分，最終模型由38 291個節(jié)點和41 170個單元構(gòu)成。經(jīng)檢查，網(wǎng)格質(zhì)量滿足分析要求，網(wǎng)格模型如圖12所示。

圖12 Hypermesh網(wǎng)格模型

加速度感應開關(guān)各個元件材料的線彈性為各向同性，各個部件的材料類型和屬性如表4所示

表4 部件材料屬性

將網(wǎng)格模型導入到Workbench中，完成材料屬性的添加，將外殼和底座固定，將慣性力添加在模型的表面，根據(jù)采集到的實彈射擊的加速度曲線可知，最大加速度發(fā)生在第一個加速度曲線的波峰，其最大應力也應該發(fā)生在這個階段，因此為了減少計算，僅加載這一階段的慣性力進行受力分析，計算得到慣性單元與中心觸點碰撞時的應力應變和與外殼碰撞時的應力應變結(jié)果如圖13～16所示。

圖13 慣性單元撞擊中心觸點時的應力

圖14 慣性單元撞擊中心觸點時的應變

圖15 慣性單元撞擊外殼時的應力

圖16 慣性單元撞擊外殼時的應變

從圖13可以看出，慣性單元撞擊中心觸點時，最大應力發(fā)生在中心觸點頂端，為31.01 MPa，大大小于銅合金的屈服強度，滿足強度要求；中心觸點受力直接作用在底座，此時底座最大應力為24.71 MPa，因底座材質(zhì)為PEI，屈服強度為83 MPa，其強度滿足工作要求。從圖14可以看出應變最大值發(fā)生在底座位置，大小為0.004左右，主要原因是相同應力水平下選用的材料彈性模量越低，發(fā)生的應變值就越大，底座選用PEI材質(zhì)相比于其他元件材質(zhì)較低。慣性單元受到彈簧推力遠離中心觸點，但同時會沖擊感應開關(guān)外殼，從圖15中可以看出，最大應力發(fā)生在感應開關(guān)外殼頂部位置，應力值在24.71 MPa左右，小于銅鎳合金的屈服強度124 MPa，滿足強度要求。從圖16可以看出撞擊感應開關(guān)外殼時，由于銅鎳合金的彈性模量較高，所以應變最大值同樣發(fā)生在底座位置，但還是滿足強度要求。

6 計數(shù)驗證

在驗證該加速傳感器滿足實驗室條件下的功能完整性后，為了進一步驗證該傳感器的功能是否可靠，因此需要進行實彈射擊的功能驗證。在某靶場設置示波器為自動刷新觸發(fā)，為了避免槍械或者計數(shù)器本身的因素對射擊結(jié)果造成影響，交替使用三支某式步槍和3個數(shù)據(jù)采集器，分別進行了站姿、跪姿和臥姿測試。其實彈射擊試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

表5 實彈射擊試驗

三支槍械一共射擊了630發(fā)子彈，一共可靠記錄了627次射擊動作，總的計數(shù)準確率為99.5%,其總的計數(shù)可靠率還是可以達到很高的水平。但是第5組數(shù)據(jù)90次跪姿射擊出現(xiàn)了1次漏記，第6組數(shù)據(jù)90次臥姿出現(xiàn)了2次漏記，其余的射擊全部記錄，需要注意的是所有的站姿射擊狀態(tài)均被準確記錄。出現(xiàn)漏記的原因應該是在臥姿和蹲姿狀態(tài)下，由于重心較低加上地面的更好支撐，所以對槍械射擊有更好的的緩沖作用，其后坐動作較弱，造成漏記。但是總體而言，射彈數(shù)據(jù)采集器的識別精度還是較高，基本能夠滿足設計要求，能夠應用于日常的射擊訓練。

7 結(jié)束語

本文根據(jù)槍支后坐運動情況，提出一種慣性式加速度感應開關(guān)，其利用槍支射擊后坐使慣性單元和觸點發(fā)生相對運動進而導通電路，實現(xiàn)槍支射彈計數(shù)。

通過Adams動力學仿真發(fā)現(xiàn)，加速度感應開關(guān)能夠提取槍械射擊時的特征，每次擊發(fā)能使慣性單元于中心觸點接觸兩次。通過實驗室模擬驗證發(fā)現(xiàn)其兩次脈沖信號均可以被有效記錄。由于慣性單元的相對加速度較大，并且工作過程中會數(shù)次撞擊中心觸點和外殼，通過Ansys有限元仿真表明，加速度感應開關(guān)最大應變發(fā)生在底座，選用的材料均滿足強度要求。通過實彈射擊發(fā)現(xiàn)，其計數(shù)準確率較高，可以應用于日常的部隊射擊訓練。

可以看出，本裝置在部隊靶場日常射擊訓練有著一定的應用價值，大大減少了人工的計數(shù)工作，也防止了射手的私自截留子彈的行為，有著較為重要的實際應用價值。