坦克火控系統(tǒng)自動(dòng)化測試平臺設(shè)計(jì)

馬 帥,郭金龍,高云錕,李福鑫,王士濤,周世罡

(中國北方車輛研究所， 北京 100072)

1 引言

坦克火控系統(tǒng)是控制坦克武器瞄準(zhǔn)和發(fā)射的系統(tǒng)，主要用以縮短射擊反應(yīng)時(shí)間，提高首發(fā)命中率[1]。坦克火控系統(tǒng)測試是坦克生產(chǎn)、研制過程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，主要包括系統(tǒng)功能聯(lián)調(diào)和指標(biāo)量化測試兩部分。功能調(diào)試是指測試員根據(jù)系統(tǒng)各部件的功能，通過一定操作確認(rèn)其是否具有相應(yīng)功能且沒有異常[2-3]。量化指標(biāo)測試是指測試人員通過測試、計(jì)算一些技術(shù)指標(biāo)，判斷坦克火控系統(tǒng)綜合性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。目前，坦克火控系統(tǒng)的功能調(diào)試和指標(biāo)測試均依靠人工完成，不僅效率較低，而且測試精度也有待提高。因此，本研究中提出了一種自動(dòng)化測試方案，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測試平臺設(shè)計(jì)，提高坦克火控系統(tǒng)測試水平。

2 坦克火控系統(tǒng)人工測試流程分析

2.1 人工測試流程

坦克火控系統(tǒng)人工測試時(shí)，測試人員首先對坦克火控進(jìn)行系統(tǒng)功能聯(lián)調(diào)。在確定各火控系統(tǒng)部件功能具備且一切正常后，對整個(gè)火控系統(tǒng)在不同工況下的目標(biāo)角速度、漂移、高速調(diào)炮等量化指標(biāo)進(jìn)行測試，其中除只需測出實(shí)際角速度的最大調(diào)炮速度指標(biāo)以外，其余指標(biāo)均需按照測試要求對火炮運(yùn)動(dòng)角速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，具體見表1所示。如圖1所示，檢測時(shí)需要將激光筆固定在火炮炮口后，1名操作人員在炮塔內(nèi)控制操縱臺驅(qū)動(dòng)炮塔運(yùn)動(dòng)，另一名測試人員在炮塔外部對投射在炮塔前方的靶板進(jìn)行觀察，通過觀察激光點(diǎn)在靶板上移動(dòng)的距離和所耗時(shí)間，計(jì)算出實(shí)際火炮運(yùn)動(dòng)的平均角速度值，最終與炮塔內(nèi)操作人員所讀出的系統(tǒng)顯示角速度進(jìn)行比較。若數(shù)值誤差小于一定百分比，則判定火控系統(tǒng)工作正常。

表1 坦克火控系統(tǒng)測試量化指標(biāo)Table 1 Quantitative indicators of tank fire control system test

圖1 坦克火控系統(tǒng)人工測試示意圖

2.2 人工測試缺陷

通過對測試過程分析可知，傳統(tǒng)人工測試方法雖然能夠基本滿足對坦克火控系統(tǒng)功能調(diào)試和指標(biāo)量化測試的需求，但卻存在著一些缺陷：

1) 測試精度有待提升：目前人工介入測試過程的環(huán)節(jié)較多，在觀察靶板激光點(diǎn)位置、記錄光點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間、測試開始和停止時(shí)人員溝通配合時(shí)，會(huì)將視覺偏差、人員溝通的反應(yīng)時(shí)間等不可控因素引入測試結(jié)果，在一定程度上降低了測試的準(zhǔn)確性。

2) 操作難度高：若想測試結(jié)果準(zhǔn)確，必須保證炮塔內(nèi)操作人員能夠持續(xù)穩(wěn)定的控制操縱臺，進(jìn)而使炮塔以某一固定角速度持續(xù)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間。但由于整個(gè)測試時(shí)間較長，工藝炮塔內(nèi)空間狹窄、舒適度差，操作人員很難保證炮塔運(yùn)動(dòng)角速度在測試過程中穩(wěn)定在某一定值。一旦角速度出現(xiàn)較大波動(dòng)，便需要重新進(jìn)行測試，在極大增加操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也會(huì)在很大程度上影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3) 測試效率低：由于人工操作難度大，炮塔運(yùn)動(dòng)角速度一旦波動(dòng)過大就需要重新進(jìn)行測試，大大降低了工作效率。同時(shí)，為便于計(jì)算和降低角速度波動(dòng)的影響，測試時(shí)需要炮塔轉(zhuǎn)動(dòng)較大范圍的角度來計(jì)算角速度平均值，也一定程度降低測試效率。

4) 耗費(fèi)人工：每套坦克火控系統(tǒng)測試至少需要一名操作人員在炮塔內(nèi)扳動(dòng)操縱臺，一名測試人員在外部觀測記錄炮塔運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，人工成本較高。

由上述分析可知，傳統(tǒng)人工測試方法有測試精度有待提升、人員操作難度高、測試效率低、耗費(fèi)人工的缺陷，很大程度阻礙了坦克火控系統(tǒng)生產(chǎn)和研發(fā)的效率和水平，急需引入自動(dòng)化測試技術(shù)對坦克火控系統(tǒng)的測試方法進(jìn)行改進(jìn)提升，以提高測試效率和精度，降低人工成本[4-5]。

3 自動(dòng)化測試工藝流程規(guī)劃

3.1 人工測試工藝流程分解

在進(jìn)行自動(dòng)化測試平臺方案設(shè)計(jì)前，首先需要對人工測試流程進(jìn)行分解。根據(jù)目的不同，可以將傳統(tǒng)人工測試過程分為3個(gè)部分，分別是炮塔操控、炮塔測試數(shù)據(jù)記錄、炮塔運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷和數(shù)據(jù)分析。炮塔操控是指操作人員通過扳動(dòng)操縱臺來控制炮塔轉(zhuǎn)動(dòng)，炮塔測試數(shù)據(jù)記錄是指檢測人員對炮塔轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的記錄。同時(shí)，在整個(gè)測試過程中，需要操作人員實(shí)時(shí)判斷炮塔轉(zhuǎn)動(dòng)速度是否符合檢測要求并扳動(dòng)操縱臺進(jìn)行修正，測試人員對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理進(jìn)而判斷系統(tǒng)是否工作正常，即炮塔運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷和數(shù)據(jù)分析。

3.2 自動(dòng)化測試工藝規(guī)劃

作為對人工測試工藝流程的一一對應(yīng)，將自動(dòng)化測試平臺規(guī)劃為炮塔控制、操縱臺驅(qū)動(dòng)和火炮數(shù)據(jù)采集3個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)對坦克火控系統(tǒng)的功能聯(lián)調(diào)與指標(biāo)量化測試。為實(shí)現(xiàn)以上功能，項(xiàng)目組以測試傳感器、上位機(jī)、操縱臺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成的自動(dòng)化測試平臺并搭配工藝炮塔(含工藝操縱臺)和產(chǎn)品操縱臺，形成自動(dòng)化測試的工藝方案，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化測試平臺規(guī)劃框圖

為同時(shí)滿足炮塔調(diào)試和測試需求，本測試平臺采用了工藝操縱臺和產(chǎn)品操縱臺并聯(lián)的工藝方案。安裝在炮塔內(nèi)的工藝操縱臺供測試人員功能測試使用，而安裝于炮塔外部的產(chǎn)品操縱臺供測試平臺進(jìn)行量化指標(biāo)測試使用。

首先，操作人員在炮塔內(nèi)利用工藝操縱臺對火控系統(tǒng)部件進(jìn)行功能測試。在確定系統(tǒng)功能齊全且滿足要求后，測試人員可以通過操作測試平臺的上位機(jī)選擇已經(jīng)內(nèi)置的測試項(xiàng)目并啟動(dòng)測試。此時(shí)，根據(jù)測試項(xiàng)目需求，上位機(jī)給出控制信號，通過控制操縱臺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作來轉(zhuǎn)動(dòng)安裝于炮塔外部的產(chǎn)品操縱臺，進(jìn)而使炮塔開始運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，測試傳感器實(shí)時(shí)采集炮塔運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并反饋給上位機(jī)，對操縱臺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制信號進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操縱臺驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制，最終將炮塔運(yùn)動(dòng)角速度穩(wěn)定在某一固定數(shù)值。在此過中，上位機(jī)對炮塔實(shí)際運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和火控計(jì)算機(jī)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并在持續(xù)一段時(shí)間后對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析和處理，得出系統(tǒng)指標(biāo)是否合格的結(jié)論。最終，將測試數(shù)據(jù)和結(jié)論以表格的方式列出并打印，測試人員即可得到測試結(jié)果[6-7]，流程如圖3所示。

圖3 坦克火控系統(tǒng)自動(dòng)化測試工藝流程

4 自動(dòng)化測試平臺方案設(shè)計(jì)

4.1 操作平臺方案設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，測試平臺主要包括車長操縱臺工位、炮長操縱臺工位和上位機(jī)3部分組成，如圖4所示。上位機(jī)作為中控部分，完成控制操縱臺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作、發(fā)出測試信號、接收采集的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析和處理等諸多功能，是整個(gè)測試平臺的控制部分的同時(shí)，也是指令輸入部分。

圖4 自動(dòng)化測試操作平臺方案建模

其中，上位機(jī)功能主要由電腦實(shí)現(xiàn)，利用內(nèi)部編譯好的控制軟件，上位機(jī)一方面可供測試人員進(jìn)行測試項(xiàng)目選擇，另一方面可以完成驅(qū)動(dòng)控制信號接收、數(shù)據(jù)采集處理、測試結(jié)果顯示與打印等功能。操縱臺工位主要實(shí)現(xiàn)操縱臺的驅(qū)動(dòng)控制與機(jī)構(gòu)執(zhí)行功能，其中操縱臺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用伺服驅(qū)動(dòng)控制，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)操縱臺手柄來實(shí)現(xiàn)炮塔運(yùn)動(dòng)的控制，主要由操縱臺固定和驅(qū)動(dòng)2部分組成。利用操縱臺的外形特點(diǎn)，方案中使用彈簧輔助的快速拆裝設(shè)計(jì)，如圖5(a)所示，可以節(jié)省安裝時(shí)間，提高工作效率。并且，與操縱臺手柄連接的驅(qū)動(dòng)部分使用了可調(diào)方案，如圖5(b)所示，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使用多種型號操縱臺，提高適用性[8-9]。

圖5 操縱臺控制機(jī)構(gòu)

4.2 數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

炮塔的運(yùn)動(dòng)分為水平炮塔回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和主炮俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。因此，根據(jù)測試要求，需要對炮塔運(yùn)動(dòng)的水平和俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行采集，角速度測試范圍從0.06(°)/s到40(°)/s。根據(jù)測試指標(biāo)特點(diǎn)，決定利用霍爾傳感器(見圖7)對大于3(°)/s高速大行程指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用弧形磁柵尺(見圖7)對小于3(°)/s的低速小行程指標(biāo)進(jìn)行采集[10-13]。

圖6 炮塔數(shù)據(jù)采集示意圖

圖7 霍爾傳感器和弧形磁柵尺

4.2.1大行程運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行如高速調(diào)炮等指標(biāo)測試時(shí)需要炮塔旋轉(zhuǎn)一周，測試過程中不僅炮塔運(yùn)動(dòng)速度快，而且行程很大。在測試此類指標(biāo)時(shí)，利用工藝炮塔的外形特點(diǎn)，將霍爾傳感器安裝在炮塔座圈處，當(dāng)座圈齒頂和齒底交替經(jīng)過霍爾元件時(shí)，穿過霍爾元件的磁通量大小會(huì)發(fā)生交替變化，從而引起霍爾元件的電壓變化，輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓信號。通過使用信號處理電路將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，便可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)功能，進(jìn)而根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算出炮塔的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

ω=2πn

(1)

(2)

炮塔座圈齒數(shù)為Z，測試起始時(shí)間為t1，測試結(jié)束時(shí)間為t2，傳感器測得的脈沖數(shù)量為N。利用式(1)和式(2)，可以得到炮塔水平轉(zhuǎn)動(dòng)速度，完成量化指標(biāo)的準(zhǔn)確測量。

4.2.2小行程運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集

基于實(shí)際條件，針對小行程和低速指標(biāo)，利用弧形磁柵尺采集?；⌒未艝懦邷y試精度較高，十分適合對火炮轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。通過測出火炮轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的相對位移變化S、測試起止時(shí)間t1和t2，可以根據(jù)式(3)計(jì)算出火炮轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的實(shí)時(shí)角速度值。

ω=S/(t2-t1)

(3)

4.2.3數(shù)據(jù)篩選

由于火炮運(yùn)動(dòng)到指定要求的速度需要一個(gè)過程，所以數(shù)據(jù)采集后，通過設(shè)置角速度上下限，完成對不符合測試工況要求的數(shù)據(jù)剔除，如圖8所示，最終留存下有效數(shù)據(jù)，提高測試的準(zhǔn)確性[14-16]。

圖8 數(shù)據(jù)剔除原理示意圖

4.3 測試軟件部分設(shè)計(jì)

對于采集到的數(shù)據(jù)，需要編寫軟件進(jìn)行分析處理后，才能得到最終的測試結(jié)果。本平臺測試軟件包含以下功能：

1) 當(dāng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳給測試平臺后，測試軟件根據(jù)采集的數(shù)據(jù)完成測試指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算，同時(shí)與火控計(jì)算機(jī)輸出的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行比對并計(jì)算出誤差值，最終給出是否合格的結(jié)論。

2) 對于經(jīng)過測試不滿足指標(biāo)要求的數(shù)據(jù)，軟件會(huì)自動(dòng)提示，并留存相應(yīng)指標(biāo)的所有有效數(shù)據(jù)，以備后續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)故障排查。

3) 測試完成后，將所有指標(biāo)測試結(jié)果匯總后形成電子表格，并自動(dòng)打印輸出。

5 測試平臺應(yīng)用效果測試

根據(jù)如上設(shè)計(jì)方案，對測試平臺進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和試制，并將樣機(jī)實(shí)際應(yīng)用于坦克火控系統(tǒng)生產(chǎn)測試中。為驗(yàn)證測試平臺應(yīng)用效果，項(xiàng)目組采用人工測試和自動(dòng)化測試2種方法，分別對5套坦克火控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測試情況對比，結(jié)果如表2所示。通過測試時(shí)間和測試數(shù)據(jù)的記錄與統(tǒng)計(jì)，證明在使用測試平臺對坦克火控系統(tǒng)測試的情況下，可以將每套火控系統(tǒng)測試時(shí)間由1 h縮短到15 min，耗費(fèi)人工成本由2.13工時(shí)降低到0.25工時(shí)，依賴傳感器進(jìn)行測試的角速度控制精度幾乎達(dá)到100%。

表2 坦克火控系統(tǒng)自動(dòng)化測試與人工測試效果對比Table 2 The comparison between automatic test and manual test for tank fire control system

6 結(jié)論

本文通過分析和梳理坦克火控系統(tǒng)測試要求和流程，基于操作平臺、數(shù)據(jù)采集、測試軟件3個(gè)部分對坦克火控系統(tǒng)自動(dòng)化測試平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了坦克火控系統(tǒng)功能聯(lián)調(diào)和量化指標(biāo)自動(dòng)檢測的并聯(lián)進(jìn)行。通過實(shí)際應(yīng)用測試，證明測試平臺可以提高坦克火控系統(tǒng)測試效率、降低人工成本、提高測試精度，為實(shí)現(xiàn)坦克火控系統(tǒng)自動(dòng)化測試提供了實(shí)現(xiàn)途徑。