一種基于壓敏傳感器的制導炮彈尋地新方法

強明輝,安 楊,徐東海

(蘭州理工大學 1.電氣工程與信息工程學院;2.甘肅省工業過程先進控制重點實驗室;3.電氣與控制工程國家級實驗教學示范中心,甘肅 蘭州 730050;4．西安理工大學 自動化與信息工程學院,陜西 西安 710048)

隨著戰爭模式變化和工業技術發展,炮彈的精確制導技術已成為現代化武器關鍵技術之一[1-2]。炮彈制導過程是一個復雜過程,其中尋地是炮彈制導動態測量十分重要的參數。目前關于炮彈尋地、俯仰角和旋轉角速度有多種測量方式,如地磁傳感器,陀螺儀等。依靠炮彈內部的霍爾傳感器感應地磁場的地磁尋地方法,地磁傳感器雖然具有價格便宜、無積累誤差、抗高過載等優點,但是由于南北極區域地磁為非平行地面磁場以及靠近鐵礦山周圍地磁方向受到改變,因而存在無法準確尋地以及解算過程復雜等缺點[3-5]。利用陀螺儀方法,機械陀螺儀體積大、成本高、精度差,而MEMS陀螺儀難以承受高的沖擊,難以滿足日益發展的制導需要,特別是炮彈制導需要[6-8]。因此,本文提出了一種基于壓敏傳感器制導炮彈尋地的新方法,該方法不僅克服了地磁及陀螺儀存在的不足,而且尋地精度高、速度快、耐沖擊、結構簡單、體積小,傳感器可在-30°～+150°工作[9-10]。該方法不僅可用于制導炮彈尋地和轉速測量,而且具有靈敏度高、精度高、受外部因素影響小等優點。

1 工作原理

壓敏傳感器結構及其在炮彈中安裝結構如圖1所示。其中,壓敏傳感器由傳感器薄片P、壓塊M以及信號處理電路組成,傳感器固定安裝在彈體內壁內。壓電傳感器可選取壓電陶瓷、壓電薄膜、壓電晶體等器件中任何一種傳感器。

圖1 壓敏傳感器隨炮彈轉動過程及其受力

從圖1傳感器受力分析可知,炮彈發射后可視為一種高旋彈體,則傳感器做圓周運動所需的合力F由3部分組成，分別為向心力Fv(Fv=mv2/r,r為彈體半徑)、重力分量FP(FP=Fmgsinθ,θ為重力與圓周運動速度v的夾角),加速度產生的力Fa(Fa=Fmasinθ),即合力F=Fv+Fmgsinθ+Fmasinθ。由于炮彈每圈旋轉速度和加速度變化很小,Fv可視為一個常數。此外,炮彈加速運動主要在垂直方向,在水平方向分量很小且可忽略,所以,傳感器的輸出電壓U的大小僅與作用力FP和Fa變化有關,即重力Fmg及加速運動的分量FP及Fa變化對電壓U的變化起到關鍵性作用。這2個分量均隨著炮彈的自旋轉按正弦規律周期性變化,當傳感器到達A點時,分量FP和Fa均為0,此時其輸出電壓UA=0;從A點向C點轉動過程中,分量FP和Fa均隨著θ(0°≤θ≤90°)的增大而不斷增大,電壓U也將隨之不斷增大,到達B點時達到最大峰值UB,max;從B轉動到C點時,FP和Fa均隨著θ(90°≤θ≤180°)的增大而不斷減小,電壓U隨之不斷減小,到達C點時受力分量為0,此時其輸出電壓UC=UA=0;從C點向D點旋轉過程中,FP和Fa隨著θ(180°≤θ≤270°)的增大而不斷增大,電壓U負的幅值也將隨之不斷增大(壓塊M對傳感器產生拉力),到D點時達到最大(FP=-(Fmg+Fa)),此時輸出電壓為負的最大峰值UD,min;從D點向A點旋轉過程中,FP和Fa隨著θ(270°≤θ≤360°)增加而減小,傳感器受到的拉力不斷減小,電壓U負的幅值也將隨之不斷增大,到達A點時重力分量FP減小到0,電壓U回到0,即UA=0。由此得出傳感器的輸出電壓U將產生如圖2所示周期性的正弦變化。依據這種正弦周期性變化規律,通過電路對信號進行處理找到峰值B點(或其他3個點),從而可獲得炮彈的大地方向。炮彈的自旋轉角速度可根據信號的正弦周期中的A和C過零點(或其他2個對應點)的時間間隔Δt并依據公式計算得到:

(1)

式中:ω為炮彈自旋轉角速度;Δt為2個測試點的間隔時間;π為2個測試點的間隔時間Δt所對應的炮彈旋轉角度。

圖2 壓敏傳感器輸出電壓隨炮彈轉動的變化關系波形

2 實驗方法

2.1 實驗方案設計

本文根據壓敏傳感器輸出電壓隨炮彈轉動的變化關系,采用了如圖3所示的電路系統方案。該系統主要由電荷放大電路、二路信號求差電路、濾波電路、過零判斷電路、單片機處理器以及處理軟件等部分組成。

在電路系統方案設計中,壓敏傳感器采用了2個相同傳感器,其單片機及電路為彈載式,在炮彈自轉過程中,2個傳感器將產生相位相差為180°的正弦信號,如圖3所示。通過電荷放大電路放大后,再進行求差,其目的在于:一是可增強信號的強度,提高靈敏度;二是提高正弦信號幅值及其對稱性;三是消除傳感器裝配產生的誤差。然后,通過濾波電路消除炮彈抖動給電路帶來的高頻干擾信號,因此需要對傳感器信號中的高頻信號進行濾波處理,獲得理想的正弦信號。隨后,通過過零判斷電路獲得一個與正半周寬度相同的一定幅值的正脈沖。最后,采用單片機對正脈沖進行處理,在處理中根據正脈沖的前后沿獲得炮彈旋轉半周的時間t,計算出導彈自旋轉角速度ω,輸出到控制系統,在延遲0.5t后,單片機輸出一個固定脈沖信號,此脈沖表示傳感器D旋轉到了最低位置,該位置所指的向下的方向即為大地方向。

圖3 壓敏傳感器炮彈尋地和旋轉角速度測試的電路方案框圖

2.2 電路設計

本文根據電路設計方案對各部分電路進行了具體設計和參數選取,各部分電路拓撲圖及其參數如圖4所示。

圖4 信號處理各部分電路的拓撲圖及其元件參數

由于壓電薄膜、壓電陶瓷和壓電晶體隨壓力改變產生的是電荷量變化,而電荷量的微弱變化很難計算,為此在電路中首先設計了由2個OP07CD運放N1和N2構成的放大器電路,分別將傳感器1和傳感器2輸出的微弱電荷信號轉化為放大的電壓信號UO1和UO2,同時將壓電傳感器的高阻抗輸出轉換成運放的低阻抗輸出。電路輸出為

(2)

式中:Q為傳感器產生的電荷;Ct為傳感器電容;CO為輸入電纜電容;Cf為反饋電容C3,C4;a為運算放大器開環增益;負號表示輸入與輸出相反。

由于a很大,當|Cf(1+a)|?|Ct+CO|時,可近似有:

(3)

由式(3)可知,若反饋電容Cf不變,則輸出電壓UO與輸入電荷Q成線性關系。因此,通過該部分電路對輸出的微弱電荷信號實現線性放大,獲得放大的電壓信號UO1和UO2。在選取Cf時,因電荷Q較小,為了確保電路靈敏度,滿足電容的滿阱容量,應選取電容值小的電容,一般為幾納法。

在信號求差電路設計時,根據信號傳遞函數相差180°的特點,采用了由OP07CD構成的N3減法電路,對UO1和UO2信號進行求差放大。

根據疊加原理,可得出減法電路輸出:

(4)

當R3=R4=R5=R6時,可簡化為

UO3=UO1-UO2

(5)

由式(5)可知,通過減法電路處理后獲得增強了2倍的輸出信號UO3,提供了電路的靈敏度,同時消除2個傳感器裝配對稱性誤差,輸出了一個理想的正弦信號。

濾波電路采用了由OP07CD構成的帶通有源濾波電路,對炮彈抖動帶來的高頻干擾信號進行濾波處理。在確定帶通時,根據彈旋最高頻率確定低通濾波電路的C5R7,高通濾波電路的C6R8由最低頻率來確定,一般炮彈轉速為幾十轉到一百多轉。選取合適的帶寬對高、低頻干擾信號進行有效濾波,可以得到更精確的信號,有利于過零點準確判斷,在很大程度上可以決定整個電路的測試精度。過零電路選用由高速比較器MAX908和TVS管組成的電路,通過高速比較器找出信號上升和下降時的過零點,輸出一個與信號正半周等寬的正脈沖信號。在選取比較器時盡可能選取高速、低閾值,提高靈敏度,減小誤差。單向TVS管D1將比較器輸出的高電壓穩定在3.3 V,滿足后端單片機ADC端口處理信號的電壓要求。

2.3 實驗結果分析

本文利用炮彈實驗平臺,在不同旋轉頻率、不同俯仰角的條件下分別進行了模擬旋轉試驗,其測試信號波形及結果分別如表1和圖5所示,表中,Ts為滾轉周期;ωr,ωt為實際和測量滾轉轉速;ω1,ω2分別為測量和實際滾轉角速度;E為尋地角度誤差。

從圖5測試信號波形可知,首先,經過電荷放大、求差、濾波后可以獲得一個對稱、平滑、穩定的正弦信號,如圖5(a)所示,由此可以得出本文的方案和實驗設計基本正確。其次,通過過零判斷電路可以獲得一個規則的正方波信號且與正半周寬度相同,如圖5(b)所示,由此可以得到穩定的單脈沖信號。最后,通過單片機對正脈沖進行處理,延遲0.5t后由PB6口輸出一個一定寬度和幅值的正脈沖信號,如圖5(c)所示,由此可以得到由PA9口輸出的自旋轉角速度的數據。

表1 炮彈尋地和旋轉角速度測試結果

圖5 炮彈尋地和旋轉角速度測試信號波形圖

在某型號旋轉彈任務牽引下,壓敏傳感器炮彈參數測試系統參加了搭載飛行試驗,從測試系統遙測信號波形看出,該測試方法輸出平穩,在炮彈彈體旋轉頻率約為40 Hz時,與地磁尋地方法相比尋地角度相差0.16°,與角速度陀螺儀測量相比彈體旋轉頻率相差1.5%,精度滿足使用要求,從而實現了炮彈尋地以及彈體轉速的精確測量。

3 結論

本文提出了基于壓敏傳感器的炮彈尋地方法,從理論上分析了其工作原理。在此基礎上,設計了具體實現電路以及具體的電路參數。在實驗中利用炮彈半實物實驗平臺進行了模擬旋轉試驗;在不同旋轉頻率、不同俯仰角條件下,分別進行了實驗驗證分析。在旋轉頻率為10～100 Hz時,尋地準確度在1°以內,旋轉角速度均小于2%。最后進行了炮彈飛行控制實驗,實驗結果表明,該方法正確、可行,且具有靈敏度高、沒有累積誤差、精度高、受外部因素影響小等特點,完全滿足炮彈尋地的精度要求。同時,驗證了設計的電路具有結構簡單、體積小、調試方便、性能優良等優點,能夠滿足火箭彈彈道修正的要求,可廣泛應用于旋轉炮彈的姿態控制和制導系統。