多傳感器融合的彈道環境參數存儲測試系統研究

王亞斌,郭開心

(北京理工大學 機電學院，北京 100081)

高速旋轉穩定彈的彈道安全性問題是一個亟待解決的問題，對于中大口徑榴彈進行多傳感器彈道環境參數測試，并對彈丸運動規律的分析，是進行安保機構設計、改善彈道安全問題的前提。美國陸軍研究室自2000年開始持續開展基于地磁的高速旋轉彈姿態測試方法，在地磁測試方面已經積累了成熟的經驗，對于彈丸飛行全局的地磁數據進行采集，數據能夠分析出飛行過程中的彈丸章動[1-4]，楊登紅等[6]研究了一種基于單軸陀螺儀的姿態角提取方法，但是陀螺儀恢復在彈丸飛行過程中建立穩定所需要的時間遠大于地磁傳感器和加速度計。早期常用紙靶法[7]來進行彈丸來進行彈丸章動分析，近年來張龍等[7]對基于彈載地磁測試的高速旋轉穩定彈錐形運動對彈丸出炮口章動進行了分析，王寶元等[8]使用高速攝像對炮口100 m內彈丸飛行運動進行跟蹤，對章動進行了分析，王元欽[9]通過對雷達底部回波進行分析對彈丸章動進行了分析，在實際彈丸運動中，在彈道末段章動也很大。

通過以上分析可知，研究一種低功耗，高精度的多傳感器融合的彈道環境參數存儲測試系統，針對高動態，高過載的中大口徑榴彈進行全彈道存儲測試，對過載和后效期對地磁傳感器和加速度的影響進行分析，對彈丸章動的周期進行分析，為未來引信的解保算法設計和傳感器方案設計提供更多依據具有重大的實用價值。

1 系統總體方案設計

多傳感器融合的彈道環境參數測試系統在炮射實驗中，承受最高可達數萬g的沖擊過載，高頻振動，在飛行過程中，更是表現出高轉速，高動態特性，為保證該測試系統能夠在實際應用環境可靠使用，設計應遵循以下準則：

1) 抗高沖擊過載。測試系統不僅存在發射過載，也存在落地過載，經試驗落地過載會將露在彈外部的尖頭部分毀壞，所以在設計過程中不僅要考慮到使用灌封技術提高系統的可靠性，還需要設計有效的保護方式對數據存儲模塊安全進行保護；

2) 多方案供電。測試系統在飛行過程中由電池供電，回收后使用外部電源供電，需對系統進行多方案供電設計。

3) 高采樣率高精度。以155榴彈為例，轉速最高可達300 r/s,需要高采樣率才能從數據中提取出彈丸轉一圈的最值點，進行轉速分析；彈丸飛行章動角較小，只有高精度才能提取出彈丸的章動運動趨勢。根據對典型需求的分析，提出了多傳感器融合的但到環境參數測試系統設計方案，主要性能指標如下： 數據采集通道為8通道：包括大量程加速度計、三個兩兩正交的小量程加速度計，兩個正交放置的兩軸地磁傳感器(其中一個軸為冗余軸)； 采樣率16 ksps，采樣率高于轉速50倍以上，能夠測量到彈丸轉一圈的運動規律; 采樣分辨率16 bits：地磁信號一般為±60 000 nT，當章動角為5°時，章動信號最大在5 000 nT以內變化，所以要求高分辨率； 工作時間≮120 s：中大口徑榴彈彈道飛行時長一般不超過120 s。 存儲器容量≮30 720 000字節：基于上述采樣通道數、采樣率，采樣分辨率分析算出。

2 測試系統硬件設計

2.1 測試系統工作原理

多傳感器融合的彈道環境參數測試系統主要由傳感器模塊，信號調理電路，A/D轉換電路，STM32F401微控制器，存儲電路，下載電路，通信電路，電源電路等組成，工作原理框圖如圖1。

圖1 工作原理框圖

2.2 存儲測試系統電路設計

本存儲測試系統傳感器模塊結構如圖2所示，傳感器包括一個大量程加速度計(量程50 000g，用于測量膛內過載、落地過載并作為采樣觸發條件)，3個小量程加速度計(ADXL1002,量程±50g，用于測量彈體飛行過程中捷聯在彈體上的測試系統3個軸的加速度)，2個雙軸地磁傳感器(HMC1052，正交放置，用于測量彈體飛行中捷聯在彈體上的測試系統的三個軸的地磁數據，其中一個軸為冗余軸)。

圖2 測試系統傳感器模塊結構

該測試系統需要低功耗，外設通訊協議簡單且標準化，而且對SPI速率有一定要求，綜合考慮選擇STM32F401作為主控芯片。對于包括四軸地磁數據通道(1個冗余軸)，4個加速度計數據通道(1個大量程加速度計，3個小量程加速度計)的8通道模擬信號，選擇AD轉換精度16位，16 ksps采樣率進行數據采集，共128 ksps，選擇500 ksps的AD8699作為AD轉換芯片，通過SPI接口控制轉換信息。選用32M的Flash存儲器W25Q256。

2.2.1地磁傳感器電路設計

地磁傳感器選擇HMC1052，其靈敏度≥50 nT/uV，,線性誤差≤1×10-4，零漂≯±1 mV，敏感軸垂直度誤差≯0.01°，工作原理如圖3所示。在工作前，需要用一個脈沖電壓對傳感器進行置位復位，置復位原理如圖4所示。

圖3 地磁傳感器工作原理示意圖

圖4 地磁傳感器置位復位原理示意圖

2.2.2小量程加速度計電路設計

彈丸飛行過程中，軸向加速度計受到空氣阻力，徑向加速度計由于安裝誤差承受離心加速度并隨著彈體轉動加速度值有≯±1g的周期性重力加速度分量變化，在此應用環境下選擇小量程加速度計選擇ADXL1002，量程為±50g,原理如圖5所示，通過兩個RC濾波電路濾除高頻噪聲。

圖5 小量程加速度計原理示意圖

3 存儲測試系統軟件設計

在存儲測試系統軟件設計部分，首先對存儲器寫入方式進行設計，再進行整個系統軟件設計。

3.1 存儲器編程方式

本文軟件設計基于以下三點原因針對W25Q256選擇頁編程方式進行寫入：

1) FLASH存儲器在寫入前需要對存儲器進行擦除，擦除時間較長，所以在彈上采集和存儲過程中不能循環寫入，FLASH存儲器使用頁編程并通過控制器中的RAM累積數據并通過DMA進行數據傳輸更能節省CPU的占用時間，累積數據量需要在一個AD轉換間隔內完成數據傳輸，經過試驗驗證頁編程滿足相關時序要求。

2) 本方案采用大量程加速度計觸發采樣的方式，為了測試得到更完整的數據，參考鐵電存儲器的可以循環寫入的優點，在STM32F401內部選出一段RAM區進行循環讀取，當觸發信號出現，將RAM區數據通過頁編程方式全部存入FLASH存儲器。

3) 使用數據按頁寫入，可以對頁進行編號，在數據讀取后對數據存儲的可靠性進行校核。

3.2 系統軟件總體設計

存儲測試系統軟件功能上分為在上彈前的數據擦除、發射后彈上的數據采集與存儲和回收后的數據讀取3部分。上彈前的數據擦除主要是通過串口發送指令控制STM32F401通過SPI總線向存儲器芯片發送擦除指令；回收后的數據讀取主要是通過串口發送指令控制STM32F401通過SPI總線向存儲器芯片發送發出數據讀取指令和讀取地址，并將數據讀入STM32F401,再將數據通過串口發送給上位機。彈上數據采集與存儲部分流程如圖6所示。

圖6 彈上數據采集與存儲流程框圖

如圖6所示，系統上電復位，初始化，等待指令。收到上位機發送的數據采集與存儲指令后，首先根據通信協議信息產生nmin的延時，在延時期間完成存儲測試裝置的裝配，并裝入測試火炮中，以免上彈過載產生誤觸發信號；延時結束后開始AD轉換，并按照3.1節所述存入RAM區，同時等待觸發信號出現；在觸發信號出現后開始進行數據存儲，在兩次AD轉換期間將RAM區數據通過DMA方式傳入存儲器，開始下一次RAM區累計，累計滿后存入存儲器；存儲器存滿停止采樣。

4 測試系統實驗及數據分析

該存儲測試裝置通過螺紋旋入彈內，其中一部分在彈體外部，一部分在彈體內部。考慮到彈體外殼是鐵磁性材料，地磁傳感器置于彈體內部測量地磁信號時會受到影響所以傳感器部分需要置于彈體外部。存儲測試裝置受到的落地過載可能使彈體外部部分受到損壞，所以數據存儲模塊需要置于彈體內部。基于以上分析設計圖7所示存儲測試裝置機械結構。對存儲測試裝置進行裝配、灌封、高低溫測試后進行電氣性能最終測試，測試完成后進行火炮試驗。

圖7 硬件機構結構

4.1 過載數據分析

圖8所示過載測試曲線為本測試系統測試得到的炮口過載和落點過載信息，膛內運動持續時間約為0.027 s，膛內過載隨膛壓變化先增大后減小，在約0.005 s取到最大值8 401 g，在炮口后效期振動大于4 000 g，落點過載20 000 g左右。

圖8 過載測試曲線

4.2 出炮口附近多傳感器數據

圖9為出炮口附近的大量程加速度計、單軸小量程加速度計和單軸地磁傳感器曲線(由于縱軸單位不統一，故隱去刻度)。從圖中可知，火炮內彈道過程電磁環境復雜，地磁傳感器失效，在出炮口處即0.027 s地磁傳感器恢復正常，所測數據隨彈丸轉動周期性變化。炮口后效期在地磁傳感器轉動1.25個周期后結束，結束時間約為0.032 s。加速度傳感器在炮口后效期結束后0.02 s數據恢復正常，在此期間，地磁傳感器又轉過0.5個周期。

圖9 出炮口附近多傳感器數據

4.3 基于地磁傳感器和小量程加速度計數據進行轉速分析

圖10和圖11為小量程加速度計和地磁傳感器彈道全局、彈道起點、彈道中間和彈道末端的曲線，分別取十個周期求平均值測得初始轉速、彈道中間段轉速和彈道末端轉速，并根據初速雷達測得速度求得初始轉速，雷達測得初速為517.23 m/s,可算出初始轉速為166.9 r/s，有關初始轉速數據如表1所示。

圖10 小量程加速度計曲線

圖11 地磁傳感器曲線

表1 初始轉速數據

飛行階段雷達解算轉速/(轉·s-1)地磁解算轉速/(轉·s-1)加速度計解算轉速/(轉·s-1)彈道起點166.9171.1169.5彈道中間—152.8148.9彈道終點—135.5127.9

4.4 基于地磁傳感器包絡數據進行章動周期分析

圖12和圖13為地磁傳感器下端包絡曲線和上端包絡曲線，從數據能夠看出在出炮口附近，彈丸運動呈現明顯的進動和章動組合的兩圓運動趨勢，進動周期為0.5 s，章動周期為0.07 s。在整個彈道過程中，進動呈先變大后變小趨勢，章動呈逐漸減小趨勢。在彈道末段，只能看到明顯的進動，進動周期為1 s。

圖12 地磁傳感器數據底部包絡曲線

圖13 地磁傳感器數據頂部包絡曲線

5 結論

本文將存儲測試技術和閾值觸發技術用于高動態旋轉穩定彈的彈道環境參數測量，實現了多傳感器融合的彈道環境參數測試系統軟硬件設計，并通過實驗證明了數據存儲的完整性，可靠性。

本文對彈丸發射過載進行分析，數據表明彈丸所受大過載一次在最大膛壓處，第二次在炮口后效期；本文對出炮口附近的大量程加速度計、小量程加速度計和地磁傳感器數據進行對比，表明彈丸在膛內電磁環境復雜，地磁傳感器和小量程加速度計失效，在出炮口地磁傳感器恢復正常，在炮口后效期后小量程加速度計恢復正常。

本文通過對地磁傳感器和加速度計出炮口、彈道中間段和彈道末段數據對比分析，得出轉速變化規律；本文對地磁傳感器提取包絡，揭示整個彈道過程中的章動周期變化的規律，進動在出炮口和彈道末段較大，彈道中間段較小，章動在出炮口最大，然后逐漸變小，在出炮口處表現出明顯的兩圓運動趨勢。