基于MEMS加速度計的水下目標觸發探測器

張小瑜, 梁軍利, 蔡 鵬, 陳銀鳳, 賀云飛

基于MEMS加速度計的水下目標觸發探測器

張小瑜1, 梁軍利2, 蔡 鵬1, 陳銀鳳1, 賀云飛1

(1. 中船重工西安東儀科工集團有限公司, 陜西 西安, 710065; 2. 中國空間技術研究院西安分院, 陜西 西安, 710100)

定向起爆技術在自主攻擊型水下航行器上的應用, 需要水下目標觸發探測器能夠提供目標方位信息; 同時, 為了應對不同性質的水下目標, 需要水下目標觸發探測器能夠隨時更改觸發閾值。現有的以機械式慣性開關作為敏感部件的水下目標觸發探測器無法感知目標方位、無法更改觸發閾值。基于此, 文中采用微機電系統(MEMS)加速度計作為慣性敏感部件, 并與嵌入式微處理器技術結合, 設計了一種基于MEMS加速度計的水下目標觸發探測器。分析了輸入信號的特性, 規劃了輸出信號形式, 介紹了水下目標觸發探測器的總體技術方案及軟、硬件實現途徑, 并對原理樣機進行了幾種典型工況下的功能試驗。試驗結果表明, 基于MEMS加速度計的水下目標觸發探測器技術方案有效、可行, 能夠實現感知和輸出目標方位信息、在線更改觸發閾值的功能。

水下航行器; 水下目標觸發探測器; 微機電系統加速度計; 定向起爆

0 引言

水下目標觸發探測器是自主攻擊型水下航行器感觸目標的重要方式。目前, 國內的水下目標觸發探測器多采用機械式的慣性開關作為慣性敏感部件, 依靠慣性開關在水下航行器與目標相撞時產生的加速度作用下的瞬間閉合, 導通放電回路, 輸出放電脈沖, 毀傷裝置在收到放電脈沖后完成對目標的攻擊。

為了在有限的空間和質量條件下提高水下航行器對目標的毀傷效果, 人們開展了水下定向起爆技術的研究。定向起爆作為起爆技術領域的前沿技術[1], 近年來得到了較快發展, 其在水下具有廣泛的應用前景[2-6]。采用定向起爆方式可使能量在匯聚方向上得到增強[7], 能量密度提高幾十倍[8], 顯著提高對目標的毀傷效能。而實現定向起爆的必要條件之一就是水下目標觸發探測器能夠提供目標的方位信息。

此外, 隨著水下目標的進一步多樣化、復雜化, 攻擊型自主水下航行器在應對不同大小、不同材質目標時, 需要水下目標觸發探測器能夠隨時根據指令改變觸發閾值, 即水下目標觸發探測器應具備觸發閾值的在線更改功能。

慣性開關作為水下目標觸發探測器的慣性敏感部件, 雖然具有結構緊湊, 技術成熟, 可以敏感全方向上的加速度等優點, 但隨著人們對水下目標觸發探測器功能要求的增多, 其逐漸暴露出觸發閾值固定不可更改、無法感知目標方位等不足, 制約了水下航行器應對不同目標的能力及定向起爆技術在水下的發展和應用。

近年來, 微機電系統(micro electro mechanical system, MEMS)技術的迅速發展, 為水下目標觸發探測器小型化和智能化提供了技術支撐。美國海軍水面武器中心多年前就已經成功研制并演示了水下MEMS目標觸發探測器, 這是最早的集成化微機電水下目標觸發探測器[9]。文獻[10]和[11]對微機電技術在目標探測領域中的應用現狀及發展趨勢進行了系統性的分析研究, 結果表明: 國外已經掌握了目標探測領域MEMS器件級、組件級、系統集成的設計和生產技術, 并有相關研究成果公布, 但具體技術細節尚不明確; 與國外比較, 國內MEMS技術在目標探測領域中的應用還有很大的差距, 目前主要處于MEMS器件級研究, 對MEMS組件級研究還處于探索發展中。文獻[12]講述了MEMS加速度傳感器在空間目標探測中的應用, 介紹了MEMS加速度傳感器的主要類型、作用原理和發展方向, 但未說明具體的應用方案。

在國內水下無人系統領域, MEMS技術的應用還主要限于慣性導航方面, 涉及MEMS技術在水下目標探測方面的研究文獻并不多見。

基于此, 為了解決現有以機械式慣性開關作為敏感部件的水下目標觸發探測器存在的不足, 文中提出了一種以MEMS加速度計為慣性敏感部件、以嵌入式微處理器為核心的組件級水下目標觸發探測器, 該水下目標觸發探測器智能化程度高, 能夠感知與目標相撞時在、、3個軸向的加速度, 具有可設定和更改觸發閾值、感知和輸出目標方位信息等功能, 能夠滿足水下航行器定向起爆及應對不同目標的要求。

1 系統功能梳理

根據定向起爆及應對不同目標的功能需求, 以及水下航行器和外部環境所提供的信息, 將水下目標觸發探測器系統功能梳理如下：

1) 水下目標觸發探測器應能夠對接收到的啟動信號、海水壓力和安全距離動作電壓等環境信號及攻擊指令進行隔離、匹配和識別;

2) 水下目標觸發探測器應能夠對與目標相撞時的加速度進行感知和采集, 并通過信息融合判定及數據計算, 在保險解除、加速度達到設定閾值時, 適時輸出目標有效信號及目標方位信息, 由毀傷裝置實施定向起爆, 達到對目標的最優毀傷效果;

3) 水下目標觸發探測器還應具備與水下航行器的通信功能, 能夠接收觸發閾值更改指令并上傳自身工作狀態信息。

2 輸入分析及輸出規劃

2.1 輸入分析

水下目標觸發探測器的輸入信息包括電源、環境信息及水下航行器發出的其他指令。

水下目標觸發探測器的電源由水下航行器提供, 一般為直流電源。

環境信息及其他指令包括啟動信號、海水壓力開關動作信號、安全距離動作信號、攻擊指令以及與目標相撞的加速度等, 除了與目標相撞的加速度以外, 其他信號為開關量或矩形正脈沖電信號。

與目標相撞的加速度是指水下航行器與目標相撞時, 水下目標觸發探測器部位的加速度, 它是水下目標觸發探測器需要處理的主要信號源。根據與目標相撞加速度的大小是否達到規定閾值, 可以判斷水下航行器是有效擊中目標, 還是航行中受到干擾或對抗; 同時, 根據與目標相撞加速度的方向, 可知目標對水下航行器施加的沖擊力的方向, 結合水下航行器外部形狀及水下目標觸發探測器的安裝位置, 即可判斷目標相對水下航行器的具體方位。對于有較大長徑比、水下目標觸發探測器的安裝位置靠近頭部的圓柱形水下航行器, 與目標相撞的加速度在水下航行器軸線方向的分量與總加速度的比值為命中角(水下航行器軸線與撞擊面的夾角)的正弦, 通過計算該比值的反正弦, 可得命中角, 由命中角大小可判斷正碰(垂直命中)或是斜碰; 當斜碰時, 與目標相撞的加速度在垂直水下航行器軸線的橫截面上投影的反方向即為目標的周向方位, 通過計算與目標相撞的加速度在該橫截面上2個垂直方向分量比值的反三角函數, 可得目標在周向的方位角。

在不同的相對速度和碰撞角度下, 水下航行器與目標撞擊時水下目標觸發探測器部位的加速度響應是不同的。正碰時, 軸向加速度最大; 斜碰時, 軸向加速度減小, 徑向加速度增大; 碰撞速度越高, 加速度響應峰值也越大, 但其隨時間變化的規律基本一致。在1.76 m/s、2.37 m/s、3.20 m/s及3.59 m/s等不同速度下相撞, 正碰時水下目標觸發探測器部位加速度響應峰值最大約80, 持續時間約10 ms[13]。

2.2 輸出規劃

首先, 水下目標觸發探測器應能適時輸出目標有效信號, 目標有效信號可采用1路5 V抗干擾能力強、適配性好的晶體管-晶體管邏輯電平(transistor-transistor logic, TTL)信號。其次, 根據對水下定向起爆方式與威力場關系的研究, 發現采用8分圓相鄰三線起爆與后端面起爆相結合的毀傷方式是一種切實可行、能夠獲得較大的定向能量增益區域且相對較優的定向起爆方案[14-15]。

為此, 水下目標觸發探測器應能判定目標的方位是在水下航行器軸向前方或是在其圓周1/8方位中的具體某一個, 并將該方位信息傳輸給毀傷裝置。設計時采用4路5 V TTL數字信號0、1、2、3承載目標方位信息。其中:0=1時, 表示目標在水下航行器軸向前方;0=0時, 表示目標在水下航行器圓周方向;1、2、3表示目標在圓周方向的具體方位, 定義見表1, 方位示意見圖1。采用4位數字信號可有效且全面地表示目標相對水下航行器的方位, 具有抗干擾能力強、適配性好的特點。在水下航行器命中目標、水下目標觸發探測器輸出1路目標有效信號的同時, 還輸出4位表示目標方位信息的數字信號。

表1 目標周向方位代碼表

圖1 目標周向方位示意圖

2.3 通信接口規劃

為了在水下航行器的實航過程中接收與目標相撞加速度的閾值更改指令及數據信息, 同時將水下目標觸發探測器的工作狀態及輸出的目標有效信號和目標方位信息實時上傳給水下航行器的信息管理及內測裝置, 水下目標觸發探測器采用了在船舶領域已經廣泛應用的控制器局域網絡(controller area network, CAN)通信接口。CAN通信接口具有實時性強、成本低、抗電磁干擾能力強、傳輸距離遠等優點, 能夠滿足水下目標觸發探測器與水下航行器之間的通信需求。

3 系統設計

根據水下目標觸發探測器的功能以及對其輸入、輸出信息類型、幅值、脈寬等參數的分析, 結合現有成熟的傳感器、微處理器和電子技術, 可由MEMS加速度計、嵌入式微處理器系統、輸入信號隔離匹配模塊、輸出驅動模塊、電源模塊、CAN通信驅動模塊以及串行外設接口(serial peripheral interface, SPI)通信模塊等組成完整系統。系統原理框圖如圖2所示。其中RXD(receive external data)為接收外部數據, TXD(transmit external data)為向外部發送數據。

圖2 系統原理方框圖

1) MEMS加速度計上電后持續感知水下目標觸發探測器部位在、、3個軸向上的加速度, 并通過SPI數字接口將數據傳輸給嵌入式微處理器。

2) 嵌入式微處理器為水下目標觸發探測器的核心控制芯片, 對隔離、匹配后的啟動信號、海水壓力開關動作信號、安全距離動作信號和攻擊指令等進行融合判斷, 待判定保險解除后, 對收到的、、等3路加速度值進行實時解算, 得到總加速度值和目標方位信息, 當總加速度值達到設定閾值時, 輸出1路目標有效信號和4路目標方位信息, 均為3.3 V數字信號。

3) 信號隔離匹配模塊將啟動信號、海水壓力開關動作信號、安全距離動作信號和攻擊指令等開關量進行隔離和匹配, 轉換為嵌入式微處理器可以讀取的+3.3 V數字量。

4) 輸出驅動模塊將嵌入式微處理器輸出的3.3 V數字信號轉換為具有一定帶載能力的+5 V數字信號, 便于后級毀傷裝置進行信號處理。

5) CAN通信模塊包括CAN通信總線驅動和CAN信號隔離兩部分, 用于將嵌入式微控制器內部集成的CAN控制器輸出的TTL電平進行隔離, 實現二進制碼流與通信差分信號之間的轉換。

6) 二次電源模塊將水下航行器提供的直流電源轉換為穩定輸出的+5 V直流電源供CAN通信模塊、輸出驅動模塊使用; 輸出的+3.3 V直流電源供MEMS加速度計、嵌入式微處理器和信號隔離匹配模塊使用。

水下目標觸發探測器工作時, 微處理器對啟動信號、海水壓力開關動作信號、安全距離動作信號和攻擊指令進行綜合判斷。保險解除后, MEMS加速度計感知3個軸向的加速度分量, 微處理器通過SPI串行通信接口對其進行數據采集, 經解算得到總加速度值, 當總加速度值達到設定閾值時, 再對目標方位信息進行解算, 并同時輸出目標有效信號和目標方位信息。同時, 以CAN2.0B擴展幀格式將數據按協議要求發送至水下航行器的信息管理及內測裝置。系統直流-直流(DC-DC)電源設計采用隔離、濾波措施, 防止外部和內部的各種干擾。整個設計以微處理器、MEMS加速度計為核心, 配合外圍電路完成各項功能的實現。

4 硬件設計

4.1 MEMS加速度計的選取

由于水下目標觸發探測器所處的特殊環境, 對 MEMS 加速度計提出了苛刻要求: 抗高過載、體積小、質量輕、功耗低。同時, 根據對系統的輸入分析, MEMS加速度計需要敏感的加速度為3個軸向、最大峰值約80、持續時間約10 ms。

考慮設計冗余及器件的降額使用, 應選用量程大于160、分辨率2以內、數據輸出間隔小于1 ms的三軸加速度計。為此, 擬采用AD公司的ADXL375EP型3軸數字MEMS加速度計, 該型加速度計在、、3個軸向的測量范圍均為±200, 數據輸出速率可達3.2 kHz(即數據輸出間隔0.31 ms), 分辨率0.05, 抗沖擊能力達10 000, 各項參數均優于系統設計需求。另外, 該型MEMS加速度計還具有功耗小、體積小、溫度范圍寬等特點, 能夠滿足該探測器的使用要求。該型MEMS加速度計采用4線SPI串行通信時的應用接線圖見圖3。

圖3 ADXL375EP型MEMS加速度計應用接線圖

4.2 嵌入式微處理器的選取

嵌入式微處理器為系統的核心數據處理芯片, 要求穩定性高、速度快、計算能力強、具備集成SPI接口、CAN控制器、聯合測試工作組 (joint test action group, JTAG)調試接口。設計時選用意法半導體公司基于ARM@Cortex-M3內核的STM32F1系列32位芯片STM32F103CBT6為主控制芯片。該微處理器工作電壓為3.3 V, 高達72 MHz的CPU時鐘頻率, 128 KB Flash存儲器, 24位減法計數器, 3個16位通用定時器和一個CAN接口, 一個JTAG調試接口, 在設計開發時可通過仿真器的JTAG接口將軟件程序下載到內部Flash存儲器中, 能夠滿足該探測器的使用要求。

4.3 信號隔離匹配模塊電路設計

信號隔離匹配模塊用于將4路開關量進行隔離和匹配, 轉換為+3.3 V數字量。可采用光耦TLP521-4, 并輔以電阻器和+3.3 V電源等實現功能。光耦TLP521-4的內部由4個獨立的光耦單元組成, 集射極電壓可達55 V, 隔離電壓2 500 Vrms以上, 能夠滿足系統需求。+3.3 V電源由系統的二次電源模塊提供。信號隔離匹配模塊單個單元的電路原理如圖4所示。

圖4 信號隔離匹配電路單元原理圖

4.4 輸出驅動模塊電路設計

輸出驅動模塊將來自嵌入式微處理器輸出的5路3.3 V數字信號轉換為具有一定帶載能力的+5 V數字信號。可采用比較器LM139、非門CD4049, 并輔以電阻器和+5 V電源等實現功能。+5 V電源由系統的二次電源模塊提供。輸出驅動模塊單個單元的電路原理如圖5所示, 圖中A點的電壓值設定為2 V。

圖5 輸出驅動電路單元原理圖

4.5 CAN通信模塊電路設計

CAN通信模塊包括CAN通信總線驅動和CAN信號隔離兩部分。CAN總線電平為顯性或隱性電平, 需要轉換才能與TTL電平進行連接, CAN總線驅動器用于實現電平轉換功能, 驅動器的CANH和CANL輸出采用120 Ω反射電阻與負載連接, 總線驅動器選用TJA1050T。文中設計的微處理器選用STM32F103CBT6, 由于其內部集成有CAN控制器, 可對通信的波特率、通信方式等進行設置, 兼容CAN2.0A和CAN2.0B 2種方式, 采用CAN2.0B數據幀格式進行傳輸。CAN驅動器的RXD信號經光耦隔離后接在嵌入式微控制器CAN通信口的CAN_RXD端, 嵌入式微控制器CAN通信口的CAN_TXD端經光耦隔離后接在CAN驅動器的TXD端, CAN通信的波特率、通信方式等通過軟件進行設置。由于CAN通信的波特率為1Baud, 所以光電隔離器采用高速光耦, 傳輸速率大于1Mbit/s , 文中設計光電隔離器采用高速光耦HCPL-0661。CAN 通信模塊的供電電源+5 V, 該電源由輸入直流電源穩壓得到。CAN通信模塊原理圖如圖6所示。

圖6 信號隔離驅動模塊電路圖

4.6 二次電源模塊設計

二次電源模塊將輸入的直流電源轉換為直流+5 V及+3.3 V。首先, 采用NS公司生產的降壓開關型集成穩壓電路LM2576, 將直流電源輸入轉換為5 V輸出。LM2576的最高輸入電壓40 V, 最大輸出電流3 A, 具有兼容TTL電平、功耗小、外圍器件少、線性度好及負載調節特性等特點。輸出+5 V直流電壓供CAN通信模塊、輸出驅動模塊使用, 并用于變換產生直流+3.3 V。二次電源模塊中+5 V電路原理圖如圖7所示。

其次, 為了避免外界噪聲對MEMS加速度計輸出信號及微處理器產生干擾, 采用Mornsun公司的B0505S-1W電源模塊將+5 V進行隔離, 隔離后的+5 V再通過 ASM1117 3.3 V固定電壓穩壓器輸出穩定的直流+3.3 V, 用于給MEMS加速度計、嵌入式微處理器和信號隔離匹配模塊供電。二次電源模塊中+3.3 V電路原理圖如圖8所示。

圖7 +5 V電路圖

圖8 +3.3 V電路圖

5 軟件設計

水下目標觸發探測器上電后, 軟件首先進行系統初始化, 初始化過程包含微處理器I/O端口初始化、SPI端口初始化、CAN總線初始化、保險解除模塊初始化、數據處理模塊初始化、系統自檢模塊初始化和定時器(0、1)初始化共7個部分。初始化完成后, 啟動0定時器開始進行CAN通信, 接收閾值修訂信息, 并發送環境信息及指令、閾值、解保、點火、目標方位等信息; 同時, 保險解除模塊從I/O端口讀取啟動信號、海水壓力開關動作信號、安全距離動作信號、攻擊指令等環境信息及指令, 并進行綜合判斷。待判定保險解除后, 啟動1定時器通過SPI串行通信端口采集MEMS加速度計的、、3路加速度原始數據。數據處理模塊對采集的、、3個軸向的加速度進行矢量計算, 得到總加速度值, 并與設定閾值進行比較。當總加速度值達到設定閾值時, 再根據總加速度值與、、3個軸向的加速度值解算出目標方位信息, 按表1規定輸出目標有效信號及目標方位信息。

該水下目標觸發探測器軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

6 試驗驗證

為了驗證基于 MEMS 加速度計的水下目標觸發探測器的可行性, 將搭建的原理樣機固定在沖擊臺上進行沖擊試驗。用沖擊測量儀監測施加給MEMS 加速度計的沖擊峰值和脈寬; 用數字示波器監測系統輸出的1路目標有效信號和4 路目標方位信息; 用帶CAN-USB轉換接頭的計算機與系統進行CAN 通信, 更改觸發閾值并接收目標有效信號和4路目標方位信息。系統在軟件下載時將初始觸發閾值設為20。

1) 模擬水下航行器垂直命中目標

試驗條件: 調整設置沖擊臺, 使MEMS 加速度計的向沖擊加速度分別為-18-22,向、向加速度均為0。發出環境信息及指令使系統解除保險, 啟動沖擊臺, 觀察沖擊測量儀實測的沖擊加速度值, 同時觀察示波器和計算機, 記錄波形和數據。

2) 模擬水下航行器側向命中目標

試驗條件: 調整設置沖擊臺, 使MEMS 加速度計的向沖擊加速度分別為-18、-22,向、向加速度均為0。發出環境信息及指令使系統解除保險, 啟動沖擊臺, 觀察沖擊測量儀實測的沖擊加速度值, 同時觀察示波器和計算機, 記錄波形和數據。

3) 模擬水下航行器發控裝置更改觸發閾值

試驗條件: 通過計算機CAN將觸發閾值改為10, 調整設置沖擊臺, 使MEMS 加速度計的向沖擊加速度分別為–8、–12,、向加速度均為0。發出環境信息及指令使系統解除保險, 啟動沖擊臺, 觀察沖擊測量儀實測的沖擊加速度值, 同時觀察示波器和計算機, 記錄波形和數據。

試驗結果: 當系統垂直命中目標且施加的加速度峰值達到設定閾值時, 系統輸出目標有效信號和0=1(即目標在正前方), 加速度峰值未達到設定閾值時, 系統無輸出; 當系統側向命中目標且施加的加速度峰值達到設定閾值時, 系統輸出目標有效信號和3210=0100(即目標在右側), 加速度峰值未達到設定閾值時, 系統無輸出; 觸發閾值改為10后, 當系統側向命中目標且加速度峰值達到新設定閾值時, 系統輸出目標有效信號和3210=0100(即目標在右側), 加速度峰值未達到新設定閾值時, 系統無輸出。

通過對水下目標觸發探測器原理樣機進行幾種典型工況的試驗, 表明該系統各項功能正常, 能夠按規定輸出目標有效信號和目標方位信息、可在線更改觸發閾值, 達到預期要求。

7 結束語

為了解決現有水下目標觸發探測器無法感知目標方位、無法更改觸發閾值的問題, 文中提出了一種基于MEMS加速度計的水下目標觸發探測器, 以MEMS加速度計作為慣性敏感部件測量與目標相撞時在、、3個軸向的加速度, 以嵌入式微處理器為核心的硬件電路在軟件配合下進行數據解算、信號處理和通信。文中分析了輸入信號特性, 規劃了輸出信號形式, 介紹了硬件電路的實現方法和軟件流程, 隨后通過原理樣機在幾種典型工況下的功能試驗, 驗證了基于MEMS加速度計的水下目標觸發探測器實現感知輸出目標方位信息、在線更改觸發閾值功能的可行性。文中僅介紹了水下目標觸發探測器的總體技術方案及軟、硬件實現途徑, 下一步工作將重點研究根據水下航行器的外形、水下目標觸發探測器的安裝位置及MEMES加速度計實測、、3個軸向加速度值等數據精確解算目標方位的具體方法, 以及不同性質目標下觸發閾值的確定方法。

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Undersea Target Trigger Detector Based on MEMS Accelerometer

ZHANG Xiao-yu1, LIANG Jun-li2, CAI Peng1, CHEN Yin-feng1, HE Yun-fei1

(1. Xi’an DongYi Science Technology & Industry Group Co., Ltd., China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710065, China; 2. China Academy of Space Technology(Xi’an), Xi’an 710100, China)

The application of directional detonation technology in autonomous attack undersea vehicle requires an undersea target trigger detector to provide target orientation information. At the same time, in order to cope with different undersea targets, the undersea target trigger detector needs to be able to change the trigger threshold at any time. However, the existing undersea target trigger detector with mechanical inertia switch as the sensitive part cannot perceive the target orientation and change the trigger threshold. This study proposes an undersea target trigger detector based on micro-electromechanical system(MEMS) accelerometer by using MEMS accelerometer as inertial sensor and integrating it with embedded microprocessor. The characteristics of the input signal are analyzes, the form of the output signal is planned, the overall technical scheme of the novel undersea target trigger detector and the way to realize the hardware and software are introduced, and function tests are conducted on the principle prototype under several typical working conditions. Experimental results show that the MEMS accelerometer-based undersea target trigger detector is effective and feasible, and it can realize the functions of sensing and outputting target orientation information and online changing the trigger threshold.

undersea vehicle; undersea target trigger detector; micro-electromechanical systems(MEMS) accelerometer; directional detonation

TJ431.7; TB934

A

2096-3920(2020)03-0315-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.012

2019-10-15;

2019-11-28.

張小瑜(1975-), 男, 本科, 主要研究方向為觸發引信技術.

張小瑜, 梁軍利, 蔡鵬, 等. 基于MEMS加速度計的水下目標觸發探測器[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(3): 315-322.

(責任編輯: 許 妍)