坦克火控系統自動化測試平臺設計

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

坦克火控系統是控制坦克武器瞄準和發射的系統，主要用以縮短射擊反應時間，提高首發命中率[1]。坦克火控系統測試是坦克生產、研制過程中必不可少的一個環節，主要包括系統功能聯調和指標量化測試兩部分。功能調試是指測試員根據系統各部件的功能，通過一定操作確認其是否具有相應功能且沒有異常[2-3]。量化指標測試是指測試人員通過測試、計算一些技術指標，判斷坦克火控系統綜合性能是否滿足設計要求。目前，坦克火控系統的功能調試和指標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化測試方案，實現了自動化測試平臺設計，提高坦克火控系統測試水平。

2 坦克火控系統人工測試流程分析

2.1 人工測試流程

坦克火控系統人工測試時，測試人員首先對坦克火控進行系統功能聯調。在確定各火控系統部件功能具備且一切正常后，對整個火控系統在不同工況下的目標角速度、漂移、高速調炮等量化指標進行測試，其中除只需測出實際角速度的最大調炮速度指標以外，其余指標均需按照測試要求對火炮運動角速度進行精準控制，具體見表1所示。如圖1所示，檢測時需要將激光筆固定在火炮炮口后，1名操作人員在炮塔內控制操縱臺驅動炮塔運動，另一名測試人員在炮塔外部對投射在炮塔前方的靶板進行觀察，通過觀察激光點在靶板上移動的距離和所耗時間，計算出實際火炮運動的平均角速度值，最終與炮塔內操作人員所讀出的系統顯示角速度進行比較。若數值誤差小于一定百分比，則判定火控系統工作正常。

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

圖1 坦克火控系統人工測試示意圖

2.2 人工測試缺陷

通過對測試過程分析可知，傳統人工測試方法雖然能夠基本滿足對坦克火控系統功能調試和指標量化測試的需求，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節較多，在觀察靶板激光點位置、記錄光點移動時間、測試開始和停止時人員溝通配合時，會將視覺偏差、人員溝通的反應時間等不可控因素引入測試結果，在一定程度上降低了測試的準確性。

2) 操作難度高：若想測試結果準確，必須保證炮塔內操作人員能夠持續穩定的控制操縱臺，進而使炮塔以某一固定角速度持續運動一段時間。但由于整個測試時間較長，工藝炮塔內空間狹窄、舒適度差，操作人員很難保證炮塔運動角速度在測試過程中穩定在某一定值。一旦角速度出現較大波動，便需要重新進行測試，在極大增加操作人員勞動強度的同時，也會在很大程度上影響測試結果的準確性。

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

4) 耗費人工：每套坦克火控系統測試至少需要一名操作人員在炮塔內扳動操縱臺，一名測試人員在外部觀測記錄炮塔運動狀態，人工成本較高。

由上述分析可知，傳統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、耗費人工的缺陷，很大程度阻礙了坦克火控系統生產和研發的效率和水平，急需引入自動化測試技術對坦克火控系統的測試方法進行改進提升，以提高測試效率和精度，降低人工成本[4-5]。

3 自動化測試工藝流程規劃

3.1 人工測試工藝流程分解

在進行自動化測試平臺方案設計前，首先需要對人工測試流程進行分解。根據目的不同，可以將傳統人工測試過程分為3個部分，分別是炮塔操控、炮塔測試數據記錄、炮塔運動狀態判斷和數據分析。炮塔操控是指操作人員通過扳動操縱臺來控制炮塔轉動，炮塔測試數據記錄是指檢測人員對炮塔轉動角度、轉動時間的記錄。同時，在整個測試過程中，需要操作人員實時判斷炮塔轉動速度是否符合檢測要求并扳動操縱臺進行修正，測試人員對測試數據進行計算處理進而判斷系統是否工作正常，即炮塔運動狀態判斷和數據分析。

3.2 自動化測試工藝規劃

作為對人工測試工藝流程的一一對應，將自動化測試平臺規劃為炮塔控制、操縱臺驅動和火炮數據采集3個部分，實現對坦克火控系統的功能聯調與指標量化測試。為實現以上功能，項目組以測試傳感器、上位機、操縱臺驅動機構等組成的自動化測試平臺并搭配工藝炮塔(含工藝操縱臺)和產品操縱臺，形成自動化測試的工藝方案，如圖2所示。

圖2 自動化測試平臺規劃框圖

為同時滿足炮塔調試和測試需求，本測試平臺采用了工藝操縱臺和產品操縱臺并聯的工藝方案。安裝在炮塔內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品操縱臺供測試平臺進行量化指標測試使用。

首先，操作人員在炮塔內利用工藝操縱臺對火控系統部件進行功能測試。在確定系統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選擇已經內置的測試項目并啟動測試。此時，根據測試項目需求，上位機給出控制信號，通過控制操縱臺驅動機構工作來轉動安裝于炮塔外部的產品操縱臺，進而使炮塔開始運動。同時，測試傳感器實時采集炮塔運動數據并反饋給上位機，對操縱臺驅動機構控制信號進行實時修正，進而實現操縱臺驅動的閉環控制，最終將炮塔運動角速度穩定在某一固定數值。在此過中，上位機對炮塔實際運動數據和火控計算機提供的數據進行實時記錄，并在持續一段時間后對所有數據進行對比分析和處理，得出系統指標是否合格的結論。最終，將測試數據和結論以表格的方式列出并打印，測試人員即可得到測試結果[6-7]，流程如圖3所示。

圖3 坦克火控系統自動化測試工藝流程

4 自動化測試平臺方案設計

4.1 操作平臺方案設計

根據功能需求，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3部分組成，如圖4所示。上位機作為中控部分，完成控制操縱臺驅動機構工作、發出測試信號、接收采集的數據、數據分析和處理等諸多功能，是整個測試平臺的控制部分的同時，也是指令輸入部分。

圖4 自動化測試操作平臺方案建模

其中，上位機功能主要由電腦實現，利用內部編譯好的控制軟件，上位機一方面可供測試人員進行測試項目選擇，另一方面可以完成驅動控制信號接收、數據采集處理、測試結果顯示與打印等功能。操縱臺工位主要實現操縱臺的驅動控制與機構執行功能，其中操縱臺驅動機構采用伺服驅動控制，通過驅動電機旋轉操縱臺手柄來實現炮塔運動的控制，主要由操縱臺固定和驅動2部分組成。利用操縱臺的外形特點，方案中使用彈簧輔助的快速拆裝設計，如圖5(a)所示，可以節省安裝時間，提高工作效率。并且，與操縱臺手柄連接的驅動部分使用了可調方案，如圖5(b)所示，驅動機構可以使用多種型號操縱臺，提高適用性[8-9]。

圖5 操縱臺控制機構

4.2 數據采集部分設計

炮塔的運動分為水平炮塔回轉運動和主炮俯仰轉動運動，如圖6所示。因此，根據測試要求，需要對炮塔運動的水平和俯仰的轉動角速度進行采集，角速度測試范圍從0.06(°)/s到40(°)/s。根據測試指標特點，決定利用霍爾傳感器(見圖7)對大于3(°)/s高速大行程指標進行數據采集，利用弧形磁柵尺(見圖7)對小于3(°)/s的低速小行程指標進行采集[10-13]。

圖6 炮塔數據采集示意圖

圖7 霍爾傳感器和弧形磁柵尺

4.2.1大行程運動數據采集

在進行如高速調炮等指標測試時需要炮塔旋轉一周，測試過程中不僅炮塔運動速度快，而且行程很大。在測試此類指標時，利用工藝炮塔的外形特點，將霍爾傳感器安裝在炮塔座圈處，當座圈齒頂和齒底交替經過霍爾元件時，穿過霍爾元件的磁通量大小會發生交替變化，從而引起霍爾元件的電壓變化，輸出一個標準正弦波電壓信號。通過使用信號處理電路將其轉換成標準脈沖信號，便可以實現準確的計數功能，進而根據式(1)和式(2)計算出炮塔的轉動角速度。

ω=2πn

(1)

(2)

炮塔座圈齒數為Z，測試起始時間為t1，測試結束時間為t2，傳感器測得的脈沖數量為N。利用式(1)和式(2)，可以得到炮塔水平轉動速度，完成量化指標的準確測量。

4.2.2小行程運動數據采集

基于實際條件，針對小行程和低速指標，利用弧形磁柵尺采集。弧形磁柵尺測試精度較高，十分適合對火炮轉動角速度進行實時采集。通過測出火炮轉動過程中的相對位移變化S、測試起止時間t1和t2，可以根據式(3)計算出火炮轉動過程中的實時角速度值。

ω=S/(t2-t1)

(3)

4.2.3數據篩選

由于火炮運動到指定要求的速度需要一個過程，所以數據采集后，通過設置角速度上下限，完成對不符合測試工況要求的數據剔除，如圖8所示，最終留存下有效數據，提高測試的準確性[14-16]。

圖8 數據剔除原理示意圖

4.3 測試軟件部分設計

對于采集到的數據，需要編寫軟件進行分析處理后，才能得到最終的測試結果。本平臺測試軟件包含以下功能：

1) 當采集的數據實時回傳給測試平臺后，測試軟件根據采集的數據完成測試指標的自動計算，同時與火控計算機輸出的顯示數據進行比對并計算出誤差值，最終給出是否合格的結論。

2) 對于經過測試不滿足指標要求的數據，軟件會自動提示，并留存相應指標的所有有效數據，以備后續進行系統故障排查。

3) 測試完成后，將所有指標測試結果匯總后形成電子表格，并自動打印輸出。

5 測試平臺應用效果測試

根據如上設計方案，對測試平臺進行工程設計和試制，并將樣機實際應用于坦克火控系統生產測試中。為驗證測試平臺應用效果，項目組采用人工測試和自動化測試2種方法，分別對5套坦克火控系統進行實際測試情況對比，結果如表2所示。通過測試時間和測試數據的記錄與統計，證明在使用測試平臺對坦克火控系統測試的情況下，可以將每套火控系統測試時間由1 h縮短到15 min，耗費人工成本由2.13工時降低到0.25工時，依賴傳感器進行測試的角速度控制精度幾乎達到100%。

表2 坦克火控系統自動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 結論

本文通過分析和梳理坦克火控系統測試要求和流程，基于操作平臺、數據采集、測試軟件3個部分對坦克火控系統自動化測試平臺進行設計，實現了坦克火控系統功能聯調和量化指標自動檢測的并聯進行。通過實際應用測試，證明測試平臺可以提高坦克火控系統測試效率、降低人工成本、提高測試精度，為實現坦克火控系統自動化測試提供了實現途徑。