3D激光雷達(dá)測(cè)量調(diào)炮精度的檢測(cè)方法與精度分析

唐衛(wèi)，李冬一，劉榆華

(中國(guó)人民解放軍63853部隊(duì)，吉林 白城 137000)

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及定位定向技術(shù)的發(fā)展,火炮傳統(tǒng)的間接瞄準(zhǔn)已逐步被自動(dòng)操瞄所代替。間接瞄準(zhǔn)方式是將火炮射擊諸元裝定好后,通過調(diào)炮使火炮對(duì)準(zhǔn)間接目標(biāo)[1]。目前,壓制火炮實(shí)現(xiàn)首發(fā)命中、精確打擊的呼聲日益高漲。我國(guó)研制的新型地面壓制火炮具有自主定位定向功能,其調(diào)炮精度直接影響武器系統(tǒng)射擊精度[2],是火炮一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo),也是新型地面壓制火炮檢測(cè)中面臨的嶄新挑戰(zhàn)。目前現(xiàn)有的單全站儀、雙經(jīng)緯儀等測(cè)試方法應(yīng)用在火炮調(diào)炮精度測(cè)試上,存在操作過程復(fù)雜、人為誤差引入較多等問題。在新形勢(shì)下,如何更準(zhǔn)更高效地測(cè)量火炮調(diào)炮精度是值得更進(jìn)一步的探索和更深入的研究。當(dāng)前,應(yīng)用3D激光雷達(dá)測(cè)量空間目標(biāo)三維坐標(biāo)的方法已是測(cè)繪工程技術(shù)中日趨成熟的技術(shù)[3-5],因此筆者以3D激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)提出了一種火炮調(diào)炮精度的檢測(cè)方法,并開展了相應(yīng)的可行性分析和精度分析研究。

1 3D激光雷達(dá)測(cè)量調(diào)炮精度檢測(cè)法

1.1 3D激光雷達(dá)的基本工作原理

3D激光雷達(dá)使用其自身定義的坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1所示,X軸在橫向掃描面內(nèi),Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直。

3D激光雷達(dá)的主要任務(wù)是掃描采集目標(biāo)的空間位置信息[6-8],即采用調(diào)頻3D激光雷達(dá)探測(cè)采集被測(cè)目標(biāo)與測(cè)量系統(tǒng)的距離信息,同時(shí)3D激光雷達(dá)的測(cè)量機(jī)構(gòu)繞兩個(gè)相互垂直的軸線旋轉(zhuǎn)(繞Z軸旋轉(zhuǎn)±180°,繞X軸旋轉(zhuǎn)±45°),高精度的高低和方向軸角編碼器獲得角度信息。測(cè)量時(shí)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定測(cè)量范圍并進(jìn)行掃描,指示光斑移動(dòng)到某一位置時(shí),測(cè)量機(jī)構(gòu)繞Z軸旋轉(zhuǎn)α角,繞X軸旋轉(zhuǎn)θ角,α與θ由各自的軸角編碼器精確記錄,輸入計(jì)算機(jī),結(jié)合火炮調(diào)炮高低機(jī)和方向機(jī)所在的平面,最終得出測(cè)量目標(biāo)的高低角與方位角。

由此可得到被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的計(jì)算公式：

(1)

式中：LP為3D激光雷達(dá)測(cè)量頭到待測(cè)點(diǎn)P的空間距離;θ為3D激光雷達(dá)測(cè)量頭和P點(diǎn)的連線與XY平面的夾角;α為3D激光雷達(dá)測(cè)量頭和P點(diǎn)的連線在XY平面的投影與X軸的夾角。

由式(1)可計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)P在以3D激光雷達(dá)測(cè)量頭為原點(diǎn)坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。

1.2 應(yīng)用3D激光雷達(dá)掃描測(cè)量調(diào)炮精度的方法

根據(jù)3D激光雷達(dá)基本工作原理[9],筆者應(yīng)用3D激光雷達(dá)用于掃描火炮身管上(或火箭炮定向管上)能夠代表其軸線方向的兩個(gè)工具球,從而實(shí)現(xiàn)身管軸線的測(cè)量。測(cè)量火箭炮調(diào)炮精度時(shí),將火箭炮調(diào)整水平,確定靠近基準(zhǔn)管且便于觀測(cè)的外側(cè)某根定向管母線,將兩個(gè)工具球粘貼在該定向管母線上。測(cè)量自行火炮調(diào)炮精度時(shí),將火炮調(diào)平,采用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量?jī)蓚€(gè)工具球所在位置身管截面的壁厚差值,利用深度尺配合工具球粘貼專用膠槍,使位于炮口附近工具球到身管軸線的距離與后端工具球到火炮身管軸線間的距離相同(精度可達(dá)0.05 mm)。使兩個(gè)工具球連線后完全能夠代表火炮身管軸線。3D激光雷達(dá)自動(dòng)掃描后精確確定工具球球心位置,測(cè)量得到兩個(gè)工具球球心的三維坐標(biāo),兩個(gè)工具球球心的連線代表火炮身管軸線方向,計(jì)算機(jī)解算出調(diào)炮后火炮身管軸線的方向角度和高低角度變化量即為火炮的調(diào)炮角度。

火炮身管高低角和方向角測(cè)量原理相同,以方向調(diào)炮精度測(cè)量為例說明。用工具球1、2、3放置在火炮附近的地面,用來確定火炮高低機(jī)和方向機(jī)所在的平面。在身管的一側(cè)沿軸線方向粘貼2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具球,如圖2所示。

將火炮調(diào)整成戰(zhàn)斗狀態(tài),調(diào)平火炮,方向歸零,3D激光雷達(dá)直接對(duì)火炮身管上的標(biāo)準(zhǔn)工具球進(jìn)行高精度位置測(cè)量,確定其空間坐標(biāo),然后自動(dòng)調(diào)炮(或轉(zhuǎn)動(dòng)方向機(jī)手輪),分別調(diào)炮至位置1或位置2,測(cè)量?jī)蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具球的空間坐標(biāo)。在其坐標(biāo)系下將測(cè)得的各個(gè)位置點(diǎn)的工具球球心坐標(biāo)連線向水平投影面投影,投影直線與初始位置的投影直線之間的夾角即為兩次調(diào)炮的方向角測(cè)量結(jié)果α和α′。

2 測(cè)量模式與精度分析

由3D激光雷達(dá)的測(cè)量原理式(1)可知,其自身測(cè)量不確定度主要包括3個(gè)部分： 3D激光雷達(dá)測(cè)距(LP)不確定度;兩個(gè)軸角編碼器測(cè)角(α)不確定度;兩個(gè)軸角編碼器測(cè)角(θ)不確定度。3D激光雷達(dá)具有直接掃描模式和工具球掃描工作模式,應(yīng)用輔助工具球掃描工作模式精度高。3D激光雷達(dá)的測(cè)量不確定度主要是單點(diǎn)三維測(cè)量不確定度(2σ)。系統(tǒng)經(jīng)過多次測(cè)量工具球?qū)嶒?yàn),并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析,得出其單點(diǎn)測(cè)量不確定度如表1所示,這里包含距離測(cè)量、角度測(cè)量不確定度以及單點(diǎn)三維不確定度。

表1 3D激光雷達(dá)測(cè)量距離與測(cè)量精度

2.1 誤差來源分析

根據(jù)以上分析,筆者設(shè)計(jì)的基于3D激光雷達(dá)的調(diào)炮精度檢測(cè)方法中選擇了精度高的輔助工具球測(cè)量方法,測(cè)量過程中的主要誤差[10]有：

1)3D激光雷達(dá)使用工具球坐標(biāo)測(cè)量的誤差σ1。

2)標(biāo)準(zhǔn)工具球的誤差,標(biāo)準(zhǔn)工具球的直徑變動(dòng)量Δ1為0.6 μm。

3)工裝制造誤差、測(cè)量環(huán)境的影響和測(cè)量人員的隨機(jī)誤差。

4)工具球代表火炮軸線誤差。

由表1可知,雷達(dá)距測(cè)量點(diǎn)越近其測(cè)量精度越高,因此測(cè)量時(shí)要根據(jù)被測(cè)部件的空間位置合理確定3D激光雷達(dá)的測(cè)量位置,并盡量靠近火炮身管上的被測(cè)點(diǎn)。根據(jù)不同參數(shù)的測(cè)量需求可以設(shè)計(jì)不同的測(cè)量方法。設(shè)計(jì)高精度的輔助測(cè)量工裝,則要考慮測(cè)量工裝的誤差,因此盡量只用工具球測(cè)量時(shí)則無工裝制造誤差;選擇相對(duì)密閉的空間內(nèi)作為測(cè)量地點(diǎn),空間內(nèi)溫度恒定,空氣抖動(dòng)小,無突發(fā)強(qiáng)烈震動(dòng)等情況,因此穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量的誤差影響非常小,可以忽略不計(jì);3D激光雷達(dá)測(cè)量是客觀的測(cè)量,沒有測(cè)量人員主觀測(cè)量因素,因此由測(cè)量人員引起的隨機(jī)誤差也可以忽略不計(jì);測(cè)量調(diào)炮精度時(shí),兩個(gè)工具球基本位于火炮身管母線位置,且測(cè)量調(diào)炮前后火炮身管軸線的角度變化量,所以兩個(gè)工具球球心連線代表火炮身管軸線引起的誤差也可以忽略不計(jì)。

2.2 應(yīng)用3D激光雷達(dá)檢測(cè)調(diào)炮精度

在武器裝備指標(biāo)體系中,調(diào)炮精度反映的是火炮在短時(shí)間內(nèi)調(diào)炮時(shí),射角和相對(duì)方位角的準(zhǔn)確程度。所以該參數(shù)是火炮鑒定試驗(yàn)中評(píng)定火炮性能的重要依據(jù)。對(duì)3D激光雷達(dá)而言,調(diào)炮精度檢測(cè)中測(cè)量的對(duì)象是火炮(或火箭炮)的相對(duì)射角和方位角。由此設(shè)計(jì)的調(diào)炮精度測(cè)量設(shè)備包括：3D激光雷達(dá)系統(tǒng)、2個(gè)貼在身管外側(cè)的靶球(即待測(cè)工具球)、信號(hào)采集單元和SA處理軟件(Spatial Analyzer專業(yè)處理軟件,簡(jiǎn)稱SA處理軟件)。SA處理軟件可對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,生成被測(cè)目標(biāo)的特征量。

3D激光雷達(dá)測(cè)量調(diào)炮精度測(cè)量示意圖如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量,筆者依據(jù)3D激光雷達(dá)的特性設(shè)計(jì)了精度較高磁性標(biāo)準(zhǔn)球,直徑2.54 mm,精度≤0.6 μm,以提高測(cè)量精度和測(cè)量方便性。

火炮調(diào)平后,將2.54 mm標(biāo)準(zhǔn)磁力工具球分別用專用膠槍粘貼在火炮身管外側(cè),兩個(gè)工具球根據(jù)身管長(zhǎng)度、安裝環(huán)境等因素盡可能距離較遠(yuǎn)。3D激光雷達(dá)放置在距身管中部外側(cè)2～3 m的位置,由3D激光雷達(dá)掃描測(cè)量炮身外側(cè)標(biāo)準(zhǔn)磁力工具球的球心位置,確定火炮身管軸線。調(diào)炮至被測(cè)位置,再測(cè)量炮身外側(cè)標(biāo)準(zhǔn)磁力工具球的球心位置坐標(biāo)。通過測(cè)得的工具球的球心坐標(biāo),計(jì)算出被測(cè)位置的身管軸線的方向角和高低角變化量,即為火炮的調(diào)炮角度。以高低角測(cè)量為例進(jìn)行精度分析,如圖4所示。

由圖4可知,高低角α=arcsin(h/L)。

對(duì)高低角α進(jìn)行微分：

(2)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的3D激光雷達(dá)測(cè)量調(diào)炮精度的可行性和精度,筆者在某試驗(yàn)場(chǎng)完成高低角度測(cè)量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),模擬高低向調(diào)炮精度測(cè)量。用經(jīng)緯儀(精度2″)提供高低角度標(biāo)準(zhǔn)值,將帶有粘貼了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具球的輕質(zhì)鋼管固定在經(jīng)緯儀的俯仰位置上,經(jīng)緯儀調(diào)平后將水平方向固定,使鋼管只做俯仰運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用3D激光雷達(dá)掃描測(cè)量?jī)蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)球,可快速精確地測(cè)量出鋼管俯仰運(yùn)動(dòng)后的高低角度變化,數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 調(diào)炮精度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語

綜上所述,可以得出如下結(jié)論：

1)提出的以3D激光雷達(dá)為測(cè)量平臺(tái)測(cè)量火炮身管類武器裝備的調(diào)炮精度是一種可行的測(cè)量方法。

2)通過測(cè)量不確定度分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明3D激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)在滿足一定的測(cè)量距離和測(cè)量設(shè)備合理位置架設(shè)的條件下,測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量調(diào)炮參數(shù)的精度較高。

3)相較于目前的單全站儀、雙經(jīng)緯儀測(cè)量調(diào)炮參數(shù)的方法,筆者提出的基于3D激光雷達(dá)的非接觸測(cè)量技術(shù)具有輔助測(cè)量工具少、操作人員少和自動(dòng)化程度較高等優(yōu)勢(shì),因此具有廣泛的適應(yīng)性,應(yīng)用前景十分廣闊。