一种基于压敏传感器的制导炮弹寻地新方法

强明辉,安 杨,徐东海

(兰州理工大学 1.电气工程与信息工程学院;2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室;3.电气与控制工程国家级实验教学示范中心,甘肃 兰州 730050;4．西安理工大学 自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048)

随着战争模式变化和工业技术发展,炮弹的精确制导技术已成为现代化武器关键技术之一[1-2]。炮弹制导过程是一个复杂过程,其中寻地是炮弹制导动态测量十分重要的参数。目前关于炮弹寻地、俯仰角和旋转角速度有多种测量方式,如地磁传感器,陀螺仪等。依靠炮弹内部的霍尔传感器感应地磁场的地磁寻地方法,地磁传感器虽然具有价格便宜、无积累误差、抗高过载等优点,但是由于南北极区域地磁为非平行地面磁场以及靠近铁矿山周围地磁方向受到改变,因而存在无法准确寻地以及解算过程复杂等缺点[3-5]。利用陀螺仪方法,机械陀螺仪体积大、成本高、精度差,而MEMS陀螺仪难以承受高的冲击,难以满足日益发展的制导需要,特别是炮弹制导需要[6-8]。因此,本文提出了一种基于压敏传感器制导炮弹寻地的新方法,该方法不仅克服了地磁及陀螺仪存在的不足,而且寻地精度高、速度快、耐冲击、结构简单、体积小,传感器可在-30°～+150°工作[9-10]。该方法不仅可用于制导炮弹寻地和转速测量,而且具有灵敏度高、精度高、受外部因素影响小等优点。

1 工作原理

压敏传感器结构及其在炮弹中安装结构如图1所示。其中,压敏传感器由传感器薄片P、压块M以及信号处理电路组成,传感器固定安装在弹体内壁内。压电传感器可选取压电陶瓷、压电薄膜、压电晶体等器件中任何一种传感器。

图1 压敏传感器随炮弹转动过程及其受力

从图1传感器受力分析可知,炮弹发射后可视为一种高旋弹体,则传感器做圆周运动所需的合力F由3部分组成，分别为向心力Fv(Fv=mv2/r,r为弹体半径)、重力分量FP(FP=Fmgsinθ,θ为重力与圆周运动速度v的夹角),加速度产生的力Fa(Fa=Fmasinθ),即合力F=Fv+Fmgsinθ+Fmasinθ。由于炮弹每圈旋转速度和加速度变化很小,Fv可视为一个常数。此外,炮弹加速运动主要在垂直方向,在水平方向分量很小且可忽略,所以,传感器的输出电压U的大小仅与作用力FP和Fa变化有关,即重力Fmg及加速运动的分量FP及Fa变化对电压U的变化起到关键性作用。这2个分量均随着炮弹的自旋转按正弦规律周期性变化,当传感器到达A点时,分量FP和Fa均为0,此时其输出电压UA=0;从A点向C点转动过程中,分量FP和Fa均随着θ(0°≤θ≤90°)的增大而不断增大,电压U也将随之不断增大,到达B点时达到最大峰值UB,max;从B转动到C点时,FP和Fa均随着θ(90°≤θ≤180°)的增大而不断减小,电压U随之不断减小,到达C点时受力分量为0,此时其输出电压UC=UA=0;从C点向D点旋转过程中,FP和Fa随着θ(180°≤θ≤270°)的增大而不断增大,电压U负的幅值也将随之不断增大(压块M对传感器产生拉力),到D点时达到最大(FP=-(Fmg+Fa)),此时输出电压为负的最大峰值UD,min;从D点向A点旋转过程中,FP和Fa随着θ(270°≤θ≤360°)增加而减小,传感器受到的拉力不断减小,电压U负的幅值也将随之不断增大,到达A点时重力分量FP减小到0,电压U回到0,即UA=0。由此得出传感器的输出电压U将产生如图2所示周期性的正弦变化。依据这种正弦周期性变化规律,通过电路对信号进行处理找到峰值B点(或其他3个点),从而可获得炮弹的大地方向。炮弹的自旋转角速度可根据信号的正弦周期中的A和C过零点(或其他2个对应点)的时间间隔Δt并依据公式计算得到:

(1)

式中:ω为炮弹自旋转角速度;Δt为2个测试点的间隔时间;π为2个测试点的间隔时间Δt所对应的炮弹旋转角度。

图2 压敏传感器输出电压随炮弹转动的变化关系波形

2 实验方法

2.1 实验方案设计

本文根据压敏传感器输出电压随炮弹转动的变化关系,采用了如图3所示的电路系统方案。该系统主要由电荷放大电路、二路信号求差电路、滤波电路、过零判断电路、单片机处理器以及处理软件等部分组成。

在电路系统方案设计中,压敏传感器采用了2个相同传感器,其单片机及电路为弹载式,在炮弹自转过程中,2个传感器将产生相位相差为180°的正弦信号,如图3所示。通过电荷放大电路放大后,再进行求差,其目的在于:一是可增强信号的强度,提高灵敏度;二是提高正弦信号幅值及其对称性;三是消除传感器装配产生的误差。然后,通过滤波电路消除炮弹抖动给电路带来的高频干扰信号,因此需要对传感器信号中的高频信号进行滤波处理,获得理想的正弦信号。随后,通过过零判断电路获得一个与正半周宽度相同的一定幅值的正脉冲。最后,采用单片机对正脉冲进行处理,在处理中根据正脉冲的前后沿获得炮弹旋转半周的时间t,计算出导弹自旋转角速度ω,输出到控制系统,在延迟0.5t后,单片机输出一个固定脉冲信号,此脉冲表示传感器D旋转到了最低位置,该位置所指的向下的方向即为大地方向。

图3 压敏传感器炮弹寻地和旋转角速度测试的电路方案框图

2.2 电路设计

本文根据电路设计方案对各部分电路进行了具体设计和参数选取,各部分电路拓扑图及其参数如图4所示。

图4 信号处理各部分电路的拓扑图及其元件参数

由于压电薄膜、压电陶瓷和压电晶体随压力改变产生的是电荷量变化,而电荷量的微弱变化很难计算,为此在电路中首先设计了由2个OP07CD运放N1和N2构成的放大器电路,分别将传感器1和传感器2输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号UO1和UO2,同时将压电传感器的高阻抗输出转换成运放的低阻抗输出。电路输出为

(2)

式中:Q为传感器产生的电荷;Ct为传感器电容;CO为输入电缆电容;Cf为反馈电容C3,C4;a为运算放大器开环增益;负号表示输入与输出相反。

由于a很大,当|Cf(1+a)|≫|Ct+CO|时,可近似有:

(3)

由式(3)可知,若反馈电容Cf不变,则输出电压UO与输入电荷Q成线性关系。因此,通过该部分电路对输出的微弱电荷信号实现线性放大,获得放大的电压信号UO1和UO2。在选取Cf时,因电荷Q较小,为了确保电路灵敏度,满足电容的满阱容量,应选取电容值小的电容,一般为几纳法。

在信号求差电路设计时,根据信号传递函数相差180°的特点,采用了由OP07CD构成的N3减法电路,对UO1和UO2信号进行求差放大。

根据叠加原理,可得出减法电路输出:

(4)

当R3=R4=R5=R6时,可简化为

UO3=UO1-UO2

(5)

由式(5)可知,通过减法电路处理后获得增强了2倍的输出信号UO3,提供了电路的灵敏度,同时消除2个传感器装配对称性误差,输出了一个理想的正弦信号。

滤波电路采用了由OP07CD构成的带通有源滤波电路,对炮弹抖动带来的高频干扰信号进行滤波处理。在确定带通时,根据弹旋最高频率确定低通滤波电路的C5R7,高通滤波电路的C6R8由最低频率来确定,一般炮弹转速为几十转到一百多转。选取合适的带宽对高、低频干扰信号进行有效滤波,可以得到更精确的信号,有利于过零点准确判断,在很大程度上可以决定整个电路的测试精度。过零电路选用由高速比较器MAX908和TVS管组成的电路,通过高速比较器找出信号上升和下降时的过零点,输出一个与信号正半周等宽的正脉冲信号。在选取比较器时尽可能选取高速、低阈值,提高灵敏度,减小误差。单向TVS管D1将比较器输出的高电压稳定在3.3 V,满足后端单片机ADC端口处理信号的电压要求。

2.3 实验结果分析

本文利用炮弹实验平台,在不同旋转频率、不同俯仰角的条件下分别进行了模拟旋转试验,其测试信号波形及结果分别如表1和图5所示,表中,Ts为滚转周期;ωr,ωt为实际和测量滚转转速;ω1,ω2分别为测量和实际滚转角速度;E为寻地角度误差。

从图5测试信号波形可知,首先,经过电荷放大、求差、滤波后可以获得一个对称、平滑、稳定的正弦信号,如图5(a)所示,由此可以得出本文的方案和实验设计基本正确。其次,通过过零判断电路可以获得一个规则的正方波信号且与正半周宽度相同,如图5(b)所示,由此可以得到稳定的单脉冲信号。最后,通过单片机对正脉冲进行处理,延迟0.5t后由PB6口输出一个一定宽度和幅值的正脉冲信号,如图5(c)所示,由此可以得到由PA9口输出的自旋转角速度的数据。

表1 炮弹寻地和旋转角速度测试结果

图5 炮弹寻地和旋转角速度测试信号波形图

在某型号旋转弹任务牵引下,压敏传感器炮弹参数测试系统参加了搭载飞行试验,从测试系统遥测信号波形看出,该测试方法输出平稳,在炮弹弹体旋转频率约为40 Hz时,与地磁寻地方法相比寻地角度相差0.16°,与角速度陀螺仪测量相比弹体旋转频率相差1.5%,精度满足使用要求,从而实现了炮弹寻地以及弹体转速的精确测量。

3 结论

本文提出了基于压敏传感器的炮弹寻地方法,从理论上分析了其工作原理。在此基础上,设计了具体实现电路以及具体的电路参数。在实验中利用炮弹半实物实验平台进行了模拟旋转试验;在不同旋转频率、不同俯仰角条件下,分别进行了实验验证分析。在旋转频率为10～100 Hz时,寻地准确度在1°以内,旋转角速度均小于2%。最后进行了炮弹飞行控制实验,实验结果表明,该方法正确、可行,且具有灵敏度高、没有累积误差、精度高、受外部因素影响小等特点,完全满足炮弹寻地的精度要求。同时,验证了设计的电路具有结构简单、体积小、调试方便、性能优良等优点,能够满足火箭弹弹道修正的要求,可广泛应用于旋转炮弹的姿态控制和制导系统。