激光扫描法测量火炮击针突出量及误差分析

胡 备，郑立评，李 峰

（陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003）

0 引言

火炮射击前需要对火炮的技术性能进行检测，确定火炮的技术状况以便实弹射击的安全、正常进行［1］。火炮击针是火炮击发机构的重要组成部分，其功能是击针击发引燃底火药。击针突出量是击针在击发时露出炮闩镜面的长度，为了正确击发底火，需要有一定的击针突出量长度，例如某型榴弹炮的击针突出量范围为2 mm～2.38 mm。击针突出量过小，容易发生不发火的故障；击针突出量过大，容易产生击穿底火的现象［2］。因此，火炮击针突出量的检测是火炮射击前必不可少的一项工作。

击针突出量检测的传统方法是使用击针检查规:提出闩体，取下击针簧，使击发机成击发状态，向里推击针到位，当击针不能通过检查规的浅缺口，能够通过检查规的深缺口时为符合要求［3］。击针突出量传统检测方法属于接触式测量，检测精度受人为影响较大，在检查规没有完全压紧闩体镜面或者检查规没有完全垂直于闩体镜面时，容易出现测量出的结果为合格但实际上不合格的情况。此外，传统的检测方法必须人工提出闩体，对于大口径火炮，闩体笨重，如某型火炮的闩体重70 kg 左右，需要操作人员站在炮尾上提出，安全性不高。针对这些问题，提出了激光扫描法测量火炮击针突出量的非接触式测量方法并进行了误差分析。实验结果表明，该测量方法能够实现不提出闩体高精度地测出击针突出量，可提高检测精度和安全性。

1 基于激光扫描法的火炮击针突出量测量方法

基于激光扫描法的火炮击针突出量测量系统如图1 所示，该系统由伞状定心结构、连接部件、十字滑台、激光位移传感器、单片机等组成。

图1 测量结构设计图

伞状定心结构用于将整个测量装置固定在火炮身管内膛［4］。

激光位移传感器能够采集传感器与闩体镜面和传感器与击针尖端面的距离信号［5］。

十字滑台是由两个互相垂直的丝杠步进电机组成，激光传感器通过固定支架固定在十字滑台上的滑块上，这样滑块就能够带动传感器进行二维运动。

连接部件用于连接十字滑台和伞状定心结构且采取莫氏锥度连接，莫氏锥度连接使得测量系统有较强的对中度和机械稳定性，并且可以方便拆卸。

基于激光扫描法的火炮击针突出量测量原理是:火炮开闩，将整个击针突出量测量装置从火炮的炮尾伸入火炮身管内膛的适当位置，并固定于该位置；而后对火炮进行关闩和击发动作；单片机控制两个步进电机转动，而使得十字滑台上的滑块带动激光传感器进行横向和纵向的运动；在运动过程中，激光传感器每横向移动一次位移就测一次数据，共测得n 组距离信号，这些电压信号传输到单片机的A/D 转换模块，通过A/D 转换，这些电压信号转换为数字信号存储在单片机内；单片机对这些数字信号进行处理和计算，得出火炮击针突出量的数值；单片机将火炮击针突出量的数值通过液晶驱动模块传到LCD 显示屏进行显示［6-8］。

如图2 左图所示，系统测量时，十字滑台带动激光位移传感器横向移动，每移动一个步长，激光传感器采集一次数据，一行采集完25 个数据后，十字滑台带动激光传感器纵向移动一个步长，激光传感器采集下一行数据，如此反复共采集25*25 个数据。通过实际测量可知击针尖端面直径为2 mm 左右，击针突出量数值的范围在2 mm ～4 mm。本系统采用的CMOS 型激光位移传感器光束直径为70 um，通过控制步进电机使得激光传感器每次移动的位移为1.5 mm，故能确保在扫描的过程中激光能照射在击针尖端面。如图2 右图所示，通过算法找到25*25 个数据中的最小值，也就是激光与击针尖端面距离b，以最小值为基准建立9 宫格模型，将最小值相邻的其余8 个测量数据进行均值，得出激光到闩体镜面的距离a，则可得出击针突出量c=a-b。

图2 测量原理图

2 误差分析及处理

基于激光扫描法测量火炮击针突出量的系统误差主要有粗大误差和系统误差。粗大误差主要是单片机ADC 模块在采集和转换激光传感器传输的电压模拟信号时伴随的噪声和干扰信号造成的，从而影响了单片机采集数据的精度。

针对系统产生的粗大误差，对单片机采集的模拟信号采取中位值平均滤波。其方法为:激光传感器每移动一个步长，单片机对激光传感器测量产生的模拟信号进行连续采集和转换m 个数据，去掉m个数据的最大值和最小值，然后计算m-2 个数据的算术平均值作为该次测量的最终结果。通过对采集信号剔除坏值并均值滤波［9］，能够有效减小粗大误差带来的影响。

理想条件是激光传感器扫描的二维平面与闩体镜面保持平行，如下页图3 所示。在实际的运用过程中，由于测量装置的结构装配问题，不能完全保证激光传感器的扫描平面与闩体镜面保持平行［10］，如图4 所示。因此，由机构装配导致的系统误差不可忽略。

图3 传感器运动轨迹与闩体镜面的理想关系

图4 传感器运动轨迹与闩体镜面的实际关系

在实际测量过程中，不能完全确保激光扫描的平面与闩体镜面保持平行。如图4 所示，a1、a2…ai…a25表示激光传感器在扫到击针所在行运动时所测得的数据，可知ai是激光传感器与击针尖端面的距离。图4 表明在实际测量过程中，激光传感器可能并不是垂直照射在击针尖端面的。因此，通过简单的激光传感器到闩体镜面距离与激光传感器与击针尖端的距离差值，并不能精确地表示击针突出量。根据激光位移传感是被直线滑轨上的滑块带着直线运动的，且激光传感器每次运动的位移量相等这一特点，以激光传感器在该行移动的直线为X 轴建立直角坐标系。如图5 所示，剔除ai值，将该行的剩余的24 个测量数据转换为直角坐标下的24 个点 即（0，a1），（1，a2），…（i-2，ai-1），（i，ai+1）…（24，a25），建立一元线性方程。

图5 采集数据的线性模型

设这些点所在的直线表达式为:

图6 求解击针突出量原理图

3 实验结果

搭建如图7 所示的模拟实验环境:将测量装置放在水平台上，激光传感器正前方放置一金属所制的平面靶，在靶的正中央钉入一个M2 的螺丝钉，使得螺丝钉突出3 mm。

图7 模拟实验

分别采用直接通过最小测量值与相邻测量值均值的差，来解算击针突出量数值大小的算法和建立数学模型求解击针突出量，以补偿系统误差的算法对螺丝钉的突出量进行测量，测量结果如表1 所示。

表1 测量数据对比（实际值为3 mm）

由以上实验数据可知，通过建立数学模型来补偿系统误差的测量方法误差在0.02 mm 以内，而补偿前的算法误差达到了0.07 mm。说明建立数学模型解算击针突出量的方法，能够有效地提高激光扫描法测量火炮击针突出量的精度；同时，验证了激光扫描法测量火炮击针突出量的可行性和可靠性。

4 结论

激光扫描法测量火炮击针突出量的方法，能够弥补传统检测方法需提出闩体而存在的不足，补充完善了击针突出量检测方法。同时，本文研究将高精度位移传感器与自动控制技术结合，应用于火炮击针突出量测量的方法，为武器装备相关长度测量方案提供了新的思路和借鉴，促进了装备检测的信息化发展。