基于MEMS传感器与惯性开关的目标识别技术研究

赵忠海，焦志刚，李 木，刘洪涛，范卫民

(1.沈阳理工大学 装备工程学院， 沈阳 110000； 2.辽宁华兴机电有限公司， 辽宁 锦州 121017)

为了提高地空导弹的单发毁伤概率，应设法提高引战配合效率[1-2]。理想的引信，应该能够在最佳炸点引爆导弹战斗部，使战斗部破片飞散区中心对准目标要害中心，使引战配合效率最大。有效的目标识别是实现最佳炸点引爆控制的基础，为了实现引信对不同硬度目标的识别与起爆精确控制，本文利用MEMS传感器和机械惯性开关对不同目标硬度的识别特性，实现命中目标后的精确延时起爆。采用分析设计方法取代经验设计方法，通过计算机仿真优化方案的结构参数，设计适应不同目标的触发机构，开展对不同目标识别的技术研究。

1 导弹碰撞目标数值分析

根据防空导弹作战目标的结构特点，设定导弹对不同的攻击目标和撞击姿态数值模拟导弹以60°的弹头落角(弹轴与靶板平面的夹角)撞击1 mm铝板和6 mm钢板，弹头碰撞靶板示意图如图1。

图1 弹头碰撞靶板示意图

为了减少弹体有限元模型网格数量，提高分析效率[3-4]，方便有限元模型的建立和网格剖分，对撞击过程做如下简化：

1) 仅考虑弹头部分撞击在靶板上的作用效应，由于不考虑发动机部分，建立弹头有限元模型时将尾部封闭，形成一个完整的筒状薄壁结构；

2) 翼状结构仅在飞行过程中起稳定作用，在撞击过程中不考虑前翼对撞击的影响；

3) 弹头薄壁和内部结构简化为一个实体模块；

4) 将整弹质量等效至弹头(不同靶板撞击分析时弹头的长度略有差异，但弹头的质量相同)；

5) 整个撞击过程不考虑热效应；

6) 不计空气阻力和自身重力的影响；

7) 在撞击之前，靶板不受任何外力作用；

8) 撞击过程中不考虑靶板的整体运动；

9) 靶板的表面是均匀光滑的平面。

弹头撞击靶板的过程中，靶板和弹头薄壁结构均有可能发生破坏。考虑到实际结构的尺寸(弹头壁厚与靶板厚度远小于弹头长度)，因此，靶板与弹头薄壁结构均使用壳单元，能够模拟在瞬间撞击时发生的失稳破坏。

撞击问题具有局部大变形效应，该效应局限于弹头与靶板接触附近的区域。故在划分网格时对这一区域撒布尺寸较小的单元种子，生成较密的网格；在距接触点位置较远处采用较疏的网格进行划分。约束靶板四个侧面的所有自由度，且靶板侧面定义为非反射边界，模拟成无限大靶板，以消除靶板的边界效应。

整个建模过程采用毫米单位制。弹头尖端与轴线的交点距靶板的初始垂直间距设为600 mm，撞击过程在0.01 s内完成。在算法计算过程中经常由于网格发生巨大畸变而导致计算终止。当数值分析过程超过了可承受的计算规模和时间时也会导致计算终止。此时需要不断调整网格大小来适应数值计算。作用过程及应力云图如图2、图3所示，其撞击曲线如图4、图5所示。模拟结果分析：从模拟结果可以看出在弹落角相同的情况下，1 mm铝板的破坏程度明显大于6 mm钢板。比较了以弹落角60°撞击靶板瞬间时刻的弹头加速度，可以看出，击穿6 mm钢板时受到的反向加速度更大。

图2 弹头落角60°穿靶6 mm钢板作用过程 有限元仿真图

图3 弹头落角60°穿靶1 mm铝板作用过程 有限元仿真图

图4 导弹60°落角撞击6 mm钢板靶板过载曲线

图5 导弹60°落角撞击1 mm铝板靶板过载曲线

通过仿真数值分析，防空导弹撞击1 mm铝板时惯性加速度为3 143 m/s2，撞击6 mm钢板时惯性加速度为18 695 m/s2.考虑导弹头部及连接部为薄壁铝制结构，触发引信一般位于导引头等舱段后，惯性组件与引信连接缓冲等原因，设定导弹对铝制目标的触发惯性过载为300g，对钢制目标触发惯性过载为1 800g，开展后续工作。

2 MEMS传感器惯性触发电路设计

2.1 MEMS传感器设计及验证

MEMS加速度计通过测量碰撞加速度并将加速度数据以二进制补码的形式反馈给单片机，由单片机处理数据后，来决定是否输出触发信号[5-7]。仿真数据分析后，设定MEMS触发系统在受到300g以上的惯性力时可靠作用。单片机选用C8051F331微控制器，加速度计选用H3LIS331DL加速度传感器，其中，单片机设置为主机、加速度计设置为从机、数据传输采用四线SPI通信。查阅数据手册确定主机与从机的使用方式、电气参数及尺寸，确定供电电路及通信协议并设计电路原理与PCB，经查阅单片机与加速度计的供电电压(VCC)为3.3 V直流电，于是选用电源稳压器L78L33，将20 V直流电源稳定为3.3 V，达到供电目的。通过加速度冲击试验确定是否满足MEMS加速度计触发要求。原理图如图6所示。

图6 MEMS触发系统的电路原理图

2.2 冲击试验

使用冲击台对电路模块进行惯性冲击，通过试验台g值传感器对冲击台g值进行测量。试验分别进行250g值冲击2次，350g值冲击2次。MEMS传感器感应g值波形如图7～图10所示。

图7 250g冲击MEMS传感器MATLAB分析波形

图8 350g冲击MEMS传感器MATLAB分析波形

图9 250g值时传感器滤波输出波形

图10 350g值时传感器滤波及单片机输出波形

2.3 试验结果

MEMS加速度计共经过四组加速度冲击试验，试验加速度值分别为250g、253g、363g、360g。其中前两组试验MEMS系统不作用，后两组试验MEMS系统作用，发出触发信号。

3 惯性开关设计

3.1 惯性开关设计

惯性开关放置于引信内部，在撞击的瞬间由于惯性力的作用，内部构件会发生位移，从而产生闭合信号，惯性开关主要由接电销、嵌套、接电套、接电块、接电簧、缓冲弹簧构成，将以上构件按照设计要求放入绝缘套中，接电销与接电套可以在绝缘套中沿长轴移动，接电块和嵌套固定在绝缘套内，接电销与嵌套间由接电簧连接，接电套与接电块间由缓冲弹簧连接，顶部采用压螺进行封装。如图11(a)所示为惯性开关的三维几何模型正视图，图11(b)为惯性开关的剖面图。经设计计算，接电簧的劲度系数k1=4.05 N/m，缓冲弹簧的劲度系数k2=737 N/m。

惯性开关的作用原理：

1) 当导弹撞击软目标时，接电销克服接电簧抗力向前移动，与接电套接触，从而产生闭合信号；而接电套因缓冲弹簧抗力大，而相对未发生移动，实现小g值的有效闭合。

2) 当导弹撞击硬目标时，接电销克服接电簧抗力向前移动，与接电套接触；同时，接电套克服缓冲弹簧抗力随接电销共同向上移动，实现减少接电销回弹力和增加接电销与接电套接触时间的效果，从而产生相对持续的闭合信号，实现大g值的有效闭合。

图11 惯性开关

3.2 惯性开关仿真分析

考虑对不同目标撞击时产生的作用力不同，撞击效果也不同(击穿，未击穿)，为了充分考虑各种撞击情况，分别模拟200g、500g、1 000g、3 000g、5 000g、10 000g和20 000g惯性力作用下的闭合状态。

按照几何模型建立惯性开关有限元数值模型，为了减少有限元模型网格数量，提高分析效率，对惯性开关结构做如下简化：

1) 由于绝缘套仅起到固定构件的作用，因此在数值模型建立的过程中不再建立绝缘套的实体模型，而将其对构件的约束转化为相应的边界条件直接施加在构件上；

2) 构件为铜合金材质，硬度大，撞击过程中可以忽略构件本身的变形，因此将构件均视为刚性体；

3) 为了方便有限元数值模型的建立，几何模型中的倒角在有限元数值模型中均按直角处理；

4) 绝缘套内壁是光滑的，不计空气阻力的影响；

5) 在撞击之前，惯性开关不受任何外力作用；

6) 由于弹簧构架的截面积远小于整体构件尺寸，且形状复杂，为了避免过于繁琐的建模，不再单独建立弹簧的有限元数值模型，直接使用ABAQUS中的弹簧单元替代，考虑弹簧的实际受力情况，根据弹簧并联时劲度系数的关系对弹簧单元的劲度系数进行折减。

由于分析惯性开关在受到惯性力作用下的状态，因此需要考虑构件的质量，选择可变形体建模，在材料属性中设置材料的密度，使用六面体进行网格划分，构件质量会根据单元大小和密度自动计算，在ABAQUS相互作用模块对构件创建刚体约束，将构件转化成刚体。根据几何模型中的弹簧构件的位置，保证弹簧长度一致，选取相互对称的位置添加弹簧单元，并根据折减施加每根弹簧的劲度系数。整个建模过程采用毫米单位制。有限元数值模型和网格剖分如图12所示(图12中的细线为等效的弹簧单元)。

图12 惯性开关有限元数值模型

从模拟结果可以看出在不同g值的情况下，接电销与接电套接触时间与惯性过载持续时间成线性关系。在小g值冲击时，当冲击过载消失时接电销与接电套立即分开；在大g值冲击时，当冲击过载消失时接电销与接电套仍可持续一段接触时间。

将惯性开关通过工装拧紧在冲击平台中心位置，通过调整冲击平台高度和信号发生器类型来调整所受冲击g值。小g冲击惯性开关输出图像如图13所示，大g冲击惯性开关输出图像如图14所示。

图13 小g冲击惯性开关输出图像

图14 大g冲击惯性开关输出图像

试验结果为：当冲击惯性g值小于1 800g值时惯性开关与普通碰炸开关区别不大，随冲击持续时间变化而变化；当冲击惯性g值较大时，其可延长一定的闭合时间，实现对高g值惯性过载的有效感知。

4 目标识别设计

4.1 目标识别解算准则

当导弹与目标碰撞时，引信根据MEMS惯性触发电路和惯性开关触发输出信号时间差异，感知识别不同硬度目标。感知信息与导引头提供的目标信息进行综合解算，从而精确起爆战斗部[8-13]，实现制导引信一体化引战配合设计。

目标识别解算准则：

1) 根据2路不同的触发输出信号时间差异感知不同硬度目标，控制芯片根据两路信号时间先后差异，结合导引信息，进行延时精确起爆控制。

2) 当冲击惯性g值小于1 800g值时，MEMS惯性触发电路响应速度快先行输出起爆信号，惯性开关在MEMS惯性触发电路响应后输出闭合；当冲击惯性g值较大时，惯性开关先行输出起爆信号，MEMS惯性触发电路在惯性开关输出起爆信号后输出起爆信号。通过实验可以看出MEMS惯性触发电路和惯性开关感知不同硬度目标的响应速度是可以区分开的。控制芯片根据MEMS惯性触发电路和惯性开关两路信号时间先后差异，结合导引信息，进行延时精确起爆控制。

4.2 验证

将MEMS惯性触发电路和惯性开关通过工装拧紧在冲击平台中心位置，通过调整冲击平台高度和信号发生器类型来调整所受冲击g值。

试验结果为：当冲击惯性g值小于1 800g值时，MEMS惯性触发电路响应速度快先行输出起爆信号，惯性开关在MEMS惯性触发电路响应后0.2 ms输出闭合；当冲击惯性g值较大时，惯性开关先行输出起爆信号，MEMS惯性触发电路在惯性开关输出起爆信号后0.4 ms输出起爆信号。通过实验可以看出根据2路不同的触发输出信号时间差异感知不同硬度目标，控制芯片根据两路信号时间先后差异，结合导引信息，进行延时精确起爆控制。

图15 350g值冲击时MEMS惯性触发电路 和惯性开关复合输出图像

图16 2 500g值冲击时MEMS惯性触发电路 和惯性开关复合输出图像

5 结论

通过使用ABAQUS动力学仿真分析了惯性开关作用过程，并根据仿真结果及冲击试验确定防空导弹引信中的MEMS惯性触发电路和惯性开关受到不同大小惯性力时的电信号特征情况，并通过电路模块中的控制芯片进行了识别与确认，2路信号均能可靠起爆传爆序列，最终实现了对不同目标的识别，并可应用于起爆点的精确控制。

MEMS惯性触发电路可以对防空导弹弹道过载进行准确的测量，当冲击过载超过300g时，MEMS惯性触发电路可以有效起爆传爆序列，当冲击过载小于300g时，MEMS惯性触发电路可以有效保证传爆序列不发火，可保证防空导弹初始飞行弹道安全。

惯性开关抗大惯性过载能力强，结构简单，不易损坏。在保证低g值惯性触发可靠的同时，可弥补MEMS惯性触发电路大g值惯性触发能力的不足。使防空导弹触发作用可靠性得到了有效保障。

经冲击试验证实，当受到低g值惯性力作用时，自适应触发机构中的MEMS惯性触发电路响应速度快先行输出起爆信号，惯性开关在MEMS惯性触发电路响应后0.2 ms输出闭合；当冲击惯性g值较大时，惯性开关先行输出起爆信号，MEMS惯性触发电路在惯性开关输出起爆信号后0.4 ms输出起爆信号。根据两路不同的触发输出信号时间差异感知不同硬度目标，电路控制模块根据自适应触发机构两路信号时间先后差异，实现了对不同硬度目标的识别技术研究，可以向引信提供延时精确起爆控制信号。