3D激光雷达测量调炮精度的检测方法与精度分析

唐卫，李冬一，刘榆华

(中国人民解放军63853部队，吉林 白城 137000)

随着电子技术、计算机技术及定位定向技术的发展,火炮传统的间接瞄准已逐步被自动操瞄所代替。间接瞄准方式是将火炮射击诸元装定好后,通过调炮使火炮对准间接目标[1]。目前,压制火炮实现首发命中、精确打击的呼声日益高涨。我国研制的新型地面压制火炮具有自主定位定向功能,其调炮精度直接影响武器系统射击精度[2],是火炮一项重要技术指标,也是新型地面压制火炮检测中面临的崭新挑战。目前现有的单全站仪、双经纬仪等测试方法应用在火炮调炮精度测试上,存在操作过程复杂、人为误差引入较多等问题。在新形势下,如何更准更高效地测量火炮调炮精度是值得更进一步的探索和更深入的研究。当前,应用3D激光雷达测量空间目标三维坐标的方法已是测绘工程技术中日趋成熟的技术[3-5],因此笔者以3D激光雷达测量技术为基础提出了一种火炮调炮精度的检测方法,并开展了相应的可行性分析和精度分析研究。

1 3D激光雷达测量调炮精度检测法

1.1 3D激光雷达的基本工作原理

3D激光雷达使用其自身定义的坐标系统如图1所示,X轴在横向扫描面内,Y轴在横向扫描面内与X轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直。

3D激光雷达的主要任务是扫描采集目标的空间位置信息[6-8],即采用调频3D激光雷达探测采集被测目标与测量系统的距离信息,同时3D激光雷达的测量机构绕两个相互垂直的轴线旋转(绕Z轴旋转±180°,绕X轴旋转±45°),高精度的高低和方向轴角编码器获得角度信息。测量时系统预先设定测量范围并进行扫描,指示光斑移动到某一位置时,测量机构绕Z轴旋转α角,绕X轴旋转θ角,α与θ由各自的轴角编码器精确记录,输入计算机,结合火炮调炮高低机和方向机所在的平面,最终得出测量目标的高低角与方位角。

由此可得到被测点三维坐标的计算公式：

(1)

式中：LP为3D激光雷达测量头到待测点P的空间距离;θ为3D激光雷达测量头和P点的连线与XY平面的夹角;α为3D激光雷达测量头和P点的连线在XY平面的投影与X轴的夹角。

由式(1)可计算出测量点P在以3D激光雷达测量头为原点坐标系中的三维坐标。

1.2 应用3D激光雷达扫描测量调炮精度的方法

根据3D激光雷达基本工作原理[9],笔者应用3D激光雷达用于扫描火炮身管上(或火箭炮定向管上)能够代表其轴线方向的两个工具球,从而实现身管轴线的测量。测量火箭炮调炮精度时,将火箭炮调整水平,确定靠近基准管且便于观测的外侧某根定向管母线,将两个工具球粘贴在该定向管母线上。测量自行火炮调炮精度时,将火炮调平,采用超声波测厚仪测量两个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贴专用胶枪,使位于炮口附近工具球到身管轴线的距离与后端工具球到火炮身管轴线间的距离相同(精度可达0.05 mm)。使两个工具球连线后完全能够代表火炮身管轴线。3D激光雷达自动扫描后精确确定工具球球心位置,测量得到两个工具球球心的三维坐标,两个工具球球心的连线代表火炮身管轴线方向,计算机解算出调炮后火炮身管轴线的方向角度和高低角度变化量即为火炮的调炮角度。

火炮身管高低角和方向角测量原理相同,以方向调炮精度测量为例说明。用工具球1、2、3放置在火炮附近的地面,用来确定火炮高低机和方向机所在的平面。在身管的一侧沿轴线方向粘贴2个标准工具球,如图2所示。

将火炮调整成战斗状态,调平火炮,方向归零,3D激光雷达直接对火炮身管上的标准工具球进行高精度位置测量,确定其空间坐标,然后自动调炮(或转动方向机手轮),分别调炮至位置1或位置2,测量两个标准工具球的空间坐标。在其坐标系下将测得的各个位置点的工具球球心坐标连线向水平投影面投影,投影直线与初始位置的投影直线之间的夹角即为两次调炮的方向角测量结果α和α′。

2 测量模式与精度分析

由3D激光雷达的测量原理式(1)可知,其自身测量不确定度主要包括3个部分： 3D激光雷达测距(LP)不确定度;两个轴角编码器测角(α)不确定度;两个轴角编码器测角(θ)不确定度。3D激光雷达具有直接扫描模式和工具球扫描工作模式,应用辅助工具球扫描工作模式精度高。3D激光雷达的测量不确定度主要是单点三维测量不确定度(2σ)。系统经过多次测量工具球实验,并进行数据采集和分析,得出其单点测量不确定度如表1所示,这里包含距离测量、角度测量不确定度以及单点三维不确定度。

表1 3D激光雷达测量距离与测量精度

2.1 误差来源分析

根据以上分析,笔者设计的基于3D激光雷达的调炮精度检测方法中选择了精度高的辅助工具球测量方法,测量过程中的主要误差[10]有：

1)3D激光雷达使用工具球坐标测量的误差σ1。

2)标准工具球的误差,标准工具球的直径变动量Δ1为0.6 μm。

3)工装制造误差、测量环境的影响和测量人员的随机误差。

4)工具球代表火炮轴线误差。

由表1可知,雷达距测量点越近其测量精度越高,因此测量时要根据被测部件的空间位置合理确定3D激光雷达的测量位置,并尽量靠近火炮身管上的被测点。根据不同参数的测量需求可以设计不同的测量方法。设计高精度的辅助测量工装,则要考虑测量工装的误差,因此尽量只用工具球测量时则无工装制造误差;选择相对密闭的空间内作为测量地点,空间内温度恒定,空气抖动小,无突发强烈震动等情况,因此稳定的测量环境对测量的误差影响非常小,可以忽略不计;3D激光雷达测量是客观的测量,没有测量人员主观测量因素,因此由测量人员引起的随机误差也可以忽略不计;测量调炮精度时,两个工具球基本位于火炮身管母线位置,且测量调炮前后火炮身管轴线的角度变化量,所以两个工具球球心连线代表火炮身管轴线引起的误差也可以忽略不计。

2.2 应用3D激光雷达检测调炮精度

在武器装备指标体系中,调炮精度反映的是火炮在短时间内调炮时,射角和相对方位角的准确程度。所以该参数是火炮鉴定试验中评定火炮性能的重要依据。对3D激光雷达而言,调炮精度检测中测量的对象是火炮(或火箭炮)的相对射角和方位角。由此设计的调炮精度测量设备包括：3D激光雷达系统、2个贴在身管外侧的靶球(即待测工具球)、信号采集单元和SA处理软件(Spatial Analyzer专业处理软件,简称SA处理软件)。SA处理软件可对原始数据进行处理分析,生成被测目标的特征量。

3D激光雷达测量调炮精度测量示意图如图3所示。为了实现精确测量,笔者依据3D激光雷达的特性设计了精度较高磁性标准球,直径2.54 mm,精度≤0.6 μm,以提高测量精度和测量方便性。

火炮调平后,将2.54 mm标准磁力工具球分别用专用胶枪粘贴在火炮身管外侧,两个工具球根据身管长度、安装环境等因素尽可能距离较远。3D激光雷达放置在距身管中部外侧2～3 m的位置,由3D激光雷达扫描测量炮身外侧标准磁力工具球的球心位置,确定火炮身管轴线。调炮至被测位置,再测量炮身外侧标准磁力工具球的球心位置坐标。通过测得的工具球的球心坐标,计算出被测位置的身管轴线的方向角和高低角变化量,即为火炮的调炮角度。以高低角测量为例进行精度分析,如图4所示。

由图4可知,高低角α=arcsin(h/L)。

对高低角α进行微分：

(2)

3 实验验证

为验证设计的3D激光雷达测量调炮精度的可行性和精度,笔者在某试验场完成高低角度测量验证实验,模拟高低向调炮精度测量。用经纬仪(精度2″)提供高低角度标准值,将带有粘贴了两个标准工具球的轻质钢管固定在经纬仪的俯仰位置上,经纬仪调平后将水平方向固定,使钢管只做俯仰运动进行实验,用3D激光雷达扫描测量两个标准球,可快速精确地测量出钢管俯仰运动后的高低角度变化,数据如表2所示。

表2 调炮精度实验验证数据表

4 结束语

综上所述,可以得出如下结论：

1)提出的以3D激光雷达为测量平台测量火炮身管类武器装备的调炮精度是一种可行的测量方法。

2)通过测量不确定度分析和实验验证,证明3D激光雷达测量系统在满足一定的测量距离和测量设备合理位置架设的条件下,测量系统测量调炮参数的精度较高。

3)相较于目前的单全站仪、双经纬仪测量调炮参数的方法,笔者提出的基于3D激光雷达的非接触测量技术具有辅助测量工具少、操作人员少和自动化程度较高等优势,因此具有广泛的适应性,应用前景十分广阔。