隨著國防技術(shù)的發(fā)展,,根據(jù)任務(wù)需求,,越來越多的軍用武器需要隨時變更工作地點。為了保證這些軍用武器的機動性能,,往往以載車為運輸載體,,如火箭炮這樣的大型武器就被安裝在載車上。載車到達(dá)目的地后,,借助平臺快速將武器架設(shè)調(diào)至水平而后工作,,工作完成后平臺能夠快速地撤收、轉(zhuǎn)移,。既保證了武器的工作性能,,又提高了機動性。
傳統(tǒng)上,,主要依靠人工手動完成平臺的水平度調(diào)節(jié),,這需要一部分人員手動調(diào)節(jié)千斤頂,另外一部分人員觀察水平儀的水泡位置,。這種調(diào)平方式費時費力,,且精度低、抗傾覆能力差,。隨著調(diào)平時間和調(diào)平精度要求的提高,,過去的調(diào)平方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際情況的需要,所需時間短,、精度高,、抗傾覆能力強的自動調(diào)平控制技術(shù)應(yīng)運而生。
在軍用方面,,自動調(diào)平控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機動發(fā)射裝置,、導(dǎo)彈車、坦克火控調(diào)試臺等裝備,。以火箭炮為例,,火箭炮被大量使用在高科技戰(zhàn)爭中,為了提高其生存能力,對其機動性能也提出了更高的要求,。制約火箭炮機動性的主要因素是火箭炮進(jìn)入陣地后,,進(jìn)行架設(shè)并調(diào)整到水平狀態(tài)的時間。自動調(diào)平裝置是消除這一制約因素的關(guān)鍵設(shè)備,。隨著電子元器件和自動控制技術(shù)的發(fā)展,,自動調(diào)平裝置采用了許多新器件、新方法,,使得調(diào)平時間和調(diào)平精度嚴(yán)格符合戰(zhàn)場要求,。
設(shè)計火箭炮車體調(diào)平裝置的目的是使火箭炮在停車工作時其載車能夠迅速架設(shè),實現(xiàn)武器系統(tǒng)平臺傾斜度的快速測量,、計算和無線數(shù)傳,,使其快速精確地達(dá)到水平,即在保證火箭炮工作性能的條件下最大程度的提高系統(tǒng)的機動性,。
自動調(diào)平系統(tǒng)發(fā)展趨勢概述
目前,,調(diào)平技術(shù)都已逐步成熟,但隨著武器機動性要求的不斷提高,,也相應(yīng)提高了對調(diào)平時間和調(diào)平精度的要求,,與之相適應(yīng)的自動控制調(diào)平技術(shù)也不斷發(fā)展。自動調(diào)平系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是:
(1)精確性:系統(tǒng)的精確性主要取決于傾角傳感器的分辨率,。隨著新結(jié)構(gòu),、新材料、新工藝和新技術(shù)在高精度傾角傳感器中的應(yīng)用,,傾角傳感器的性能大幅度地提高了,,傾角傳感器正從傳統(tǒng)的液體擺、氣體擺原理向伺服加速度及力平衡,、重力擺原理發(fā)展,,傾角傳感器的分辨率已達(dá)到0.001度或更高。
(2)穩(wěn)定性:為了適應(yīng)現(xiàn)代武器高機動性和快速反應(yīng)能力的需求,,要求車載平臺有更高的穩(wěn)定性,采用機電伺服系統(tǒng)代替電液伺服系統(tǒng),,加上單片機系統(tǒng)可靠性與抗干擾技術(shù)的不斷發(fā)展,,奠定了單片機系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的基礎(chǔ)。尤其是計算機與傳感器技術(shù)的發(fā)展,,使高穩(wěn)定性的調(diào)平系統(tǒng)得以實現(xiàn),。
(3)快速性:目前,傾角傳感器的響應(yīng)速度已顯著提高,,新型傾角傳感器響應(yīng)時間達(dá)到了5毫秒,,響應(yīng)速度為200次/秒,再加上在系統(tǒng)中應(yīng)用先進(jìn)控制算法,都使得調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平時間大大縮短了,,也就提高了武器系統(tǒng)的快速性,。
(4)可操作性:在自動調(diào)平系統(tǒng)中設(shè)計有人機交互顯示面板,通過其圖形界面顯示系統(tǒng)的狀態(tài)及各種實時參數(shù),,并根據(jù)工作需要對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,。面板設(shè)置有多個功能鍵,可根據(jù)需要自由定義,,實現(xiàn)調(diào)平系統(tǒng)的各種操作,。這些都將使系統(tǒng)的可操作性得到大大提高。
車體調(diào)平裝置總體設(shè)計
火箭炮車體調(diào)平裝置總體設(shè)計包括:傾角傳感器的選型,、數(shù)據(jù)處理與無線數(shù)傳電路設(shè)計,。車體調(diào)平裝置機殼采用鋁合金整體加工,內(nèi)置傾角傳感器,、電路板,、電池和無線發(fā)射模塊等,水平檢查座與機殼由螺釘固連,,采用優(yōu)質(zhì)合金鋼,,表面光潔度和水平度優(yōu)于水準(zhǔn)儀標(biāo)準(zhǔn),發(fā)射機天線位于機殼的上方,,使用時旋擰上,,裝箱時可以折疊放倒或旋擰下。車體調(diào)平裝置控制原理如圖1所示,。
圖1 車體調(diào)平裝置控制原理圖
傾角傳感器及傳感器包數(shù)據(jù)輸出格式
傾角傳感器選型
傾角傳感器用于感應(yīng)火箭炮車體的縱橫向傾斜度,,基本技術(shù)要求:①精度高于±0.012°;②使用環(huán)境溫度為﹣40℃~﹢55℃,。根據(jù)這些要求,,選用北京星網(wǎng)宇達(dá)科技公司的TW-TS1110傾角傳感器。該傳感器內(nèi)部采用高速數(shù)字處理器,,對多維重力加速度信息進(jìn)行處理與姿態(tài)角解算,,并采用角度數(shù)字輸出模式,輸出速度為5Hz,,測量范圍為±15°,。測量精度:當(dāng)傾角≤±5°時,精度為±0.005°,;當(dāng)傾角≤±15°時,,精度為±0.01°;當(dāng)傾角≤±30°時,,精度為±0.035°,。傳感器利用光刻電阻技術(shù)補償非線性誤差,,解決了傳統(tǒng)傾角傳感器只有在小范圍才能保證精度的現(xiàn)象,使得傾角傳感器在全測量范圍內(nèi)線性化,,保持同一額定精度指標(biāo),。傳感器還采用啟動零位測試補償技術(shù),具有快速穩(wěn)定輸出能力,,單點重復(fù)性為0.0015°,;采用動態(tài)數(shù)字濾波技術(shù),輸出噪聲低,,且具有較高的分辨率,,分辨率為0.002°,傳感器內(nèi)部采用動態(tài)零位與標(biāo)度因數(shù)自校正技術(shù),。適合多種環(huán)境使用,,使用環(huán)境溫度為﹣40℃~﹢55℃。
傳感器包數(shù)據(jù)輸出格式
1 發(fā)送數(shù)據(jù)格式定義
①ASCII碼發(fā)送格式(單角度):24 FF XX XX XX XX XX 0D 0A
說明——24:頭標(biāo)識$,;FF:角度值的符號位(+2b/-2d),;XX:ASCII碼角度值(30~39);0D 0A:角度發(fā)送字尾標(biāo)識符(換行,,回車),。
②二進(jìn)制碼發(fā)送格式(單角度):AA XX XX CC
AA:角度發(fā)送字頭標(biāo)識符;XX:帶符號二進(jìn)制數(shù),。5度傾角標(biāo)度:6000bit/度,;15度傾角標(biāo)度:2000bit/度;30度傾角標(biāo)度:1000bit/度,;60度傾角標(biāo)度:500bit/度,。
CC:校驗碼;CC=數(shù)據(jù)字節(jié)1+數(shù)據(jù)字節(jié)2,。
2 接受命令格式定義
讀角度命令格式如圖2所示,。該命令僅在應(yīng)答工作模式下有效。每個傳感器都有固定ID字(FFFF)和用戶ID字(用戶可設(shè)定,,初始為0000),,2個ID字都可讀角度。
圖2 讀角度命令格式
數(shù)據(jù)處理與無線數(shù)傳電路設(shè)計
無線數(shù)傳系統(tǒng)是無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)的簡稱,,該系統(tǒng)以無線數(shù)傳模塊為平臺,,在不影響裝備功能情況下,實現(xiàn)數(shù)字終端之間數(shù)字信息的無線傳輸,。數(shù)據(jù)處理與無線數(shù)傳的主要任務(wù)是接收傾角傳感器的數(shù)據(jù)輸出,計算每個千斤頂相對車體水平面所要調(diào)整的角度,,并通過無線數(shù)傳模塊傳輸給操縱指示器,。
MSP430F149單片機簡介
單片機具有可靠性高、功耗低、擴展靈活,、體積小,、價格低和使用方便等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于儀器儀表,、專用設(shè)備智能化管理及過程控制等領(lǐng)域,,有效地提高了控制質(zhì)量與經(jīng)濟效益。本設(shè)計選用TI公司的16位超低功耗混合型微處理器MSP430F149(見圖3)作為核心控制器,,它的主要特點是:
(1)低電壓,、超低功耗
該單片機的電源電壓采用1.8V~3.6V低電壓,RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μA,,在2.2V,、1MHz主頻的活動模式時工作電流為280μA,I/O輸入端口的漏電流最大僅50nA,。
(2)強大的處理能力
該單片機為16位的精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu),,具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址),、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令,;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算,還有高效的查表處理方法及較高的處理速度,,一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令,,使單片機在8MHz晶振工作時,指令速度可達(dá)8MIPS,。
(3)豐富的片上外圍模塊
該單片機集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè):模擬比較器A,、定時器A、定時器B,、串行通信接口USART0和USART1,、硬件乘法器、12位ADC,、端口1~6,、看門狗等。
(4)系統(tǒng)工作穩(wěn)定
該單片機在上電復(fù)位后,,首先由DCOCLK啟動CPU,,保證程序從正確的位置開始執(zhí)行,同時也保證了晶體振蕩器有足夠的起振和穩(wěn)定時間,;之后通過軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率,。在CPU運行中,如果MCLK發(fā)生故障,,DCO會自動啟動,,以確保系統(tǒng)正常工作,。如果程序跑飛,可以用看門狗將其復(fù)位,。
(5)方便高效的開發(fā)環(huán)境
MSP430F149片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口,,還有可電擦寫的FLASH存儲器,因此采用先通過JTAG接口下載程序到FLASH內(nèi),,再由JTAG接口控制程序運行,、讀取片內(nèi)CPU狀態(tài),以及存儲器內(nèi)容等信息供設(shè)計者調(diào)試,。由于單片機可支持串行在線編程,,使開發(fā)變得更加簡便,并且開發(fā)的仿真器價格低廉,,不需要昂貴的編程器,。
無線數(shù)傳電路的設(shè)計
數(shù)據(jù)處理與無線數(shù)傳電路設(shè)計主要包括主控制器電路、傾角傳感器接口電路,、無線數(shù)傳模塊接口電路,、電源電路等?;竟ぷ髟硎牵合到y(tǒng)通上電后,,主控制器控制傾角傳感器按固定間隔檢測火箭炮車體姿態(tài),將接收到的檢測結(jié)果運算處理,,計算每個千斤頂?shù)恼{(diào)整量,,再通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給操縱指示器。
(1)主控制器及接口電路設(shè)計
主控器采用MSP430F149單片機,,串口1經(jīng)TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換接傾角傳感器,,用于接收傳感器輸出數(shù)據(jù),串口2 TTL電平接無線數(shù)傳模塊,,發(fā)送車體縱橫向傾斜角度和調(diào)整角度至操縱指示器,。主控制器及接口電路如圖3所示。
圖3 主控器及接口電路圖
(2)電源電路設(shè)計
電源采用12V/1000mAh的鋰電池,,直接為傾角傳感器供電,,再經(jīng)兩路DC-DC轉(zhuǎn)換,分別轉(zhuǎn)換至9V和3.3V,,9V電源為無線數(shù)傳模塊供電,,3.3V為主控制器及接口電路供電,充電電路采用LM317芯片,,恒流方式充電,。電源電路見圖4所示。
(3)無線數(shù)傳模塊的選用
在一些多測試點的系統(tǒng)中,,伴隨傳感器而來的是大量數(shù)據(jù)線纜,。眾多的線纜不僅帶來布線的復(fù)雜不便,,而且存在著短路、短線隱患,,成本高,易老化,,還給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增加了難度,。另外,在一些特殊的應(yīng)用場合,,需要將傳感器放置在有危險的封閉環(huán)境中進(jìn)行工作,,試圖通過連線的方法得到傳感器的信號顯然是有一定難度的。而采用無線方式來實現(xiàn)信號的傳送,,可以解決這一問題,。相比有線傳輸,無線傳輸具有不占據(jù)空間,、沒有布線要求,、成本低、可靠性高,、維護(hù)方便及傳輸中的干擾較少等優(yōu)點,,這也在一定程度上提高了傳輸?shù)目煽啃浴?br />
圖4 電源電路圖
根據(jù)實際情況,本文采用ZT-TR43F無線數(shù)傳模塊,,它是一款無線收發(fā)一體的低功耗通信模塊,。該模塊的技術(shù)指標(biāo)如下:①載波頻率為433MHz,工作頻率為428MHz~435MHz,;②最大發(fā)射功率5mW,,接收靈敏度﹣105dBm;③采用FSK調(diào)制,,采用前向信道糾錯編碼,,抗干擾能力強;④有八個工作信道可供選擇,;⑤傳輸速率9.6kbps,;⑥降低噪聲放大器LNA、功率放大器PA,、壓空振蕩器VCO等大部分功能集成在芯片內(nèi),,外圍電路簡單易于開發(fā)。采用該無線數(shù)傳模塊,,可以使車體調(diào)平裝置滿足某型火箭炮調(diào)平時的無線數(shù)傳要求:①適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪嚯x,,一般以不超過30m為宜,通信功率過大使通信距離過遠(yuǎn),,會造成炮與炮之間相互干擾,;②較強的抗干擾能力,,系統(tǒng)在較強的外界干擾中也能正常工作;③較低的功耗,,該裝置野外應(yīng)用,,無固定供電電源,只能靠電池維持系統(tǒng)運行,。
無線模塊ZT-TR43F與單片機接口提供了RS232/TTL/RS485三種接口方式,,本系統(tǒng)采用TTL接口方式,方便與MSP430F149單片機的接口,。其中MSP430單片機的RXD,、TXD口分別與無線模塊的TXD、RXD口相接,,地線與地線相接,。
考慮到多門火箭炮同時調(diào)平時,有多個調(diào)平裝置同時工作,,為防止之間相互干擾,,采取不同的通信信道或不同編碼方式識別,每個裝置上帶有撥碼盤,,通過撥碼盤設(shè)置各自的通信信道或識別碼,。
調(diào)整角度的計算
主控制器接收到車體的縱橫向傾斜角度后,需要計算每個千斤頂相對調(diào)整的角度,,角度計算的幾何關(guān)系見圖5,。
圖5 角度計算關(guān)系圖
如圖5所示,車體水平傾斜角度可反映在橫向和縱向兩個方向,,圖5中a和b分別為橫向和縱向傾斜角度,,設(shè)α和β為傾角傳感器得出的橫向和縱向角度。若α大于0,,則A端千斤頂打高,,B端千斤頂打低。兩端千斤頂各位移約為α/2乘以AB端點間隔的一半的距離,,然后調(diào)整千斤頂直到橫向水準(zhǔn)氣泡居中,。若β大于0,則A端和B端同時打低,,若β小于0,,則A端和B端同時打高。打高過程中調(diào)整千斤頂直到縱向水準(zhǔn)氣泡居中,。
軟件設(shè)計
(1)軟件功能
軟件功能主要有:①檢測操縱指示器連接狀態(tài),;②連續(xù)讀取縱橫向傾斜角度并求平均值;③將角度值發(fā)送給操縱指示器。
(2)開發(fā)平臺
軟件開發(fā)選擇與裝置硬件中單片機相適應(yīng)的IAR開發(fā)平臺,,使用C語言開發(fā),。
(3)軟件流程
調(diào)平軟件完成讀取縱向與橫向傾斜角度值、模擬顯示水準(zhǔn)氣泡指示,、計算并顯示左右千斤頂調(diào)整方向等功能,,其工作流程如圖6所示,其中單片機讀取角度數(shù)據(jù)的流程如圖7所示,。車體調(diào)平裝置端程序通過串口讀取到傾角傳感器的縱,、向傾斜角度值,根據(jù)角度值分別計算出左,、右千斤頂?shù)恼{(diào)整方向和模擬水準(zhǔn)氣泡的中心位置坐標(biāo),然后將這些值通過串行通信分別發(fā)送到左,、右操縱指示器上,。
圖6 車體調(diào)平裝置軟件流程圖
圖7 讀取角度數(shù)據(jù)流程圖
結(jié)束語
高精度調(diào)平裝置主要用于車載火箭炮平臺和導(dǎo)彈發(fā)射平臺等,本文針對傳統(tǒng)車載平臺依靠人工手動調(diào)整平臺水平,,從而導(dǎo)致調(diào)整時間長,、精度低,進(jìn)而限制影響到火箭炮等武器的機動性和快速反應(yīng)能力,,提出了個人的觀點和設(shè)計,。本文基于MSP430F149單片機,對某型火箭炮車體調(diào)平裝置的控制原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了闡述,。該調(diào)平裝置將傳感器,、數(shù)據(jù)模塊和無線數(shù)傳技術(shù)有機地結(jié)合在一起,可實現(xiàn)車體傾斜度的自動快速檢測,、計算和傳輸,。該裝置具有檢測迅速、控制靈活和操作簡單等優(yōu)點,,能有效提高某型火箭炮的機動性和調(diào)平精度,。