基于磁傳感器的彈丸炮口測速系統(tǒng)設(shè)計開題報告

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計開題報告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號：學(xué) 院：儀器與電子學(xué)院專 業(yè)：微電子科學(xué)與工程設(shè)計題目：基于磁傳感器的彈丸炮口測速系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)教師:張曉明 2014年 11月 13日畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)論文課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述1. 課題研究背景及意義為適應(yīng)現(xiàn)代作戰(zhàn)需要，發(fā)展準(zhǔn)確打擊目標(biāo)武器裝備是各國努力的大方向，而準(zhǔn)確性武器打擊則是常規(guī)彈藥制導(dǎo)化改造的主要研究方向。高精度、實時測量出彈丸飛出炮口的參數(shù)可以事先計算出彈丸從炮口飛出后的運動軌跡，修正外彈道相關(guān)參數(shù)，提高解算精度，進一步有利于提升彈丸的制導(dǎo)準(zhǔn)確度和命

2、中率。對彈丸性能參數(shù)的測量主要集中在彈丸的飛行速度12、飛行姿態(tài)，飛行時間參數(shù)等，其中彈丸飛行速度的測量是武器系統(tǒng)各種運動參數(shù)測試中一項至關(guān)重要的內(nèi)容3。初始速度作為各項初始值中的一項重要參數(shù)之一，在實際工程應(yīng)用過程中，希望在不同環(huán)境條件和射擊條件4，準(zhǔn)確、快速的測量出彈丸炮口速度，為外彈道解算提供初始值，以便計算出彈丸飛出后的運動軌跡。但是彈丸飛行時伴隨有高溫高壓的火藥燃氣和煙霧顆粒等一系列復(fù)雜情況，高旋轉(zhuǎn)、高過載的環(huán)境中飛行，使得傳統(tǒng)方法不容易測量出彈丸炮口速度。彈丸速度是衡量武器性能的基本參數(shù)，也是為射表編制和內(nèi)彈道研究必須提供的數(shù)據(jù)5?；鹋谠谑褂眠^程中，彈丸初速直接影響到外彈道解算精度

3、和彈丸的命中率。所以要求根據(jù)不同的環(huán)境條件(裝藥、炮膛磨損等)和射擊條件迅速、準(zhǔn)確提供彈丸初速的實際值，以便自動修正各射擊參數(shù)，進行精準(zhǔn)打擊?；鹋跈C動性的增強，特別是火炮行進中進行射擊，更要求得到直接、實時的初速度值。所以，初速的實時測量在火炮特別是小口徑火炮中具有很高的使用價值，是火炮數(shù)字化進程中的一部分。彈丸初速在很大程度上反映了火藥裝藥設(shè)計的優(yōu)劣和能量利用率的高低，也是檢驗內(nèi)彈道設(shè)計參數(shù)的重要指標(biāo)6。2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外已有多種測量彈丸炮口初速度的方法。主要分為兩大類，這兩大類分別是外測法和內(nèi)側(cè)法。外測法主要包括激光式測速法、多普勒雷達測速法、高速攝像測速法等測量方法。內(nèi)側(cè)法主

4、要包括光電靶測速法、線圈靶測速法、慣性導(dǎo)航測速法等測量方法。這兩種主要方法各有利弊。外測法需要憑借彈體外部儀器設(shè)施7，體積較大，而且測量時不能將所得的結(jié)果及時的提供給載體，這使得這種方法適用于事后分析，而戰(zhàn)場形勢瞬息萬變，更需要戰(zhàn)時打擊的精確度，所以這類方法的適用性大大降低。內(nèi)側(cè)法主要是將測速裝置安裝在彈體內(nèi)部，實時的解算出測試信息，完成彈道相關(guān)的解算。其中慣性導(dǎo)航測速法主要利用陀螺儀、加速度計或兩者的組合來測量彈丸炮口速度，但彈體發(fā)射后容易使軸向過載而影響測量結(jié)果，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞器件，即使過載傳感器在量程上可滿足高過載要求，但其精度低，適用于射程短、測量精度要求不高的場合；光電靶測速法是利

5、用光敏器件來測量炮口速度，但系統(tǒng)周圍的光線和炮口煙霧顆粒會影響光敏器件工作，適用于夜晚、室內(nèi)等環(huán)境暗、炮管內(nèi)裝藥少的場合；線圈靶測速法是在彈丸的引信和炮管上分別安裝多匣線圈。彈丸出炮口時，引信上線圈會切割炮管上線圈，根據(jù)感應(yīng)電動勢的變化量計算出彈丸炮口速度。線圈安裝于極薄的彈丸壁上，過載沖擊會破壞線圈，影響系統(tǒng)正常工作，同時會破壞彈丸結(jié)構(gòu)的完整性8。2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 國際上目前廣泛用于彈道飛行物測速的方法就是雷達測速法9。多普勒雷達測速儀應(yīng)用多普勒原理10。它能夠測量距離比較遠的飛行物的速度，而且精度很高。北大西洋公約組織將MS公司的758雷達作為測速的標(biāo)準(zhǔn)方法使用，其測速范圍很廣，精度能

6、達到0.1%，能測量最小20mm直徑的彈丸。例如丹麥生產(chǎn)的BS250型雷達能測最大八萬倍口徑距離上的彈丸速度，它的功能較齊全，不僅能測出初速，還能計算出阻力系數(shù)曲線、速度距離曲線、速度時間-曲線。再如美國白沙導(dǎo)彈靶場裝備的靶場測試?yán)走_，它工作在X波段，能跟蹤速度為30m/s到3000m/s的目標(biāo)，其測量精度為0.3m/s。 有些國家的火炮上裝有小型雷達，它可測出火炮的速度降低情況，為火控系統(tǒng)提供修正參數(shù)以提高收發(fā)命中的能力。比如澳大利亞軍方使用一種雷達測速系統(tǒng)能測600發(fā)每分鐘連發(fā)時每發(fā)彈的速度，測速范圍達到50m/s至2400m/s，其精度為達到0.05%。丹麥一家公司的多普勒雷達系統(tǒng)能給出

7、速度、加速度、阻力和高度等參數(shù)。英國公司研制的 Pacer MK2初速測量雷達，測速范圍最大達1000m/s，精度為0.1%，可測75mm口徑以上的彈丸。還有英國馬可尼公司研制的“馬可尼炮兵校準(zhǔn)設(shè)備”系統(tǒng)。英國將這種系統(tǒng)裝備皇家野戰(zhàn)炮兵團，測量炮口速度。整個雷達系統(tǒng)包括小巧輕便的雷達頭和控制裝置，雷達頭裝在火炮上。該系統(tǒng)適合于35mm以上的各類火炮測速。南非陸軍使用的炮口速度分析儀的測速范圍在30m/s達3000m/s。 另外，瑞典的一家電子公司也研制出各種類型的多普勒測速雷達，為兵器測速技術(shù)提供了得力的工具，其中用于彈丸初速測量的雷達有BS800、BS900兩種型號。這種雷達包括兩個主要裝置

8、，分別是雷達部分和速度計算裝置。雷達部分可安裝在炮管上或者在火炮旁的三腳架上，由于它安裝便捷，適應(yīng)性比較強，很適合靶場使用。此外對于彈道學(xué)的研究，不僅需要測量彈丸的初速，而且還希望遠距離上彈丸的飛行速度，確定和比較彈丸的飛行性能，并為射表編制和彈道研究提供依據(jù)。應(yīng)用雷達測速可解決彈丸遠程測速的問題。例如OPOS公司的ED-1000雷達BS-250雷達都可用于彈丸的遠程測速。 國外也提出多種采用磁感應(yīng)原理測量彈丸炮口速度的方法，例如美國學(xué)者Jimmy Q.Schmidt提出一種測彈丸初速的方法，主要利用單渦流線圈來測量炮口速度11。Richerd P.OberUn12提出一種利用電磁感應(yīng)原理測量

9、炮口初始速度的方法，其具體操作過程是在炮管一定位置安裝兩組感應(yīng)線圈，在彈丸內(nèi)部安裝一個永磁體，彈丸飛行分別通過兩組感應(yīng)線圈時，會感應(yīng)到較大磁場從而產(chǎn)生兩個脈沖信號，經(jīng)事先布置好的電子線路解算出彈丸的初始速度。美國Sheldon L.Cytron也提出一種炮口初始速度測量方法，利用布拉格光柵原理來測速，美國已將此裝置用于25mm 口徑的炮彈測速13。此外，Aldo Albertiye14也提出了一種基于電磁感應(yīng)原理測量炮口初始速度的方法，他將一個產(chǎn)生磁的裝置和一個感應(yīng)磁的裝置放置在炮口彈道的一定位置上，彈丸發(fā)射出炮口經(jīng)過磁場發(fā)生裝置，會改變磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場強度，飛行經(jīng)過感應(yīng)磁的裝置時感應(yīng)的

10、磁場也改變將改變的磁場傳到信號處理電路求得炮口速度。彈丸速度是衡量武器性能的重要參數(shù)。速度測量的精確與否直接關(guān)系到武器的性能，所以深入研究彈丸測速技術(shù)，不斷地將一些高新技術(shù)應(yīng)用于彈丸測速技術(shù)，開發(fā)新的彈丸速度測量方法，提高測速精度是一項長期研究的工作，是提高武器戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的一項基礎(chǔ)性工作，也是影響武器發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。彈丸測速為滿足自動化、高精度、寬范圍與實時檢測的目的，正朝著光、機電、計算機相結(jié)合的方向發(fā)展1516。2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 目前國內(nèi)炮彈初速度測量的方法主要有兩種，第一種，就是利用多普勒原理做成的測速儀。它由高頻發(fā)射接收裝置、放大裝置、濾波裝置、信處裝置、控制裝置、以及顯示裝

11、置等組成。但是，由于炮彈初速非?？?，可達每秒數(shù)千米，完全不同于普通運動目標(biāo)的速度測量，所以，對系統(tǒng)的性能要求非常高。比如，要求系統(tǒng)的頻率源要很穩(wěn)定，放大電路的動態(tài)范圍要很寬，信號處理電路的處理速度要很快，總之，要系統(tǒng)地響應(yīng)能力非常強，響應(yīng)時間非常短，而普通的一些電子元件很難達到如此的高要求，所以，此類測速系統(tǒng)的造價往往非常昂貴，價位從幾十萬元到幾千萬元不等。第二種，就是利用截取裝置，來獲得炮彈初速在截取裝置的不同截面（該截面是垂直于炮彈的飛行速度的，也就是炮彈飛行方向上的法平面）上的響應(yīng)時間，而截取平面的距離是事先設(shè)計好的，而且可以做到很精確，同時炮彈飛過截取平面時靠的是光電或電磁感應(yīng)，所以響

12、應(yīng)非?？?，利用距離除以時間，從而可非常精確地測量出炮彈的飛行初速度。目前，廣泛使用的幾種截取裝置是天幕靶（天幕靶的探測區(qū)域是一個具有一定厚度的扇形平面視場，通常把這個扇形視場區(qū)域稱為天幕1718）、光幕靶、線圈靶和金屬箔靶等幾種。為什么把截取裝置叫做什么靶，那是因為該截取裝在炮彈飛行方向的前方或平行于炮彈的飛行方向，似乎是要擊中，實際上只是穿過。由于天幕靶和光幕靶與炮彈非接觸，而且不受飛行物材料的限制，使用方便，相對于多普勒測速儀的價位要低得多，漸漸為廣大用戶而采用。3. 基本技術(shù)原理 彈丸速度是衡量武器性能的基本參數(shù)，也是為射表編制和內(nèi)彈道研究必須提供的數(shù)據(jù)19。由于直接測量彈丸的瞬時速度很

13、困難，無法被儀器直接測量，故而一般都采用間接的測量方法，首先測量與速度有關(guān)的物理量，然后換算為彈丸速度20?；陔姶艌鼍哂锌垢蓴_性強，不受時間、空間限制，即測即用等優(yōu)點，在火炮彈藥制導(dǎo)方面得到研究者的青睞。本課題有效結(jié)合磁阻傳感器和線圈測速，利用電磁感應(yīng)原理來測量炮口初始速度，為外彈道解算提供初值。測量系統(tǒng)從組成結(jié)構(gòu)上來說，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，為不破壞炮管及彈丸結(jié)構(gòu)，確保彈丸發(fā)射后的力學(xué)特性及彈丸表面的過載沖擊力不會破壞線圈，將兩組相同材料、相同阻數(shù)和相同結(jié)構(gòu)的線圈內(nèi)嵌于炮管制退器中，保證兩組線圈的軸線與炮管軸線平行且共線，兩組線圈相距D。三軸磁阻傳感器及相應(yīng)電子線路安裝于彈丸質(zhì)心，保證

14、彈丸在飛行過程中姿態(tài)穩(wěn)定。圖1 測量裝置結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)測量原理如圖1所示。給圖中兩組線圈供電，就能夠產(chǎn)生一定大小的感應(yīng)磁場。當(dāng)彈丸通過第一組線圈時，磁阻傳感器測得線圈產(chǎn)生的較大感應(yīng)磁場，會產(chǎn)生一個脈沖信號，這時單片機的計數(shù)器單元開始計數(shù)，然后彈丸通過第二組線圈時，磁阻傳感器測得線圈產(chǎn)生的較大感應(yīng)磁場，產(chǎn)生第二個脈沖信號，根據(jù)這兩個脈沖信號之間的時間差可得彈丸經(jīng)過兩組線圈的時間t；根據(jù)公式v=D/t可求得彈丸飛行經(jīng)過這段距離的平均速度，由于距離D，與彈丸高速飛行速度相比較小，所以可近似認(rèn)為這段距離的平均速度就等于彈丸炮口初速度21。4. 總結(jié)通過國內(nèi)外一些文獻資料，我大致了解了目前所研究課題的重要性

15、和必要性，并且對彈丸炮口測速技術(shù)的幾種方法有了初步認(rèn)識，對一些方法進行了探討。本研究課題所采用的方法相比以往的彈丸炮口測速方法有一些不同，目前基于磁阻傳感器測彈丸速度的方法也有，不過制造方式比較復(fù)雜得不到大規(guī)模推廣，本研究課題所采用的彈丸內(nèi)載傳磁感器測速方法會有很大優(yōu)勢，目前磁阻傳感器造價低廉是一個重要原因，而且也不會破壞彈丸炮管的完整性?，F(xiàn)在本人對這種測速方法原理已經(jīng)大概掌握，研究細節(jié)及所要解決的各項問題也已經(jīng)明確，需要更進一步的了解和處理這些已知和未知的問題。參考文獻1 鄔晶，王鐵嶺，王松.天幕靶測速系統(tǒng)的標(biāo)定技術(shù)的研究.中國測試，2009，35(1)：1141172 V.Darmstae

16、dter,J.F.Delaigle,J.J.Quistquater.An efficient method for continuous measurement of projectile motion in ballistic impact experiments. UNITED STATES PATENT,Jul7.20053 劉世平，黃帆.彈丸飛行姿態(tài)的紙靶測試誤差分析J.兵工學(xué)報彈箭分冊，1987（2）：71844陳新，曹從詠，劉英舜.彈丸初速膛口激光實時測量系統(tǒng)研宄J.彈道學(xué)報，2002，14(1)：84-86.5 孫強.彈丸初速的測定方法.一重技術(shù)，2002，7（2）：52536

17、余曉軍.一種新型槍彈測速系統(tǒng)的研制.碩士學(xué)位論文.武漢：華中科技大學(xué)，20037秦麗，范建英，李杰等.彈丸炮口初始速度、姿態(tài)測量方法分析與比較J.火炮發(fā)射與控制，2013，(4)： 72-76.8李杰，秦麗，范建英等.適用于高過載彈用微慣導(dǎo)系統(tǒng)的炮口初速實時測量方法P.專利證號：201310594101.1,2013.9 吳祥海，徐誠，周克棟等.槍彈彈速測量的現(xiàn)狀、問題與發(fā)展.測試技術(shù)學(xué)報，1994，8（1）：384610 蒙占海，靳秀文，李法旺.用計算機控制雷達測速和天幕靶測速的一種電路.測試技術(shù)學(xué)報，2002，16（?？?1732111Jimmy Q. Schmidt. An auto

18、matic velocity dependant delay system for use within and beyond themuzzle blast region of a gunP. US. Pat:AD-A 121260,1982.12Richerd P. Oberlin. Apparatus and method for calculating muzzle velocityP. US. Pat: 6064196, 1997.13Sheldon L.Cytron. Apparatus and method for measuring exit velocity of a gun

19、 round PUS.Pat:6644111Bl,2002.14Aldo Alberti. Device and method for determining the muzzle velocity of projectP.US.Pat:20040250615A1, 2004.15 吳志林.大口徑機槍雙頭彈內(nèi)彈道實驗研究.博士學(xué)位論文.南京：南京理工大學(xué)，199916 NI Jin-ping,HOU Hong-lu,SUN Jian,WANG Tie-ling .The Velocity Measurement of Projectile in End-Trajectory with Six-

20、Sky-Screen System. JOURNAL OF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY ,2007, 21(2):172417 WU Jing, WANG Tie-ling, WANG Song.Research on calibration technique of the sky screen target velocity measurement system.CHINA MEASUREMENT & TEST, 2009, 35(1):121418 董華，倪晉平，王鐵嶺.基于天幕靶的彈丸過靶信息探測提取方法的研究.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2009，

21、29（4）：84384819 孫強.彈丸初速的測定方法.一重技術(shù)，2002，7（2）：525320王斌.迫擊炮彈在膛內(nèi)運動姿態(tài)、速度測試方法初探J.兵工標(biāo)準(zhǔn)化，1999，(4)：18-20.21范建英.彈丸炮口速度測試研究.碩士學(xué)位論文.太原：中北大學(xué)，2014 畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：1 1. 本課題的主要任務(wù) （1）理解測速原理 （2）了解磁傳感器調(diào)節(jié)原理 （3）搭建硬件電路和軟件程序的設(shè)計 （4）熟悉單片機C語言編程 （5）使用MATLAB進行算法仿真 （7）進行程序調(diào)試并優(yōu)化 （8）進行半物理仿真驗證2. 擬采用的研究手段2.1

22、設(shè)計方案思路 根據(jù)初步掌握的原理畫出原理圖。圖2 彈丸炮口測速原理圖由圖2我可以進一步詳細的研究各部分具體的操作步驟，這里我采用模塊化思想將各個步驟用集成模塊的形式進行逐一解決。硬件部分主要包括兩組通電線圈的設(shè)計、磁信號采集與控制電路設(shè)計。兩組通電線圈模塊用于產(chǎn)生感應(yīng)磁場；磁信號采集與控制電路主要包括磁阻傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、信號處理模塊、FLASH存儲模塊和電源模塊。電源模塊用于給其它模塊供電；磁阻傳感器模塊用于測量彈丸分別通過兩組線圈的磁信號；信號調(diào)理模塊將磁信號進行濾波放大處理。信號處理模塊中包含數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、控制單元和解算單元。數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便解算單元數(shù)據(jù)

23、處理。解算單元會結(jié)合事先軟件中設(shè)置好的閾值將信號數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)信號數(shù)字量大于第一次大于閾值時，計時器開始工作，信號數(shù)字量第二次大于閾值時，計時器停止工作，將這二者的時間差進行數(shù)據(jù)計算，得出速度值。磁阻傳感器在工作過程中需要處理模塊不斷發(fā)送PWM波對其進行復(fù)位，以防受強磁場干擾時降低傳感器的精度。若需要將所采集的數(shù)據(jù)存儲起來，可通過外部FLASH存儲單元進行存儲。軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化模塊、ADC釆集模塊、定時器模塊、中斷模塊和解算模塊。硬件部分具體模塊如圖3所示。圖3彈丸炮口測速模塊2.2 模塊功能實現(xiàn) 磁阻傳感器模塊 本次利用磁阻傳感器測彈丸炮口初速的設(shè)計研究將選用Honeywel

24、l公司研制的HMC1043型各項異性傳感器，該傳感器有精度高耐用性好等特點，而且內(nèi)部自帶復(fù)位單元使其有較高的穩(wěn)定性。該傳感器符合彈丸設(shè)計體積小高精度的要求。 信號調(diào)理模塊 信號調(diào)理模塊是對獲得的磁信號進行放大和濾波，根據(jù)所選用的磁阻傳感器，對要選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器也會有要求，目前可以選用AD公司生產(chǎn)的AD8426芯片進行放大。 磁阻傳感器的復(fù)位模塊 磁阻傳感器長期工作于強磁場環(huán)境中時，內(nèi)部會分成若干方向的磁區(qū)域，降低了磁阻傳感器的靈敏度，影響測量結(jié)果。為提高磁阻傳感器的靈敏度，使得磁阻傳感器復(fù)位模塊的設(shè)計成為該系統(tǒng)精確測量的重點。復(fù)位模塊是給磁阻傳感器輸入周期性脈沖信號，重新復(fù)位磁阻傳感器中的磁性材料，恢復(fù)其靈敏測量精度。設(shè)計復(fù)位模塊電路所需要的元器件包括PNP三極管、NPN三極管、電容和若干電阻。 信號處理模塊 信號處理模塊所選用的芯片是本次設(shè)計研究的重中之重。本設(shè)計選用ST公司生產(chǎn)的STM32F4系列的STM32F405RG芯片，該芯片擁有集成度高、傳輸速度快、低功耗、效率高等特點。 FLASH存儲模塊 在實際運用中，可能會出現(xiàn)內(nèi)部存儲單元內(nèi)存不夠，數(shù)據(jù)溢出影響測試結(jié)果的情況，需要外接FLASH存儲單元存儲數(shù)據(jù)。這里選用三星生產(chǎn)的K9F2G08U0M 256x8 bit的NAND FLASH存儲芯片作為備用芯片。該存儲器具