楊玉貴，劉記凱，齊曉林，吳 俊，薛軍鵬

（1.解放軍95927部隊，河北滄州 061736；2.空軍工程大學，陜西西安 710038）

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的航炮加速器運動特性分析

楊玉貴1，劉記凱1，齊曉林2，吳 俊1，薛軍鵬1

（1.解放軍95927部隊，河北滄州 061736；2.空軍工程大學，陜西西安 710038）

對某航炮加速器運動特性進行了分析，測繪了加速器滾輪運動曲線，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行擬合。給出了各運動件之間的約束關(guān)系，運用MATLAB軟件對加速器運動特性進行了仿真計算，并對仿真結(jié)果進行了分析。為進一步研究加速器運動特性和改進設(shè)計提供了理論參考。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；航炮；加速器；運動特性

某航炮加速器通過滾輪在進彈機的線槽中運動，完成給機心組加速前沖或后退的工作。前沖或后退的過程是由多個部件組成的多連桿機構(gòu)運動完成的，相互之間運動關(guān)系復(fù)雜，很不直觀，不容易理解和掌握其運動特性。為了更好地掌握其運動特性，筆者采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對進彈機線槽進行擬合逼近，通過連桿間的約束關(guān)系進行解算，定量分析了其運動特性。

1 傳動關(guān)系

航炮空中裝彈或射擊時，火藥氣體推動裝彈活塞或活塞桿帶動滑板在進彈機體內(nèi)的運動槽中做往返直線運動，而滑板通過加速器軸與加速器連接，從而驅(qū)動加速器運動。一方面驅(qū)動加速器滾輪沿進彈機體的曲線槽運動；另一方面通過連桿軸與連桿的一端連接，并驅(qū)動連桿運動。連桿的另一端通過機心銷與機心連接，連桿運動也就帶動機心在水平送彈線上做往返運動。加速器傳動關(guān)系如圖1所示。

由于火藥氣體推力變化的高度非線性，加速器運動過程中的各種阻力和摩擦力的作用，實際模型復(fù)雜，加之實驗條件的限制，研究非常困難。筆者對模型進行簡化，即假設(shè)在火藥氣體推動下，滑板做勻速運動，并由此推算出機心的運動情況，從而對加速器的運動特性進行分析。

2 坐標系的建立

圖2為加速器另一個側(cè)面?zhèn)鲃雨P(guān)系圖，圖中坐標系的x軸與炮管軸線平行，并通過機心銷軸心，指向炮的前方為正；y軸通過滾輪軸心在曲線槽中最后位置點，向上為正。

2.1 加速器軸心的運動

加速器軸用來連接滑板和加速臂，隨滑板前后往返運動，其軸心如圖2點E所示。設(shè)點E坐標為（xE，50.33），在直線CD上運動。50.33mm為點E的縱坐標，由測繪得到。為了研究需要，假設(shè)滑板從最后位向最前位勻速運動半個周期，因此，橫坐標xE是預(yù)先給定的線性變化量，假設(shè)：

式中，常系數(shù)29.8mm為滑板在最后位初始運動時E點的橫坐標值，由測繪得到；常系數(shù)0.98mm／s為假定的滑板水平勻速運動速度。

2.2 AB曲線擬合的原則

加速器滾輪沿進彈機體曲線槽運動，圖2中，AB為滾輪軸心的運動軌跡曲線，是經(jīng)測繪并擬合得到。設(shè)點F的坐標為（xF，yF），其運動坐標值的確定與E點有關(guān)，當E點處于最后位時，F(xiàn)點處于A點；當E點處于最前位時，F(xiàn)點處于B點。因為曲線AB采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，因此，曲線AB上的點先預(yù)先生成，步長滿足計算需要。運動過程中，隨E點的運動變化，F(xiàn)點坐標就可以確定，使線段EF的長度與加速器和滾輪兩軸心距離之差最短，即：

式中，常系數(shù)37.45mm為加速器和滾輪兩軸心距離，由測繪得到；約束條件xE＞xF限制了E點處于F點的前面，確保解的唯一性。

2.3 連桿軸心的運動坐標

加速臂通過連桿軸與連桿連接，連桿軸心如圖2點G所示。設(shè)點G的坐標為（xG，yG），根據(jù)三角關(guān)系，可得：

2.4 機心鉸鏈銷軸心的運動坐標

機心鉸鏈銷用來連接連桿和機心組，機心鉸鏈銷軸心如圖2點H所示。設(shè)點H的坐標為（xH，0），可得：

式中，常系數(shù)163.72mm為GH的長度，由測繪得到。

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法

BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［1］是一種被廣泛采用的前饋網(wǎng)絡(luò)，它基于最小均方誤差準則，主要由正向計算和誤差反向傳播組成。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的逼近能力和曲線擬合能力。

加速器滾輪沿線槽運動的曲線，形狀很不規(guī)則，難以得到解析方程。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，方法簡單，降低了問題研究的難度。只要滿足測繪點的數(shù)量和精度要求，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合曲線能滿足加速器運動特性的研究的需求。其基本思路：通過測繪，獲得足夠多的學習樣本，按照BP學習算法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，通過比較網(wǎng)絡(luò)實際輸出和期望輸出誤差來不斷調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，直到達到要求的精度為止。

筆者采用三層BP網(wǎng)絡(luò)，一個輸入層，一個隱含層，一個輸出層。輸入層和輸出層均為單節(jié)點，輸入層為橫坐標位移，輸出為縱坐標位移。隱含層節(jié)點數(shù)為10。

由于在加速器滾輪軸心點F的坐標計算過程中，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的是數(shù)值解，而不是解析解，所以得到的結(jié)果可能存在波動現(xiàn)象，因此必須進行濾波，本文采用十階滑動平均濾波［2］。

圖3為采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的過程。網(wǎng)絡(luò)具有很好的收斂特性，迭代次數(shù)達到50時，擬合曲線的誤差略大于10-2，精度能滿足本文仿真計算的需求。

4 計算結(jié)果及分析

采用MATLAB軟件［3］仿真計算結(jié)果如圖4～圖7。

圖4為加速器滾輪在進彈機的線槽的運動曲線經(jīng)測繪和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的曲線，兩者重合性很好，說明運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的曲線AB能滿足后面計算的需要。運動過程中點E和點H沿水平方向運動，而點F和點H的運動曲線如圖5所示，與實際運動相符。

圖6為點E、F、G、H的動態(tài)運動的軌跡，可以看出E點從左往右沿水平線運動，帶動F點沿曲線AB運動，而G點做類似M形狀的運動，最后推動H點在x軸上做直線運動。

圖7為點F、G、H相對于點F在曲線AB上運動時，各位置點分別在x或y方向?qū)?yīng)的速度。從圖中可以看出，末端點H的速度變化是，初始端和末端速度較小，且變化緩慢，中間段加速，速度較大。這有利于航炮拉彈帶、鎖膛、開膛、退殼等，又有利于提高航炮射速。速度最大出現(xiàn)在曲線AB斜率絕對值最大的地方，也就幾乎是點F運動到直線CD的位置，即EF幾乎水平；在曲線AB斜率絕對值較小的地方，速度值及其變化值較小。連桿GH的作用，主要是使H點保留G點x軸方向的運動，去除y方向的運動。

圖8為滑板與機心在x方向上的傳速比?；迮c機心最大傳速比［4］出現(xiàn)在機心運動到中間段30～40mm范圍，約為6，最小傳速比出現(xiàn)在機心運動的兩端，約為0.3。

5 結(jié) 論

通過測繪加速器滾輪運動的曲線，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，用于末端點H速度的計算，整個計算過程正確，能滿足加速器運動特性分析，對理解加速器運動特性和作用機理提供了有益的參考，并為加速器運動性能的改進設(shè)計和研制提供了一定的理論依據(jù)。

（References）

［1］武虎子，南英，王斯財，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無動力彈攻擊區(qū)擬合分析［J］.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2008，（6）：41-44.

WU Huzi，NAN Ying，WANG Sicai，et al.Attack zone fitting of no-power missile based on BP neural network［J］.Missile and Space Vehcile，2008，（6）：41-44.（in Chinese）

［2］周瑜.一種新型的氣體管道泄露檢測與定位技術(shù)研究［D］.北京：北京理工大學，2007.

ZHOU Yu.Research on the new technology of the gas pipeling leakage detection and localization［D］.Beijing：Beijing Institute of Technology，2007.（in Chinese）

［3］薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB／Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

XUE Dingyu，CHEN Yangquan.The system simulation technology and application based on MATLAB／Simulink［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2004.（in Chinese）

［4］齊曉林.航空自動武器［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

QI Xiaolin.Aviation automatic weapon［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2008.（in chinese）

Analysis of the Kinematic Characteristic on the Aircraft Gun Accelerator Based on BP Neural Network

YANG Yugui1，LIU Jikai1，QI Xiaolin2，WU Jun1，XUE Junpeng1

（1.No.95927unit of PLA，Cangzhou 061736，Hebei，China；2.Air Force Engineering University，xi’an 710038，Shaanxi，China）

The kinematic characteristic of aircraft gun accelerator is analyzed and investigated.The kinematic curve of accelerator idler wheel is mapped，and is fitted by BP neural network.The restriction relation between the kinetic parts.The kinematic characteristic of accelerator is simulated and calculated by Matlab，and the results of simulation are analyzed.A theory reference is offered for further investigating the kinematic characteristic of accelerator and improving and designing the accelerator.

BP neural network；aircraft gun；accelerator；kinematic characteristic

TJ301，TJ302

A

1673-6524（2014）02-0012-04

2013-03-05；

2013-05-20

楊玉貴（1973-），男，博士，副教授，主要從事航空軍械和自動化控制技術(shù)研究。E-mail：yangyugui＠bit.edu.cn