孫致遠(yuǎn)，鄭　堅，熊　超，殷軍輝

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊　050003)

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某自行高炮浮動參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孫致遠(yuǎn)，鄭堅，熊超，殷軍輝

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊050003)

為了能夠?qū)崟r掌握自行高炮自動機(jī)性能，提高裝備的可靠性，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計并建立了自行高炮浮動參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)利用磁致伸縮位移傳感器，實現(xiàn)了后坐位移的精確測量；設(shè)計了一種具有高速采集和片上處理功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、儲存與無線傳輸；開發(fā)了上位機(jī)軟件，能夠根據(jù)回傳數(shù)據(jù)，完成后坐曲線的顯示和浮動參數(shù)的自動提取。實彈測試試驗表明，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠基本滿足自行高炮浮動參數(shù)在線監(jiān)測的要求。

浮動參數(shù)；狀態(tài)監(jiān)測；位移傳感器；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

自動機(jī)是自行高炮火力系統(tǒng)重要的組成部分之一，直接實現(xiàn)彈丸的快速連續(xù)擊發(fā)。在惡劣的使用環(huán)境下，隨著射彈次數(shù)的增多，其內(nèi)部各單元必然會出現(xiàn)一定程度的損傷和老化，當(dāng)其內(nèi)部機(jī)構(gòu)性能退化到達(dá)一定程度或損傷積累到一定量時，會直接影響到任務(wù)的完成，甚至?xí)ρb備及人員造成巨大危害。

對后坐曲線的精確測量及浮動參數(shù)的準(zhǔn)確提取是掌握自動機(jī)工況性能及健康狀態(tài)的重要手段之一。文獻(xiàn)[1]利用人工后坐原理，通過PXI采集系統(tǒng)測量得到坦克火炮后坐曲線；文獻(xiàn)[2]利用拉線式位移傳感器，通過數(shù)據(jù)采集及調(diào)理，實現(xiàn)坦克火炮后坐位移的測量，但自行高炮與坦克火炮相比，射擊頻率高，后坐位移小，要求測試系統(tǒng)具有較高的測試精度和響應(yīng)頻率；文獻(xiàn)[3]利用磁致伸縮傳感器，通過單片機(jī)完成高炮浮動位移的采集，但在其數(shù)據(jù)傳輸過程中依舊使用有線傳輸，靈活性較差，受裝備動作影響較大。這些測試方法在測試自動機(jī)后坐曲線時，往往需要在特定的試驗條件下，利用較多測試及分析設(shè)備進(jìn)行測量，操作程序復(fù)雜，測量效率低且測試信息實效性差，無法為正在執(zhí)行作戰(zhàn)或訓(xùn)練任務(wù)的裝備提供有效信息。

為了能夠及時獲取自行高炮浮動參數(shù)、掌握火力系統(tǒng)工作狀態(tài)，筆者結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks, WSNs)技術(shù)[4]，設(shè)計并建立自行高炮浮動參數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對自行高炮射擊后坐曲線的在線監(jiān)測及浮動參數(shù)的自動提取，為自動機(jī)的狀態(tài)評估及故障診斷提供重要數(shù)據(jù)支持，為裝備的可靠運行提供重要保障。

1　監(jiān)測系統(tǒng)組成及工作原理

1.1磁致伸縮位移傳感器

自行高炮浮動參數(shù)的測試要求傳感器具有較高的精度、響應(yīng)頻率及具有較強(qiáng)的抗沖擊、抗振動性能。為此本系統(tǒng)選用磁致伸縮位移傳感器。磁致伸縮位移傳感器主要由波導(dǎo)管、磁性滑塊和測量頭組成，利用磁致伸縮原理，通過兩個磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號準(zhǔn)確得到位移信息。和傳統(tǒng)的位移傳感器相比，磁致伸縮位移傳感器具有以下優(yōu)勢[5]：

1)傳感器將位移量轉(zhuǎn)化為發(fā)射與返回脈沖間的時間間隔，測量精度高達(dá)0.002%FS。

2)傳感器非接觸測量的特性能夠保證在準(zhǔn)確測量出炮箱后坐位移的同時不對機(jī)構(gòu)運動造成影響。

3)傳感器內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路被密封在不銹鋼腔體內(nèi)部，與機(jī)構(gòu)固定端相連接，使其能夠盡量避免被自動機(jī)的沖擊和高溫所影響。

4)其標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號便于直接被網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點所采集，提高系統(tǒng)的自動化程度。

傳感器相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　磁致伸縮位移傳感器性能參數(shù)

續(xù)表1　磁致伸縮位移傳感器性能參數(shù)

位移傳感器的供電單元采用鎳氫電池組，體積小，方便安裝，能夠為傳感器提供24 V穩(wěn)定直流電壓，滿足其長時間工作的需要。

1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與組成

本系統(tǒng)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建起無線、分布式的狀態(tài)信號采集網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)由一個匯聚(Sink)節(jié)點和多個采集節(jié)點組成，匯聚節(jié)點與監(jiān)控上位機(jī)相連，負(fù)責(zé)完成整個網(wǎng)絡(luò)的建立、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)中采集節(jié)點的管理和控制；采集節(jié)點與前端傳感器直接相連，搜索加入無線網(wǎng)絡(luò)后受匯聚節(jié)點控制，主要負(fù)責(zé)狀態(tài)信號的采集、處理與傳輸。系統(tǒng)監(jiān)測的主要內(nèi)容為左、右自動機(jī)的后坐位移，網(wǎng)絡(luò)中采集節(jié)點較少，數(shù)據(jù)傳輸距離在10 m之內(nèi)，覆蓋面積較小，因此選擇單跳星型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，易于組網(wǎng)，魯棒性強(qiáng)，滿足小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)高性能數(shù)據(jù)采集的要求[6]。

1.2.1采集節(jié)點

采集節(jié)點采用雙核心設(shè)計[7]，無線射頻芯片CC2430主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、節(jié)點管理及命令與數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)；ARM微控制器STM32F103主要負(fù)責(zé)完成對傳感器輸出電壓信號的采集、儲存及處理。節(jié)點雙核心獨立工作，能夠有效避免多任務(wù)調(diào)度問題，高效完成信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、運算儲存及無線發(fā)送等功能，有效提高節(jié)點效率。

采集節(jié)點主要由采集模塊、控制模塊、無線通信模塊、儲存模塊和電源模塊組成。采集模塊主要利用TI公司推出的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1274，通過控制器內(nèi)部的定時器實現(xiàn)四通道電壓信號的精確同步采集，具有AC和DC兩種耦合模式，是節(jié)點進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的最終執(zhí)行單元；采集到的數(shù)據(jù)通過DMA模式SPI接口與控制模塊通信；儲存模塊中利用Micro-SD儲存卡，在控制器控制下，按照乒乓緩存機(jī)制，將采集到的數(shù)據(jù)可靠儲存；控制模塊由ST公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103微控制器構(gòu)成，芯片集成了定時器、ADC、SPI、UART等多種功能，且具有較低功耗。無線通信模塊主要由CC2430構(gòu)成，它是一種基于IEEE 802.15.4和Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的片上系統(tǒng)解決方案，具有良好的RF收發(fā)器性能，其內(nèi)部包含一個增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，使用2.4GHz波段，傳輸速率為250 kb/s，傳輸距離為10～75 m，具有封裝體積小、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單、低成本、低功耗及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。無線通信模塊除完成指令的發(fā)送與接收外，還負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)信息及時回傳。控制模塊與無線通信模塊通過GPIO完成同步，通過串口實現(xiàn)通信；電源模塊包含兩節(jié)3.7 V鋰電池，具有2 400 mA·h容量，滿足采集節(jié)點各模塊供電需求，保證采集節(jié)點的可持續(xù)性工作。采集節(jié)點各模塊連接及工作流程如圖2、圖3所示。

1.2.2上位機(jī)軟件

匯聚節(jié)點主要由通信模塊組成，與上位機(jī)通過USB接口相連，完成網(wǎng)絡(luò)的組建與網(wǎng)絡(luò)通信。上位機(jī)軟件運行在Windows操作系統(tǒng)上，運用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)和Visual Studio開發(fā)工具，采用C#編程語言編寫，結(jié)合模塊化設(shè)計思想，基于.NET框架進(jìn)行開發(fā)。監(jiān)測系統(tǒng)軟件的主要功能是管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置、網(wǎng)絡(luò)的組建、節(jié)點狀態(tài)的監(jiān)測、節(jié)點功能的設(shè)置、采集控制、采集數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)儲存與數(shù)據(jù)分析等功能。

2　應(yīng)用實例

2.1后坐曲線的監(jiān)測

位移傳感器分為基座與活動磁鐵兩部分，通過夾具安裝于裝備上，安裝時應(yīng)遵循以下原則：

1)基座與裝備靜止部位緊密相連，且連接時確保在機(jī)構(gòu)運行時不發(fā)生松動。

2)基座盡量避免受到強(qiáng)烈沖擊、振動和高溫等惡劣條件影響。

3)滑動磁鐵與火力系統(tǒng)浮動部分緊密相連，在運動時避免與其他機(jī)構(gòu)發(fā)生接觸，影響機(jī)構(gòu)運動。

4)滑塊受力盡量與運動方向一致，減少后坐時與基座導(dǎo)軌間的相互作用。

5)夾具應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，避免在運動時出現(xiàn)變形。

位移傳感器與火力系統(tǒng)自動機(jī)連接如圖4所示。

結(jié)合火力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作時各機(jī)構(gòu)的運動情況，將傳感器基座固定于浮動機(jī)與前懸置連接的圓柱部位上，滑動磁鐵通過2個萬向節(jié)和螺桿與筒形夾具相連接，筒形夾具緊緊抱死身管，保證身管后坐時不發(fā)生相對運動，滑動磁鐵與基座導(dǎo)軌嵌合并能夠自由滑動，注意嵌合時應(yīng)將滑動磁鐵的滑動范圍置于基座的有效測量范圍之內(nèi)，使整個運動過程能夠被準(zhǔn)確采集。在安裝時盡量使導(dǎo)桿指向與身管后坐方向一致，保證傳感器工作的安全穩(wěn)定。

網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點固定在炮塔上方平面位置，采集位移傳感器的輸出信號，下部加墊泡沫墊用以減震。匯聚節(jié)點與計算機(jī)相連，位于炮塔上方炮艙入口處。

進(jìn)行實彈射擊試驗時，監(jiān)測條件為5連發(fā)射擊，射角水平，采樣頻率為10 kHz，測得浮動位移曲線如圖5所示。在第一發(fā)炮彈射擊時，自動機(jī)未完全實現(xiàn)浮動，因此首發(fā)后坐距離一般在整個射擊過程中最大，a、b、c分別為首發(fā)射擊過程中自動機(jī)的一次后坐極值、二次后坐起始點及二次后坐極值。從第2發(fā)炮彈開始，自動機(jī)進(jìn)入浮動射擊狀態(tài)，后坐位移基本保持在一定范圍之內(nèi)，即在d、e間往復(fù)運動。

2.2浮動參數(shù)的提取

常用的浮動參數(shù)有首發(fā)后坐極值、一次后坐平均值、二次后坐平均、擊發(fā)點位置平均值、后坐時長、復(fù)進(jìn)時長及射擊頻率等?？梢钥闯觯懈訁?shù)都是由后坐曲線中的極值點直接或經(jīng)過計算確定的，因此，浮動參數(shù)的提取可以看做是后坐曲線中波峰和波谷的自動識別。

識別浮動曲線中有效波峰與波谷的方法如下：首先確定數(shù)據(jù)序列X中數(shù)據(jù)點的比較范圍ε，在此選擇a與b之間的數(shù)據(jù)點個數(shù)為ε值；對于X中的任意一個數(shù)據(jù)點xi，選擇[xi-ε,xi+ε]為相鄰比較序列，若xi為相鄰比較序列中的最大值或最小值，則可以確定xi為整個浮動曲線的一個有效波峰或波谷；對選擇出的波峰值及波谷值進(jìn)行篩選、計算等處理，可以得到自行高炮的浮動參數(shù)。

對試驗所得后坐位移曲線進(jìn)行參數(shù)提取，得到相關(guān)浮動參數(shù)如表2所示。

表2　浮動參數(shù)測量結(jié)果

通過對浮動曲線的測量和對浮動參數(shù)的分析可以看出，自行高炮射速在450～610 發(fā)/min之間，最大后坐位移在30 mm之內(nèi)，浮動射擊位移在6～12 mm之間，符合各指標(biāo)要求；且從后坐位移曲線上能夠看出，炮箱在運動過程中無明顯卡滯現(xiàn)象，整個自動機(jī)狀態(tài)性能良好。

在整個采集過程中，傳感器及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的安裝對炮塔的轉(zhuǎn)動及射擊基本不造成影響。對于包含一個單通道采集節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，以10 kHz的采樣頻率，對變化的位移量采集7 s，采集節(jié)點將數(shù)據(jù)存入節(jié)點SD卡，大約19 s后能夠完成數(shù)據(jù)向上位機(jī)的無線傳輸。與傳統(tǒng)的檢測方法相比，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行浮動參數(shù)監(jiān)測具有較高的監(jiān)測效率，且在設(shè)備及線纜布置上具有極高的靈活性。

3　結(jié)論

筆者綜合利用傳感器技術(shù)及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計并建立了自行高炮浮動參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。從實際應(yīng)用效果及監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本實現(xiàn)了自動機(jī)后坐位移的準(zhǔn)確采集和數(shù)據(jù)的可靠傳輸，上位機(jī)監(jiān)測實現(xiàn)了位移曲線的顯示、儲存及浮動參數(shù)的有效提取，監(jiān)測系統(tǒng)基本達(dá)到了對自行高炮浮動參數(shù)在線監(jiān)測的要求。

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Design and Implementation of a Certain Self-propelled Anti-aircraft Gun Floating Parameter Monitoring System

SUN Zhiyuan, ZHENG Jian, XIONG Chao, YIN Junhui

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003, Hebei, China)

For the purpose of keeping track of the performance of the auto-mechanism of self-propelled anti-aircraft gun and improve its reliability, the floating parameter monitoring system of self-propelled anti-aircraft gun was designed and established based on the wireless sensor networks (WSNs) technology. In the monitoring system, the magnetostriction displacement sensors were used to successfully and accurately pick up the recoil displacement. A WSN node with high speed acquisition and on-chip processing was designed to realize the data collection, storage and wireless transmission. The host compu-ter software was designed to achieve the recoil curve display and the floating parameter automation extraction according to the data received. The firing test shows that the system can basically satisfy the floating parameter on-line monitoring requirement.

floating parameter;working condition monitoring; displacement sensor; wireless sensor networks

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.013

2015-06-10

孫致遠(yuǎn)(1990—)，男，碩士研究生，主要從事武器性能檢測與故障診斷技術(shù)研究。E-mail：sunzhiyuandll@163.com

TJ206

A

1673-6524(2016)02-0062-05