裝甲車輛模擬射擊中身管角度采集裝置設(shè)計(jì)

劉東輝，劉 浩，孫曉云，奚樂樂，邊玲玲

(1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北石家莊 050018； 2.石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北石家莊 050043)

裝甲車輛模擬射擊中身管角度采集裝置設(shè)計(jì)

劉東輝1，劉 浩1，孫曉云2，奚樂樂1，邊玲玲1

(1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,河北石家莊 050018； 2.石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北石家莊 050043)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了裝甲車輛實(shí)裝模擬射擊訓(xùn)練中通用型身管角度采集裝置。該裝置是通用型實(shí)裝模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的一個(gè)測(cè)量部件。詳細(xì)闡述了該裝置的實(shí)現(xiàn)原理和方法。裝置在傾斜角和俯仰角的采集中采用ADXL345三軸加速度計(jì)來達(dá)到高精度的要求，在方位角采集中采用槽光耦和光柵盤為核心的計(jì)數(shù)單元進(jìn)行角度測(cè)量。裝置對(duì)采集到的身管各個(gè)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行了角度解算，最終通過串行接口和LCD等多種形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和顯示。

角度測(cè)量; ADXL345三軸加速度計(jì); 槽光耦; 數(shù)據(jù)采集

中國(guó)已經(jīng)列裝在裝甲機(jī)械化部隊(duì)的武器裝備與現(xiàn)有的武器模擬訓(xùn)練器材相比，發(fā)展不平衡，使得培訓(xùn)駕馭現(xiàn)代裝備人才的難度增大，消耗增多，極大地制約了部隊(duì)作戰(zhàn)能力的快速提升。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套以STC5A60S2為控制核心，以ADXL345加速度傳感器芯片[1]和槽光耦計(jì)數(shù)模塊為采集單元的身管角度采集裝置。作為各型車載武器裝備通用的身管角度測(cè)量裝置，通過顯示屏和數(shù)字串行接口等多種形式[2]，構(gòu)成通用型實(shí)裝模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)的一個(gè)測(cè)量部件。

1 原理及用途

通用型實(shí)裝模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 通用型實(shí)裝模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of universal mounting simulated shooting training system

在訓(xùn)練開始時(shí)，將ADXL345三軸加速度計(jì)固定在與車體平行的身管位置上，在啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)前，通過觀察裝甲車輛內(nèi)部機(jī)械指示裝置，將身管搖至0°俯仰角和0°方位角(相對(duì)于車體)，系統(tǒng)上電后，裝置測(cè)得整個(gè)車體的絕對(duì)傾斜角和絕對(duì)俯仰角(絕對(duì)俯仰角和絕對(duì)傾斜角是針對(duì)地球直角坐標(biāo)系而言)，將其傳輸給目標(biāo)顯示裝置進(jìn)而完成系統(tǒng)初始化。其中，裝置傳輸給目標(biāo)顯示裝置和成績(jī)判定裝置的數(shù)據(jù)是不同的。

2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)裝置分為2部分：第1部分是身管絕對(duì)俯仰角、絕對(duì)傾斜角和方位角的變化量的采集;第2部分是將采集的數(shù)據(jù)在LCD上顯示并通過數(shù)字串行接口進(jìn)行傳輸。絕對(duì)俯仰角、絕對(duì)傾斜角采集工作由ADXL345三軸加速度計(jì)完成，方位角的變化量的采集工作由槽光耦計(jì)數(shù)模塊完成，顯示工作由LCD1602實(shí)現(xiàn)。

2.1身管絕對(duì)俯仰角、絕對(duì)傾斜角的采集

ADXL345加速度傳感器芯片[3]與單片機(jī)的硬件連接電路如圖2所示。

圖2 ADXL345與單片機(jī)連接電路圖Fig.2 ADXL345 and MCU connection schematic

裝置利用ADXL345數(shù)字加速度計(jì)[4]所采集的三軸重力加速度數(shù)據(jù)的反正切函數(shù)來計(jì)算相應(yīng)的身管俯仰角和傾斜角[5]。通過角度的正負(fù)值來區(qū)分身管與初始位置的偏離方向。身管角度是以密位(mil)為單位，360°為6 283 mil，在中國(guó)將其取整，一般認(rèn)為360°為6 300 mil，則1°為17.5 mil，1 mil約為0.057°。

2.2方位角變化量的采集

以槽光耦[6]和光柵盤為核心的計(jì)數(shù)單元分為兩部分，如圖3和圖4所示[7]，固定有槽光耦的手握部分(以下簡(jiǎn)稱手柄)和光柵盤部分。因?yàn)槭直D(zhuǎn)一圈所對(duì)應(yīng)的身管轉(zhuǎn)動(dòng)角度是固定不變的，所以將方位角變化量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為手柄與光柵盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)的測(cè)量。手柄起始回差值通過訓(xùn)練開始時(shí)的校準(zhǔn)在軟件中消除。

圖3 槽光耦與光柵盤Fig.3 Grating disk with groove coupler

圖4 手柄整體圖形Fig.4 Handle global shapes

身管方位角變化量的采集硬件電路[8]如圖5所示。

圖5 槽光耦與單片機(jī)連接電路圖Fig.5 Groove coupler and MCU connection schematic

圖6 槽光耦計(jì)數(shù)過程時(shí)序圖Fig.6 Timing diagram of groove coupler reading process

如圖6所示，在槽光耦計(jì)數(shù)過程中,當(dāng)右側(cè)槽光耦先出現(xiàn)高電平時(shí)，說明手柄向右轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)左側(cè)槽光耦先出現(xiàn)高電平時(shí)，說明手柄向左轉(zhuǎn)動(dòng)。每次旋轉(zhuǎn)手柄時(shí)都將判斷身管轉(zhuǎn)動(dòng)方向，在擊發(fā)后整合記錄身管轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度。由于槽光耦在有無遮擋時(shí)電位變化較為緩慢，不清晰，所以采用了一款74HC14高速CMOS器件，它可將緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰的輸出信號(hào)[9]。

2.3裝置總體硬件電路

裝置總體硬件電路圖[10]如圖7所示。

圖7 裝置總體硬件電路圖Fig.7 Overall hardware circuit device

2.4實(shí)際角度計(jì)算

1)身管俯仰角、傾斜角的角度計(jì)算 設(shè)采集到的三軸加速度數(shù)據(jù)分別為x，y，z。系統(tǒng)上電后，角度采集裝置將車輛初值傳輸給目標(biāo)顯示裝置，其按初值改變。目標(biāo)圖像按初值改變的過程即為在實(shí)際坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變換到地球直角坐標(biāo)系的過程。如圖8和圖9實(shí)際坐標(biāo)系(身管豎軸方向?yàn)閆軸方向，耳軸的方向?yàn)閅軸的方向，身管的方向?yàn)閄軸方向),坐標(biāo)需要經(jīng)過2次旋轉(zhuǎn)，1次繞X軸旋轉(zhuǎn)，1次繞Y軸旋轉(zhuǎn)。坐標(biāo)繞X軸旋轉(zhuǎn)α角(車體傾斜角)的基變換矩陣[11]和坐標(biāo)繞Y軸旋轉(zhuǎn)β角(身管俯仰角)的基變換矩陣分別為

圖8 坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)Fig.8 Coordinate system rotation around the X-axis

圖9 坐標(biāo)系繞Y軸旋轉(zhuǎn)Fig.9 Coordinate system rotation around the Y-axis

(1)

坐標(biāo)的變換運(yùn)算公式為

[x*y*z*1]=[xyz1]×HR。

(2)

式(2)中x*，y*，z*分別表示坐標(biāo)系變換后裝置采集的三軸加速度數(shù)據(jù)。HR[12]為繞任意軸的旋轉(zhuǎn)變換矩陣，它可由基變換矩陣組合而成，其求解方法為

(3)

式(3)表示實(shí)際坐標(biāo)系中的坐標(biāo)先繞X軸旋轉(zhuǎn)α角，然后再繞Y軸旋轉(zhuǎn)β角。

根據(jù)式(2)和式(3)解得：

(4)

采集后得到的絕對(duì)傾斜角φ和絕對(duì)俯仰角γ的計(jì)算公式為

(5)

φ，γ為坐標(biāo)在地球直角坐標(biāo)系中經(jīng)綜合解算后得到的絕對(duì)傾斜角和絕對(duì)俯仰角。其中當(dāng)φ≥0°時(shí)，車身整體向右傾斜φ；當(dāng)φ<0°時(shí)，車身整體向左傾斜-φ。當(dāng)γ≥0°時(shí)，身管仰角為γ；當(dāng)γ<0°時(shí)，身管俯角為-γ。式(5)為系統(tǒng)上電后測(cè)量裝置傳輸給目標(biāo)顯示裝置的初始值，此為系統(tǒng)初始化過程。

2)身管方位角(身管相對(duì)車體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度)的變化量計(jì)算 在列裝的裝甲車輛中，各型裝甲車輛手柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周最多8 mil，因此設(shè)計(jì)光柵盤的槽數(shù)為16個(gè)。系統(tǒng)初始化后，手柄向右轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)槽時(shí)，槽光耦計(jì)數(shù)加1，手柄向左轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)槽時(shí)，槽光耦計(jì)數(shù)減1，最終得到槽光耦相對(duì)計(jì)數(shù)值r，則身管相對(duì)車體方位角變化量λ為0.5×r。

系統(tǒng)初始化后，可進(jìn)行裝甲車輛靜止?fàn)顟B(tài)下射擊訓(xùn)練，訓(xùn)練過程中測(cè)量裝置向目標(biāo)顯示裝置傳輸數(shù)據(jù)為

(6)

式(6)中φ，γ，λ分別為變換了坐標(biāo)系后裝置經(jīng)過綜合結(jié)算得到的身管絕對(duì)俯仰角、絕對(duì)傾斜角、方位角變化量。其中，用于成績(jī)判定裝置的數(shù)據(jù)是每個(gè)目標(biāo)的φ，λ值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

裝置選用Keil Vision2作為軟件的開發(fā)工具[13]。圖10為身管絕對(duì)俯仰角和絕對(duì)傾斜角采集、傳輸及顯示的流程圖。圖11為方位角測(cè)量時(shí)計(jì)數(shù)程序流程圖。ADXL345三軸加速度計(jì)與單片機(jī)的通信采用I2C通信[14]。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取后轉(zhuǎn)化成相應(yīng)角度值并在LCD上顯示，以及通過串行接口進(jìn)行傳輸[15]。

圖10 身管俯仰角和傾斜角采集、傳輸、顯示流程圖Fig.10 Barrel pitch angle and tilt angle collection,transmission,display flowchart

圖11 計(jì)數(shù)程序流程圖Fig.11 Flowchart of counting program

流程圖中Flag表示正反轉(zhuǎn)判斷標(biāo)志位，初值Flag=1，Num表示槽光耦計(jì)數(shù)值，在計(jì)數(shù)程序中根據(jù)捕獲0或捕獲1的捕獲順序判斷手柄正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。規(guī)定先觸發(fā)捕獲0再觸發(fā)捕獲1為手柄正轉(zhuǎn)方向，Num值加1，反之Num值減1，單獨(dú)觸發(fā)捕獲0或捕獲1，Num值不變。

4 裝置性能測(cè)試及結(jié)果分析

4.1裝置性能測(cè)試

裝置的設(shè)計(jì)是為了測(cè)量身管從規(guī)定的起始位置(一般為裝甲車輛內(nèi)部機(jī)械指示裝置0°處)移動(dòng)到指向目標(biāo)的位置時(shí)身管各個(gè)角度的變化，而不需要測(cè)量出目標(biāo)的具體方位角度。因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法是由教練人員多次操作身管指向同一目標(biāo)，采集身管綜合解算后的俯仰角和方位角變化量，觀察數(shù)據(jù)浮動(dòng)范圍，進(jìn)而判斷裝置精確度。各方向角的允許誤差范圍為±2 mil(誤差的規(guī)定根據(jù)具體目標(biāo)而定)。測(cè)量的角度值精度保留到小數(shù)點(diǎn)后一位。如果在對(duì)同一目標(biāo)多次射擊的結(jié)果分布在裝置允許的誤差范圍內(nèi)，說明裝置性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)量誤差范圍表格Tab.1 Measurement error range form

圖12 射擊訓(xùn)練結(jié)果分布圖Fig.12 Distribution of shooting training results

圖12是裝甲車輛射擊訓(xùn)練中對(duì)不同的6個(gè)目標(biāo)(絕對(duì)角度值已知)進(jìn)行多次射擊中采集裝置采集數(shù)據(jù)的分布圖。

4.2結(jié)果分析

1)通過ADXL345加速度計(jì)進(jìn)行的身管俯仰角測(cè)量，其值是通過2個(gè)軸向之間的反正切值得到，在反正切函數(shù)取值范圍內(nèi)存在一定誤差。

2)方位角的測(cè)量是通過計(jì)數(shù)模塊完成的，光柵盤的設(shè)計(jì)不能完全精確地記錄手柄旋轉(zhuǎn)的密位個(gè)數(shù)，加上手柄存在回差，雖然通過軟件消除但回差值存在一定的浮動(dòng)范圍。

3)由于目標(biāo)靶位不是單一的一點(diǎn)，是一定范圍的真實(shí)物體，而實(shí)際的角度值是按照目標(biāo)靶位所在點(diǎn)計(jì)算得出。

5 結(jié) 語(yǔ)

裝甲車輛模擬射擊訓(xùn)練中身管角度采集裝置的設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2型號(hào)單片機(jī)為控制單元，通過ADXL345加速度計(jì)和以槽光耦和光柵盤為核心的手柄為采集單元。該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬射擊訓(xùn)練身管角度的采集，通過坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換相關(guān)公式進(jìn)行綜合解算，測(cè)量出裝甲車輛每次擊發(fā)后身管角度，并將解算結(jié)果顯示在LCD上以及通過數(shù)字串行接口將解算數(shù)據(jù)傳輸給外圍部件，最終實(shí)現(xiàn)模擬射擊訓(xùn)練。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，各項(xiàng)精度參數(shù)滿足要求。其主要特點(diǎn)如下：

1)裝置的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了裝甲車輛模擬訓(xùn)練過程中的通用化，安裝簡(jiǎn)便，有效地節(jié)約了訓(xùn)練器材的消耗。

2)裝置的設(shè)計(jì)沒有改變訓(xùn)練過程中實(shí)際操作對(duì)象，使得完成模擬訓(xùn)練和實(shí)際操作完全一樣，提高了訓(xùn)練效率。

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[1] 郭 敏，尹光洪，田 曦，等．基于三軸加速度計(jì)的傾斜角傳感器的研究與設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2010,33(8)：173-177． GUO Min,YIN Guanghong,TIAN Xi,et al.Research and design of tilt-angle sensor based on three-axis accelerometer[J].Modern Electronic Technology，2010，33(8):173-177.

[2] 沈紅偉.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例與分析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003． SHEN Hongwei.MCU Application System Design Examples and Analysis[M].Beijing:Beihang University Press，2003.

[3] 李興法,尹冠飛.數(shù)字式加速度傳感器ADXL345的原理及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2010(36):2,14. LI Xingfa,YIN Guanfei.Principles and applications of digital accelerometer ADXL345[J].Heilongjiang Science and Technology Information，2010(36):2,14.

[4] 王 偉,曲 凱.基于ADXL345的初始姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)[J].中小企業(yè)管理與科技，2012(4):311,312. WANG Wei,QU Kai.Based on ADXL345 of initial attitude measurement system[J].Management and Technology of SME，2012(4):311,312.

[5] 黃曉東，黃曉華．微電子機(jī)械系統(tǒng)ADXL345的應(yīng)用研究[J]．企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2012,31(16)：28-30． HUANG Xiaodong,HUANG Xiaohua.Application research on MEMS ADXL345[J].Technological Development of Enterprise,2012,31(16):28-30.

[6] 高志剛.光耦的可靠性測(cè)試方法和試驗(yàn)[J].現(xiàn)代顯示，2007(10):57-60. GAO Zhigang.Optocoupler reliability test methods and test[J].Advanced Display，2007(10)：57-60.

[7] 李秀娟.AtuoCAD繪圖2008簡(jiǎn)明教程[M].北京:北京藝術(shù)與科技電子出版社，2009. LI Xiujuan.AtuoCAD Drawing Concise Guide 2008[M].Beijing：Beijing Arts and Science Electronic Publishing，2009.

[8] 余家春.Protel99SE電路設(shè)計(jì)使用教程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002. YU Jiachun.Protel99SE Circuit Design Tutorial[M].Beijing：China Railway Publishing House，2002.

[9] 周云波.施密特觸發(fā)器電路及其改進(jìn)[J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002,22(2)：151-153. ZHOU Yunbo.Schmitt toigger circuit and improvihg on it[J].Journal of Baoji College of Arts and Science(Natural Science Editicon)，2002,22(2)：151-153.

[10] 智兆華,劉文學(xué),李文朝，等.基于nRF24LE1的高壓開關(guān)柜動(dòng)靜觸頭無線溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,32(5)：447-450. ZHI Zhaohua,LIU Wenxue,LI Wenchao,et al.Design of wireless temperature monitoring system of high voltage switchgear contact based on nRF24LE1[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2011,32 (5)：447-450.

[11] 孫立鐫.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006. SUN Lijuan.Computer Graphics[M].Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2006.

[12] 譚光宇,隋天中,于鳳琴.機(jī)械CAD技術(shù)基礎(chǔ)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005. TAN Guangyu,SUI Tianzhong,YU Fengqin.Mechanical CAD Technology Base[M]. Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2005.

[13] 王瑞更.高精度多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].河北工業(yè)科技，2008,25(5)：313-315. WANG Ruigeng.High precision multi-point temperature data acquisition system[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2008,25(5)：313-315.

[14] 楊 欣,王玉鳳.51單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例詳解[M].北京：清華大學(xué)出版社,2010. YANG Xin,WANG Yufeng.51 MCU Application Example Explanation[M].Beijing:Tsinghua University Press,2010.

[15] 郭天祥.新概念單片機(jī)C語(yǔ)言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009. GUO Tianxiang.The New Concept Microcontroller C Language Tutorial:Entry,Improve,Develop,Expand [M].Beijing:Electronic Industry Press，2009.

Design of barrel angle acquisition device in the simulated shooting of armored vehicles

LIU Donghui1, LIU Hao1, SUN Xiaoyun2, XI Lele1, BIAN Lingling1

(1. School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China; 2.School of Electrical and Electronic Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang Hebei 050043, China)

The universal measurement device for barrel angle acquisition in the simulated fire training of armored vehicles is designed and implemented. The device eventually becomes a measurement element in universal mounting simulated shooting training system. This paper presents the principles and methods of this device in details. The ADXL345 three-axis accelerometer is adopted in the tilt and pitch angles' acquisition of this device to achieve high accuracy requirements. In the measurements of azimuth angle, the groove coupler and grating disk are used as the core counting elements for the angle's measurement. The solving process is conducted in the device for the collected data of each angle of the barrel, and the data transfer and display are achieved though serial interface or LCD.

angle measurement; ADXL345 three-axis accelerometer; groove coupler; data collection

2014-03-09；

2014-03-28；責(zé)任編輯：陳書欣

河北省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(13205002D)

劉東輝(1971-)，男，山西晉城人，教授，博士，主要從事電器信息檢測(cè)與信息處理技術(shù)方面的研究。

E-mail：liudh@hebust.edu.cn

1008-1542(2014)04-0376-08

10.7535/hbkd.2014yx04012

TP274

A

劉東輝，劉 浩，孫曉云，等.裝甲車輛模擬射擊中身管角度采集裝置設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(4):376-383.

LIU Donghui, LIU Hao, SUN Xiaoyun, et al.Design of barrel angle acquisition device in the simulated shooting of armored vehicles [J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2014,35(4):376-383.