孫致遠(yuǎn)，鄭　堅(jiān)，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(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫致遠(yuǎn)，鄭堅(jiān)，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(shí)掌握自行高炮自動(dòng)機(jī)性能，提高裝備的可靠性，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)并建立了自行高炮浮動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用磁致伸縮位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了后坐位移的精確測(cè)量；設(shè)計(jì)了一種具有高速采集和片上處理功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存與無(wú)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(dòng)參數(shù)的自動(dòng)提取。實(shí)彈測(cè)試試驗(yàn)表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠基本滿足自行高炮浮動(dòng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)的要求。

浮動(dòng)參數(shù)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；位移傳感器；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

自動(dòng)機(jī)是自行高炮火力系統(tǒng)重要的組成部分之一，直接實(shí)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(huì)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(shí)，會(huì)直接影響到任務(wù)的完成，甚至?xí)?duì)裝備及人員造成巨大危害。

對(duì)后坐曲線的精確測(cè)量及浮動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確提取是掌握自動(dòng)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(guò)PXI采集系統(tǒng)測(cè)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(guò)數(shù)據(jù)采集及調(diào)理，實(shí)現(xiàn)坦克火炮后坐位移的測(cè)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(cè)試系統(tǒng)具有較高的測(cè)試精度和響應(yīng)頻率；文獻(xiàn)[3]利用磁致伸縮傳感器，通過(guò)單片機(jī)完成高炮浮動(dòng)位移的采集，但在其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中依舊使用有線傳輸，靈活性較差，受裝備動(dòng)作影響較大。這些測(cè)試方法在測(cè)試自動(dòng)機(jī)后坐曲線時(shí)，往往需要在特定的試驗(yàn)條件下，利用較多測(cè)試及分析設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，操作程序復(fù)雜，測(cè)量效率低且測(cè)試信息實(shí)效性差，無(wú)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(shí)獲取自行高炮浮動(dòng)參數(shù)、掌握火力系統(tǒng)工作狀態(tài)，筆者結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks, WSNs)技術(shù)[4]，設(shè)計(jì)并建立自行高炮浮動(dòng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自行高炮射擊后坐曲線的在線監(jiān)測(cè)及浮動(dòng)參數(shù)的自動(dòng)提取，為自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)評(píng)估及故障診斷提供重要數(shù)據(jù)支持，為裝備的可靠運(yùn)行提供重要保障。

1　監(jiān)測(cè)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(dòng)參數(shù)的測(cè)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(dòng)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(cè)量頭組成，利用磁致伸縮原理，通過(guò)兩個(gè)磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)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(shì)[5]：

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

2)傳感器非接觸測(cè)量的特性能夠保證在準(zhǔn)確測(cè)量出炮箱后坐位移的同時(shí)不對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的沖擊和高溫所影響。

4)其標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)便于直接被網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)所采集，提高系統(tǒng)的自動(dòng)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?yàn)閭鞲衅魈峁?4 V穩(wěn)定直流電壓，滿足其長(zhǎng)時(shí)間工作的需要。

1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與組成

本系統(tǒng)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建起無(wú)線、分布式的狀態(tài)信號(hào)采集網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)匯聚(Sink)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)組成，匯聚節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控上位機(jī)相連，負(fù)責(zé)完成整個(gè)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(diǎn)的管理和控制；采集節(jié)點(diǎn)與前端傳感器直接相連，搜索加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后受匯聚節(jié)點(diǎn)控制，主要負(fù)責(zé)狀態(tài)信號(hào)的采集、處理與傳輸。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容為左、右自動(dòng)機(jī)的后坐位移，網(wǎng)絡(luò)中采集節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)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(diǎn)

采集節(jié)點(diǎn)采用雙核心設(shè)計(jì)[7]，無(wú)線射頻芯片CC2430主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建、節(jié)點(diǎn)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(duì)傳感器輸出電壓信號(hào)的采集、儲(chǔ)存及處理。節(jié)點(diǎn)雙核心獨(dú)立工作，能夠有效避免多任務(wù)調(diào)度問(wèn)題，高效完成信號(hào)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、運(yùn)算儲(chǔ)存及無(wú)線發(fā)送等功能，有效提高節(jié)點(diǎn)效率。

采集節(jié)點(diǎn)主要由采集模塊、控制模塊、無(wú)線通信模塊、儲(chǔ)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(guò)控制器內(nèi)部的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)四通道電壓信號(hào)的精確同步采集，具有AC和DC兩種耦合模式，是節(jié)點(diǎn)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(guò)DMA模式SPI接口與控制模塊通信；儲(chǔ)存模塊中利用Micro-SD儲(chǔ)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?jī)?chǔ)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(shí)器、ADC、SPI、UART等多種功能，且具有較低功耗。無(wú)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(gè)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(jiǎn)單、低成本、低功耗及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)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(shí)回傳?？刂颇K與無(wú)線通信模塊通過(guò)GPIO完成同步，通過(guò)串口實(shí)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(diǎn)各模塊供電需求，保證采集節(jié)點(diǎn)的可持續(xù)性工作。采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)主要由通信模塊組成，與上位機(jī)通過(guò)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(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，運(yùn)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(yǔ)言編寫，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思想，基于.NET框架進(jìn)行開發(fā)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的主要功能是管理無(wú)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(diǎn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、節(jié)點(diǎn)功能的設(shè)置、采集控制、采集數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與數(shù)據(jù)分析等功能。

2　應(yīng)用實(shí)例

2.1后坐曲線的監(jiān)測(cè)

位移傳感器分為基座與活動(dòng)磁鐵兩部分，通過(guò)夾具安裝于裝備上，安裝時(shí)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(shí)確保在機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)不發(fā)生松動(dòng)。

2)基座盡量避免受到強(qiáng)烈沖擊、振動(dòng)和高溫等惡劣條件影響。

3)滑動(dòng)磁鐵與火力系統(tǒng)浮動(dòng)部分緊密相連，在運(yùn)動(dòng)時(shí)避免與其他機(jī)構(gòu)發(fā)生接觸，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

4)滑塊受力盡量與運(yùn)動(dòng)方向一致，減少后坐時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)變形。

位移傳感器與火力系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，將傳感器基座固定于浮動(dòng)機(jī)與前懸置連接的圓柱部位上，滑動(dòng)磁鐵通過(guò)2個(gè)萬(wàn)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(shí)不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)磁鐵與基座導(dǎo)軌嵌合并能夠自由滑動(dòng)，注意嵌合時(shí)應(yīng)將滑動(dòng)磁鐵的滑動(dòng)范圍置于基座的有效測(cè)量范圍之內(nèi)，使整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程能夠被準(zhǔn)確采集。在安裝時(shí)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(diǎn)固定在炮塔上方平面位置，采集位移傳感器的輸出信號(hào)，下部加墊泡沫墊用以減震。匯聚節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)相連，位于炮塔上方炮艙入口處。

進(jìn)行實(shí)彈射擊試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)條件為5連發(fā)射擊，射角水平，采樣頻率為10 kHz，測(cè)得浮動(dòng)位移曲線如圖5所示。在第一發(fā)炮彈射擊時(shí)，自動(dòng)機(jī)未完全實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)，因此首發(fā)后坐距離一般在整個(gè)射擊過(guò)程中最大，a、b、c分別為首發(fā)射擊過(guò)程中自動(dòng)機(jī)的一次后坐極值、二次后坐起始點(diǎn)及二次后坐極值。從第2發(fā)炮彈開始，自動(dòng)機(jī)進(jìn)入浮動(dòng)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(yùn)動(dòng)。

2.2浮動(dòng)參數(shù)的提取

常用的浮動(dòng)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(diǎn)位置平均值、后坐時(shí)長(zhǎng)、復(fù)進(jìn)時(shí)長(zhǎng)及射擊頻率等。可以看出，所有浮動(dòng)參數(shù)都是由后坐曲線中的極值點(diǎn)直接或經(jīng)過(guò)計(jì)算確定的，因此，浮動(dòng)參數(shù)的提取可以看做是后坐曲線中波峰和波谷的自動(dòng)識(shí)別。

識(shí)別浮動(dòng)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(diǎn)的比較范圍ε，在此選擇a與b之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為ε值；對(duì)于X中的任意一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(gè)浮動(dòng)曲線的一個(gè)有效波峰或波谷；對(duì)選擇出的波峰值及波谷值進(jìn)行篩選、計(jì)算等處理，可以得到自行高炮的浮動(dòng)參數(shù)。

對(duì)試驗(yàn)所得后坐位移曲線進(jìn)行參數(shù)提取，得到相關(guān)浮動(dòng)參數(shù)如表2所示。

表2　浮動(dòng)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

通過(guò)對(duì)浮動(dòng)曲線的測(cè)量和對(duì)浮動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)明顯卡滯現(xiàn)象，整個(gè)自動(dòng)機(jī)狀態(tài)性能良好。

在整個(gè)采集過(guò)程中，傳感器及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的安裝對(duì)炮塔的轉(zhuǎn)動(dòng)及射擊基本不造成影響。對(duì)于包含一個(gè)單通道采集節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，以10 kHz的采樣頻率，對(duì)變化的位移量采集7 s，采集節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)存入節(jié)點(diǎn)SD卡，大約19 s后能夠完成數(shù)據(jù)向上位機(jī)的無(wú)線傳輸。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行浮動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)具有較高的監(jiān)測(cè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)并建立了自行高炮浮動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。從實(shí)際應(yīng)用效果及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(cè)實(shí)現(xiàn)了位移曲線的顯示、儲(chǔ)存及浮動(dòng)參數(shù)的有效提取，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本達(dá)到了對(duì)自行高炮浮動(dòng)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)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(cè)與故障診斷技術(shù)研究。E-mail：sunzhiyuandll@163.com

TJ206

A

1673-6524(2016)02-0062-05