兵器装备工程学报

火箭炮调炮精度智能检测系统的设计与实现

分类:主编推荐 发布时间:2019-03-06 17:43 访问量:949

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本文引用格式孟波,王圣旭,游藩,等.火箭炮调炮精度智能检测系统的设计与实现[J].兵器装备工程学报,2019,40(1):78-82.

Citation format:MENG Bo,WANG Shengxu,YOU Fan,et al.Design and Implementation of Intelligent Detection System for Rocket Launcher’s Adjustment Accuracy[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2019,40(1):78-82.




作者简介孟波(1993—),男,助理工程师,主要从事装备理论与装备技术研究。


火箭炮调炮精度智能检测系统的设计与实现

孟 波,王圣旭,游 藩,夏 平,喻 俊

(中国人民解放军63981部队, 武汉 430311)

摘要设计了火箭炮调炮精度智能检测系统,建立了完备的调炮精度空间解算模型,利用双经纬仪、激光瞄准具、炮口十字线、靶板等搭建检测环境,全面覆盖火箭炮调炮精度检测各环节;为了提高检测效率和精度,提出瞄准点自动识别及测量点误差补偿算法,利用数据库技术,实现数据自动记录、运算、分析以及检测报告的实时出具。在系统研制过程中进行了误差分析及试验验证,试验结果表明:系统相对于已有检测手段,高低调炮检测精度提高了0.15 mil,方向调炮检测精度提高了0.04 mil,工作效率大幅提升,检测时间缩短至原有检测手段的1/3。

关键词数字经纬仪;调炮精度;检测系统;目标自动识别


Design and Implementation of Intelligent Detection System for 

Rocket Launchers Adjustment Accuracy


MENG Bo, WANG Shengxu, YOU Fan, XIA Ping, YU Jun

(The No.63981th Troop of PLA, Wuhan 430331, China)

Abstract: An intelligent precision detection system of rocket launcher was designed.A complete spatial solution model of precision of the rocket launcher was established, and the detection environment was built by using the double theodolite, laser aiming device, muzzle crosshair, target plate, covering all aspects of precision detection of the rocket launcher. In order to improve the detection efficiency and accuracy, the automatic identification of aiming point and the error compensation algorithm of measuring point were put forward.Using database technology, automatic data recording, calculation, analysis and real-time issuance of test reports were realized. In the process of system development, error analysis and test verification were carried out. The test results showed that compared with the existing detection methods, the detection accuracy of the rocket launcher vertical Angle adjustment was improved by 0.15 mil, and the detection accuracy of the rocket launcher horizontal Angle adjustment was improved by 0.04 mil, the working efficiency was greatly improved, and the detection time was shortened to 1/3 of the original detection methods.

Key words: digital theodolite;rocket launcher’s adjustment accuracy;detection system;automatic target recognition


瞄准精度是火箭炮的一项重要战术技术指标,瞄准精度的高低直接影响到火箭炮落炸点的精度,是火箭炮关键技术指标之一。其瞄准精度与指挥控制系统、随动系统和定位定向装置有关[1-2],最终反映在火箭炮的射角、射向的准确性上。因此有必要对火箭炮调炮精度检测进行深入研究。

依靠火箭炮配备的周视瞄准镜,可以测量其调炮后的方位角和高低角,但由于该装置本身误差较大,加之炮管弹性变位和炮身偏移量并不反映到瞄准装置上,该方法检测精度不高。难以满足火箭炮自动调炮高精度检测的要求。现有保障车组所配备的瞄准检测系统,由于设计定型时间较早,限于当时的技术条件,检测效率和精度上都不够高,因此有必要对火箭炮调炮精度检测进行深入研究,设计一款高精度和高效率的检测设备。

1 总体设计方案

所谓火箭炮调炮精度,是指通过某种测量方式,将测量计算得到的调炮角度与在火控系统中装定的调炮角度进行比较,所得差值就是调炮精度。

火箭炮调炮精度主要分为两部分:一部分是取决于火箭炮系统实际调炮到位值与输入的指令值之间的误差;另一部分是取决于寻北的重复性精度。此外,起落架悬臂梁式支撑在不同负载、不同射角条件下会产生弹性变位,从而引起射角变化;且火箭炮在高低调炮过程中,在方位上也会产生偏移,这种偏移也可造成射向误差。

远程火箭炮调炮精度智能检测系统基础平台架构由2台高精度DJD2数字式经纬仪、搭载调炮精度检测软件的便携式计算机、串口数据线、2副木质三角架、炮尾瞄准器、标杆组件(底座、中管、顶管、瞄准板、顶尖等)等组成,所采用的经纬仪水平、垂直角度显示读数分辨率可达1″、测角精度可达2″。

2 数学模型分析及算法实现

2.1 数学模型分析

下面讲述调炮精度检测数学模型的建立过程:如图1所示,O1经纬仪为主站,O2经纬仪为辅站[3]。图中P1P2为火箭炮定向管上的两个标记点,P1P2在经纬仪光轴水平面上的投影,ψ角是定向管上两个标记点连线与联体态经纬仪在大地坐标系中的夹角,即方向角;θ角是被测物体上两个标记点连线与水平面的夹角,即高低角。通过O1O2两台经纬仪可以测得到P1P2点四个方位角α1α2α3α4和4个俯仰角β1β2β3β4

图1 调炮精度检测数学模型

根据正弦定理可得


(1)

式中:L为两台经纬仪之间的水平距离(以下同)。

根据余弦定理可得



(2)

又由余弦定理可得:



(3)


(4)

同理可得出以O1经纬仪为主站,O2经纬仪为辅站的高低角和方位角:



(5)


其中:ψψ1ψ2的平均值;θθ1θ2的平均值。将其称之为第一数学模型[4]。根据系统功能,所述的计算机还设有零线检测平台、管间平行度检测平台、射角不一致检测平台,其存储器还存在有第二数学模型:



在第二数学模型中,θψ分别为火箭炮基准管在零位时的高低角和方向角;θψ分别为火箭炮瞄具与第二靶标连线高低角和方向角测量值;θψ为火箭炮零位时各炮管轴线高低角和方向角的测量值; Δ零线和Δψ零线分别为瞄具零线的高低与方向偏差; Δ管平行和 Δψ管平行分别为各炮管轴线相对于基准管轴线在高低和方向的平行度[5]

为了实现自动调炮精度检测平台、自动寻北精度检测平台的功能,设计了第三数学模型和第四数学模型:


在第三、第四数学模型中,θj为第j次自动调炮高低角测量值;为本组n次自动调炮高低角测量值的平均值;ψj为第j次自动调炮或自动寻北方向角的测量值;为本组n次自动调炮或自动寻北方向角测量值的平均值;θ为本组n次自动调炮高低角目标值;ψ为该组自动寻北的方向角目标值;σθ(n-1)σθ(n)分别为自动调炮高低角(n-1)均方差、(n)均方差;σψ(n-1)σψ(n)分别为自动调炮或自动寻北方向角(n-1)均方差、(n)均方差。

2.2 算法的设计与实现

1) 调炮精度检测算法

远程火箭炮调炮精度智能检测系统检测算法的实现是本课题的关键,检测算法包括零位检测、零线检测、管间平行度检测、瞄准装置射角不一致检测、瞄准装置瞄准线错位检测、寻北精度检测、自动调炮射角、射向调炮误差检测等[6],按照各个检测环节的定义,利用建模分析中的公式推导,进行计算,最终得出测量值。以调炮精度检测为例:使用两台经纬仪瞄准定向器上的两个标记点,得到该射角测量值与火控计算机给出的装定目标值作差,即为一次测量结果,重复上述操作7次,保存测量结果,软件系统根据第三、第四数学模型计算出均方差,即为调炮精度。

2) 瞄准点自动识别算法

调炮精度智能检测系统包含瞄准零位检测、瞄准零线检测、瞄准线错位检测、射角不一致检测、定向管标记点误差检测、寻北精度检测、调炮精度测量等7个检测项目,每个检测项目都需要利用经纬仪对各标记点进行四次测量,现有调炮精度检测系统,是在人员指导下,严格按照操作步骤对各标示点进行对瞄测量,操作过程繁琐、耗时费力、易出错。通过对调炮精度检测流程的分析,尝试对各标记点角度特征提取与识别,可以最大限度的缩短检测时间[7]

根据每组测量{(α1,β1),(α2,β2),(α3,β3),(α4,β4)}中方向角度α1α2αα大小关系和测量所利用的经纬仪哦O1还是O2这两个特征,就可识别出标记点,进而将测量值与标记点对应起来,由计算机软件根据算法推导出的公式自动运算,无需像传统测量方式那样由专人指挥,严格按照操作步骤瞄准测量,既节省了操作时间,又可避免由于过多的人工干预而出现人为失误。

3) 测量点误差补偿算法

在调炮精度测量项目中,需要测量炮管中轴线与水平面的夹角,即图1中P1P2的夹角。为了便于测量,首先利用炮尾瞄准具、炮口十字线、靶板三点一线的方式确定出炮管中轴线,然后设置两个十字标记点P1P2贴于炮管上,测量P1P2连线与炮管中轴线的夹角,接着根据夹角数值,反复调整P1P2的位置使其连线与炮管中轴线的夹角接近于零,即P1P2连线与炮管中轴线水平[8]。在实际检测过程中,P1P2连线与炮管中轴线不可能完全水平,为了提高测量精度,拟将该误差在高低角代入计算的过程中通过作差的方式将其补偿掉。

误差补偿算法不仅提高了系统的检测精度,同时由于其降低了反复调整P1P2的位置使其连线平行于炮管中轴线的标准,从而减少了操作时间,提高了检测效率。

3 软件开发与应用

高精度调炮智能检测软件是Windows系统下通过Qt平台实现的,软件采用模块化设计。软件系统可分为人机交互界面模块、数据采集模块、计算处理模块和数据存储及报表打印模块等。

1) 人机交互界面模块

设计界面时,根据功能需求分为主界面、设置界面、瞄准零位检测界面、瞄准零线检测界面、瞄准线错位检测界面、射角不一致检测界面、定向管标示点误差检测界面、寻北精度检测界面、调炮精度检测界面等,用以实现检测过程的人机交互。

主界面示意图如图2,所示主要完成快速进入各子界面,并且能够快速设置本次检测人、被测火炮编号等功能。


图2 主界面示意图

调炮精度检测界面如图3所示,主要用于检测火炮调炮精度。该界面所具备的功能:自动检测串口号是否设置正确;自动判断经纬仪所瞄准的是靶板还是炮口十字标识点。


图3 调炮精度检测界面

2) 数据采集模块设计

两台经纬仪将测量得到的数据通过串口线上传至数据处理器,数据处理器按照具体的调炮精度检测算法进行计算,并将接收到的数据和计算结果存放到数据库中。双方遵循相同的串口通信协议。利用第三方串口qextserialport类函数,可以方便快捷地完成一般串口编程任务,设置波特率,数据位,奇偶校验,停止位,数据流控制等串口参数。该类打包时无需加入其他文件,所有函数是开放、透明的,用户可根据自己的需求进行改造,编程者可以将更多的精力集中在串行通信协议的编制及数据处理上。

3) 数据存储与报表打印模块设计

为最大限度减少人工操作步骤,提高调炮精度检测效率,本系统设计了检测报告存储打印功能模块。Qt中的QtSQL模块提供了对数据库的支持,通过数据库模块来和不同的数据库接口进行通信,为系统检测报表的存储打印功能实现提供了有效解决方案。引入SQL模块后,添加数据库驱动、设置数据库名称,数据库登陆用户名及密码,使用QSqlQuery类,可以完成插入数据、更新数据、查询数据、删除数据等功能。通过SQLite数据库实现的数据报表打印模块,具有快速、便捷以及出色的稳定性,可以保证整个系统的稳定运行。

4 实验数据

为了对该系统的检测效率及精度进行验证[9],课题组针对远程火箭炮调炮精度智能检测系统各检测项目分别设计试验,并通过试验数据比较作出结果分析。

下面以调炮精度测量为例,采用7次高低及方位调炮精度测量,对测量值求取均方差以衡量两种检测手段的可靠性[10]。选取高低到位值及方向到位值的标准值分别为500 mil、10 mil见表1所示。

表1 调炮精度测量数据记录表


从检测数据来看,3种测量方式测量误差都在允许范围内,对测量值的均方值进行比较,调炮精度智能检测系统所得结果的波动范围更小,同时,该检测系统与传统调炮精度检测方法相比,检测效率显著提升。该项目整个测试过程可在1 h的测试时间内完成,缩短至现有检测方式的1/3。

5 结论

该系统能够发挥其检测效率高、容错性强、智能化程度高、精度高等优点,较目前已有的调炮精度检测设备性能更优,为远程火箭炮维修保障工作提供了有效的技术支撑,具有重大的军事效益,处于军内调炮精度检测领域先进水平。

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