基于存储测试技术的多参数弹载测控系统

本发明涉及弹载测控技术，具体涉及一种基于存储测试技术的多参数弹载测控系统。

随着武器的发展与应用，现代战争已经演变为陆、海、空、天多维空间内的斗争，传统的在单一介质中发挥作用的武器，已经无法满足现代战争所有的需求，预示研制跨介质作战武器逐渐成为世界各国军事发展方向之一。

空中入水炮弹是跨介质武器的一种，该类炮弹从空中向水中发射，打击水下目标，入水炮弹的研制对舰艇水下打击能力、自我防护能力的提升有着巨大意义。

入水炮弹的运动规律要比普通炮弹复杂很多，不仅入水时产生巨大瞬态的冲击，在水中的弹道也受周围水体的干扰。所以在研制过程中需要大量的不同参数的测试数据来提供研发和改进的依据，尤其是姿态的采集，对研究炮弹入水运动规律有极大的帮助。

炮弹发射过程是一个复杂的运动过程，其过程在毫秒级，这种高速过程无法用肉眼观测。常用的炮弹姿态测量方法有高速摄影测量法、光学杠杆测量法、雷达探测技术以及弹载存储测试技术。其中，高速摄影测量法、光学杠杆测量法、雷达探测技术很难做到跨介质测量的准确性，弹载存储测试技术采用数据存储装置随弹体发射，并与内部惯性传感器组成姿态测量系统，其优势在于记录准确，可以采集到弹丸所有运动过程中的姿态量，缺点在于随弹丸一起运行，发射回收过程中受冲击较大。

为了完整分析弹丸在出膛、空中飞行、撞击水面、水中运行、撞入靶板整个过程，研制一种入水炮弹的测控系统，在高过载条件下采集包括三路加速度信号、三路角速度信号、三路电压信号、两路点火信号，并完成一次弹体点火飞行途中的二次点火控制。其中，由于弹丸在空中运行阶段只受到重力和空气阻力的影响，在撞水时会产生较大的冲击力，入水后其运行受水中阻力的影响较大，故需在弹丸入水前执行二次点火控制；同时，姿态采集通过三轴加速度信号和三轴角速度信号，准确反映弹体的运行状态；最后通过测量弹头运行过程中接触不同介质时的压力变化，来研究外界介质对弹体的作用。因此，通过完成多路参数采集并执行一次二次点火控制的抗高过载弹载测控系统，可以提供多个参数的测试数据为验证弹丸性能参数是否符合设计规范提供有力的依据。

针对现有弹载数据存储测试上的缺陷，本发明公开了一种基于存储测试技术的多参数弹载测控系统。结合实际需要和已有存储测试技术的特点，针对弹丸在出膛、空中飞行、撞击水面、水中运行、撞入靶板整个过程的测控要求，研发一种高过载条件下多参数测控系统。该系统通过点火信号抗干扰检测触发、姿态信号多通道采集、结构抗冲击等方面进行设计，可实时记录炮弹飞行时的六轴姿态信号、三路压力信号、点火触发信号和点火回路检测信号，并保证炮弹回收后的数据完整性。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：基于存储测试技术的多参数弹载测控系统，包括数据采集部分、数据存储部分、内部控制部分、抗过载部分、二次点火部分和点火回路检测部分；

所述的数据采集部分主要包括三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三路压力传感器，采集弹体加速度、角速度以及外环境压力信号；所述的数据存储部分主要完成所述的数据采集部分的信号的存储，和所述的数据采集部分具有电气连接；所述的内部控制部分控制整个系统工作，和所述的数据采集部分、数据存储部分、二次点火部分和点火回路检测部分具有电气连接；所述的抗过载部分主要完成本发明电路和结构部分的抗过载设计；所述的点火回路检测部分主要完成一次点火触发信号的采集；所述的二次点火部分主要完成滤除无效点火触发信号，判断有效点火信号并触发二次点火使能信号。

上述数据采集部分主要包括三轴加速度传感器、三轴角速度传感器、三路压力传感器；

所述的三轴加速度传感器选用三个PCB350C03型号的ICP类型的加速度传感器，主要测量弹体在X、Y、Z轴的加速度信号，Z轴为弹体的主要运动轴，所述的Z轴加速度信号反应弹体的主要运动状态；在膛内，所述的X、Y轴加速度信号反应弹体碰撞情况，在膛外，所述的X、Y轴加速度信号可以检测弹体受二次点火的作用的径向力；

所述的三轴角速度传感器选用三个ADI公司的ADXRS649型号的单轴角速度传感器，主要测量弹体在X、Y、Z轴的角速度信号，其中，所述的Z轴角速度信号主要测量弹体受二次点火或者入水影响可能发生的旋转，所述的X轴和Y轴角速度信号主要检测出膛后弹体的偏转；

所述的三路压力传感器选用三路CYG1002F型号的压阻式传感器，安装在弹体头部附近，两路轴向安装，一路径向安装，测试弹体飞行中的外环境压力。

上述数据存储部分主要由内部存储器完成，所述的存储器选用W25Q64型号的NorFlash芯片，负责将本发明采集到的数据保存，具有掉电不丢失等特性，存储器内部使用乒乓缓存算法可以做到实时存储。

上述内部控制部分选用STM32F103VET6型号的控制芯片，完成信号采样设置、通过由型号为OPA33的运算放大器设计的调理电路以及内部ADC换成信号调理和转换，通过对聚合物锂电池的电压转换完成电源的管理，通过点火回路检测部分采集一次点火回路触发信号，控制二次点火部分执行；

所述的信号采样设置包括变采样率分时采样和负延时采样，所述的采样率分时采样是由内部控制部分的程序控制，并按不同阶段调整采样率，通过对采集值的判定来设定当前采样率，从而节省内部的存储空间，具体的，内部控制部分的控制芯片STM32F103VET6内部定时器控制除Z轴加速度传感器信号以外的其他数据信号采样率为10kHz，即每隔100us在定时器中断服务程序里面将模数转换结果放入缓存里；而Z轴加速度传感器信号采用分时采样，在起始阶段以10kHz采样率采样，在入水前，变化采样率为20KHz，由于二次点火的时刻是发生在弹体入水前的时刻，设计二次点火执行时刻作为变采样率分界点；所述的负延时采集是指在采集信号触发前采集数据，保证整个发射过程数据的完整性，具体的，内部控制部分的控制芯片STM32F103VET6在内存中开辟一段空间，存储触发时刻前的数据，内存大小有限，所以让数据循环覆盖，等待触发时刻，这样正式采集前的数据也被保存了下来，当触发信号开始后，内部控制部分开始正式采集。

上述抗过载部分以应力波衰减理论为指导，进行电路抗过载以及结构抗过载的设计；所述电路抗过载设计主要措施：通过选择抗过载性能良好电子元件，电路板的小型化，电路板的设计上选用小型化器件，减少电路板体积以减少质量；所述的结构抗过载主要措施：通过灌胶模具采用环氧树脂胶灌封电路板和电池、机械外壳采用高强度铝合金材料，模块间、壳体间增加缓冲材料进行抗冲击保护；

进一步的，所述的灌胶模具是根据电池和电路板尺寸设计的，周围用螺钉紧固，方便拆卸；

所述的缓冲材料包括柔性海绵和橡胶，所述的柔性海绵作为内衬材料，且在两侧轴向端进行加厚；所述的橡胶放置在本发明与弹体之间。

上述二次点火部分主要完成以下功能：点火精准设计、点火执行；

所述的点火精准设计主要包括点火防抖电路和点火判定程序，所述点火防抖电路主要包括型号为74LS00的四组2输入端与非门组成的防抖电路，滤除点火触发信号中的弹跳与噪声干扰，消除点火无触发现象；所述的点火判定程序主要进行多次判定来保证不发生误点火，具体的触发信号上升沿如果维持10ms以上，则视为正常点火触发信号，不到10ms的上升沿被视为干扰。

所述的点火执行：内部控制部分通过预设时间发出二次点火使能信号，控制点火执行机构实现二次点火，所述的点火执行机构采用内置点火电池短路的方式点燃点火头，进而引燃火药；进一步的，所述的点火执行机构为多组级继电器电路，通过两组继电器串联后再并联的组合方式确保二次点火的成功率。

上述点火回路检测部分主要通过内部控制部分的控制芯片STM32F103VET6的内置ADC检测一次点火的触发信号，通过所述的点火精准设计，完成二次点火的点火执行，具体的，点火回路检测部分包括点火电检测电路和光电隔离电路，所述的点火检测电路通过检测电路回路上点火电阻上的电压信号，所述点火电阻选择0.5Ω；所述的光电隔离电路选择型号为ISO224的增强隔离放大器，隔离点火回路和点火检测电路，并将点火电阻上的电压值转化为两路差分信号输出。

本发明所述的基于存储测试技术的多参数弹载测控系统，通过数剧采集部分、数据存储部分与点火控制部分的配合工作，在抗过载防护部分的保护下，可得到实时记录炮弹飞行时的六轴姿态信号、三路压力信号、点火触发信号和点火回路检测信号。与现有弹载测控系统相比，其显著优点在于：1.针对炮弹发射入水的运动特点，制定采集与存储方案，可以满足多种参数的存储需求；2.抗过载防护措施可有效减少弹体发射和回收时的高过载冲击，保证记录装置在实验中可以正常工作；3.点火电路通过电路和软件上的独特设计可以完成精准的延时点火，助力弹箭类武器的研发，从初样研制到定型时的批量生产，每一阶段都需要多次实弹实验来检测弹体性能，发现其中问题，之后进一步改进优化，以期在实战中发挥最佳效果。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明抗过载部分灌胶模具结构示意图。

图3为本发明的点火防抖电路原理图。

图4为本发明的点火判定程序流程图。

图5为本发明的多组级继电器电路原理图。

图1中：1、数据采集部分；2、数据存储部分；3、内部控制部分；4、抗过载部分；5、二次点火部分；6、点火回路检测部分；7、三轴加速度传感器；8、三轴角速度传感器；9、三路压力传感器；10、精准点火设计；11、点火执行；12、电路抗过载；13、结构抗过载。

图2中：14、上壳体；15、下壳体；16、前盖板；17、后盖板；18、螺母；19、紧固螺丝。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案为：一种基于存储测试技术的多参数弹载测控系统，包括数据采集部分1、数据存储部分2、内部控制部分3、抗过载部分4、二次点火部分5和点火回路检测部分6，

所述的数据采集部分1主要包括三轴加速度传感器7、三轴角速度传感器8、三路压力传感器9，采集弹体加速度、角速度以及外环境压力信号；所述的数据存储部分2主要完成所述的数据采集部分1的信号的存储，和所述的数据采集部分1具有电气连接；所述的内部控制部分3控制整个系统工作，和所述的数据采集部分1、数据存储部分2、二次点火部分5和点火回路检测部分6具有电气连接；所述的抗过载部分4主要完成本发明电路和结构部分的抗过载设计；所述的点火回路检测部分6主要完成一次点火触发信号的采集；所述的二次点火部分5主要完成滤除无效点火触发信号，判断有效点火信号并触发二次点火使能信号。

上述数据采集部分1主要包括三轴加速度传感器7、三轴角速度传感器8、三路压力传感器9；

所述的三轴加速度传感器7选用三个PCB350C03型号的ICP类型的加速度传感器，主要测量弹体在X、Y、Z轴的加速度信号，Z轴为弹体的主要运动轴，所述的Z轴加速度信号反应弹体的主要运动状态；在膛内，所述的X、Y轴加速度信号反应弹体碰撞情况，在膛外，所述的X、Y轴加速度信号可以检测弹体受二次点火的作用的径向力；

所述的三轴角速度传感器8选用三个ADI公司的ADXRS649型号的单轴角速度传感器，主要测量弹体在X、Y、Z轴的角速度信号，其中，所述的Z轴角速度信号主要测量弹体受二次点火或者入水影响可能发生的旋转，所述的X轴和Y轴角速度信号主要检测出膛后弹体的偏转；

所述的三路压力传感器9选用三路CYG1002F型号的压阻式传感器，安装在弹体头部附近，两路轴向安装，一路径向安装，测试弹体飞行中的外环境压力。

上述数据存储部分2主要由内部存储器完成，所述的存储器选用W25Q64型号的NorFlash芯片，负责将本发明采集到的数据保存，具有掉电不丢失等特性，存储器内部使用乒乓缓存算法可以做到实时存储。

上述内部控制部分3选用STM32F103VET6型号的控制芯片，完成信号采样设置、通过外部由型号为OPA33的运算放大器设计的调理电路以及内部ADC换成信号调理和转换，通过对聚合物锂电池的电压转换完成电源的管理，通过点火回路检测部分采集一次点火回路触发信号，控制二次点火部分执行；

所述的信号采样设置包括变采样率分时采样和负延时采样，所述的采样率分时采样是由内部控制部分的程序控制，并按不同阶段调整采样率，通过对采集值的判定来设定当前采样率，从而节省内部的存储空间，具体的，内部控制部分的控制芯片STM32F103VET6内部定时器控制除Z轴加速度传感器信号以外的其他数据信号采样率为10kHz，即每隔100us在定时器中断服务程序里面将模数转换结果放入RAM缓存里；而Z轴加速度传感器信号采用分时采样，在起始阶段以10kHz采样率采样，在入水前，变化采样率为20KHz，由于二次点火的时刻是发生在弹体入水前的时刻，设计二次点火执行时刻作为变采样率分界点；所述的负延时采集是指在采集信号触发前采集数据，保证整个发射过程数据的完整性，具体的，内部控制部分的控制芯片STM32F103VET6在内存中开辟一段空间，存储触发时刻前的数据，内存大小有限，所以让数据循环覆盖，等待触发时刻，这样正式采集前的数据也被保存了下来，当触发信号开始后，内部控制部分开始正式采集。

上述抗过载部分4以应力波衰减理论为指导，进行电路抗过载12以及结构抗过载13的设计；所述电路抗过载12设计主要措施：通过选择抗过载性能良好电子元件，电路板的小型化，电路板的设计上选用小型化器件，减少电路板体积以减少质量；所述的结构抗过载13主要措施：通过灌胶模具采用环氧树脂胶灌封电路板和电池、机械外壳采用高强度铝合金材料，模块间、壳体间增加缓冲材料进行抗冲击保护；

进一步的，如图2所示，所述的灌胶模具是根据电池和电路板尺寸设计的，由上壳体14、下壳体15、前盖板16、后盖板17、螺母18、紧固螺丝组成19，方便拆卸；

所述的缓冲材料包括柔性海绵和橡胶，所述的柔性海绵作为内衬材料，且在两侧轴向端进行加厚；所述的橡胶放置在本发明与弹体之间。

上述二次点火部分5主要完成以下功能：点火精准设计10、点火执行11，

如图3、4所示，所述的点火精准设计10主要包括点火防抖电路和点火判定程序，所述点火防抖电路主要包括型号为74LS00的四组2输入端与非门组成的防抖电路，其中，74LS00的引脚1接输入信号，并通过4.7K上拉电阻接电源；引脚5接地，并通过4.7K下拉电阻接电源；引脚2和引脚6短接；引脚4和硬件3短接；引脚3为输出信号端，滤除点火触发信号中的弹跳输入信号；所述的点火判定程序主要进行多次判定来保证不发生误点火，具体的，5V触发TTL信号上升沿如果维持10ms以上，则视为正常点火触发信号，执行二次点火，不到10ms的上升沿被视为干扰。

所述的点火执行11：内部控制部分通过预设时间发出二次点火使能信号，控制点火执行机构实现二次点火，所述的点火执行机构采用内置点火电池短路的方式点燃点火头，进而引燃火药；进一步的，如图5所示，所述的点火执行机构为多组级继电器电路，图中编号为①、②的继电器串联，编号为③、④的继电器串联，再并联的组合方式确保二次点火的成功率。

上述点火回路检测部分6主要通过内部控制部分3的控制芯片STM32F103VET6的内置ADC检测一次点火的触发信号，通过所述的点火精准设计10，完成二次点火的点火执行11，具体的，点火回路检测部分6包括点火电检测电路和光电隔离电路，所述的点火检测电路通过检测电路回路上点火电阻上的电压信号，所述点火电阻选择0.5Ω；所述的光电隔离电路选择型号为ISO224的增强隔离放大器，隔离点火回路和点火检测电路，并将点火电阻上的电压值转化为两路差分信号输出。

本发明安装于弹体内部随弹体发射，所研制的测控系统在高过载下能正常工作。通过实弹检验，可承受主要完成了高过载条件下多种参数测控系统的室外实弹测试实验。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明、凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。