高精度人影高炮作业数据检测研究及应用_樊昌元.pdf

国外电子测量技术北大中文核心期刊 ：高精度人影高炮作业数据检测研究及应用樊昌元周麒丞谭杰王财丽苏德斌（成都信息工程大学电子工程学院 成都 ）摘要：森林火灾、干旱、冰雹等自然灾害每年造成我国直接经济损失超过万亿，开展人工影响天气高炮作业，应对森林防火、防雹、开发利用空中云水资源、缓解我国水资源缺乏具有重要意义。精准指挥、精确作业与数据实时上传下达是人影作业的关键。在用高炮进行人工影响天气地面作业时，需对高炮作业的起止时间、用弹量以及方位角和仰角进行准确的测量。设计了一种高精度人影作业现代装备系统，重点开展系统设计以及一种高精度方位角检测传感器设计。该系统能实时检测高炮作业方位角、俯仰角、用弹量及作业开始结束时间，经测试符合人影作业要求。同时能与指挥中心实时进行作业数据上传和作业指令下达，以实现人影作业与指挥精确化、智能化和现代化。关键词：人工影响天气；高炮作业；多圈电位器；精准化中图分类号：文献标识码：国家标准学科分类代码：（，）：，：；收稿日期：基金项目：四川省科技计划重点研发项目（）资助引言近年来，我国极端天气频发，暴雨、干旱、洪水等气象灾害给我国造成的损失逐年增加，不仅对人民的生命财产造成不可挽救的损伤，而且极端天气也会严重扰乱当地的社会秩序和经济的发展。为了避免或者降低气象灾害带来的损失，合理利用气象资源。因此人工影响天气相关技术的发展也尤为重要。人工影响天气是旨在不破坏生态环境和自然保护的前提下，通过人为干预局部大气中的云物理过程，减小气象过程造成的损失和影响。使得天气过程向有利于人民生活、生产转变。目前在云物理过程和降水形成机理，开展了大量实验。理论方面取得了重要成果。人工影响天气的技术应用以及控制构成也得到了迅速发展。年国务院办公厅发表了关于推进人工影响天气工作高质量发展的意见。明确要积极开展人工影响天气作业，最大限度降低灾害损失，加强基础理论研究，北大中文核心期刊国外电子测量技术实现关键技术突破，加快成果转化应用，提升人工影响天气工作质量和效益。人工影响天气又分为地面作业和空中作业。地面作业是通过人影高炮和火箭发射装置向待作业区域发射装有催化物火箭弹和炮弹。空中作业则是通过飞机向指定作业区域播撒催化剂。高炮作为人影地面作业最主要的催化剂播撒工具，在人影作业中发挥的作用尤为重要。针对目前人影高炮作业的采集依靠作业人员通过电话、电台的方式上报。缺乏监管、上报数据的可靠性也无从考证的状况。年，李建提出了一种人影高炮作业数据采集装置，该装置使用陀螺仪，加速度传感器和电子罗盘用于测量姿态，通过语音识别进行弹量检测。可以有效的测量方位角、俯仰角及用弹量等数据，但并未给出具体测量精度以及网络通信过程。年张明等在对 高炮数据采集研究中采用了三维磁阻式电子罗盘测量 方 位 角，采 用 接 近 开 关 检 测 用 弹 量，并 通 过 进行上传。该方案提高了测量精度，但涉及的电子罗盘价格昂贵，通信数据率低且不稳定。年马鑫鑫等等人提出用声级采集仪采集高炮、火箭作业信息。该方案记录并识别高炮发射时的声波，处理捕获的音频数据从中提取信息。从而得到用弹量信息。采用 获取位置。但方案未给出姿态信息的获取和处理。为了实现人工影响天气作业数据的数字化采集以及网络化传输，使得人工影响天气作业过程变得规范化且更具科学性，提出一种高精度人影高炮数据检测装置。并设计一种高精度方位角检测传感器，采用该传感器不仅提高了方位角检测精度并且解决了关机方位角记忆问题和机械回差问题。该装置可安装于 高炮或者人影火箭，实现人影高炮作业数据（方位角、俯仰角、用弹量以及作业起止时间等）的实时自动采集并通过网络上传到相关部门，以用于对数据的存储和使用数据开展对作业效果的评估。系统组成高精度人影高炮数据采集系统由数据采集装置、指挥终端和上位机软件组成。数据采集由仰角检测电路、方位角检测电路和炮弹检测电路构成。系统工作流程如图所示。图系统组成将设备安装在对应的人影高炮上，启动设备后，设备则进入自动工作状态，实现对作业信息的准确检测。由中央处理器实现对整个系统的信息处理，通过蓝牙通信的方式将处理后的信息数据发送至指挥终端。指挥终端接收到这些信息数据后，通过上位机软件将指挥终端发送来的数据统一处理后进行显示。并使用 的方式将此次作业的起止时间、每发炮弹的方位角俯仰角数据发送到管理中心，整个过程，除处理开关电源外，其余步骤全是自动完成的。本文重点介绍数据采集装置设计。数据采集装置硬件电路设计高炮数据采集装置硬件电路设计如图所示，主要基于 芯片构成中央控制电路、恒流电源电路、可变多圈电位器、射随器、俯角检测电路、弹量检测电路，模块、蓝牙模块、电源管理电路、电磁铁控制电路，时钟电路。中央控制电路通过总线与上述各电路连接。控制整个系统的信息获取和信号处理、通信等处理的操作。图系统整体设计 方位角检测传感器及电路对于人影作业的姿态检测，主要分为使用电子罗盘、陀螺仪等集成传感器和采用电位器构成的检测电路。但由于电子罗盘检测容易受到金属以及其他磁场的干扰。其应用就有很大的局限性。而数字陀螺仪因其本身原理要求被测目标具有较大的角动量，不然其测量的精度会受到影响。而目前使用电位器研究方位角测量装置以及测量方法主要有；采用“双联多圈电位器检测高炮方位角”，该装置确能精确有效的检测方位角。但是存在高炮炮管转动一圈，电位器要旋转 圈，电位器输出与旋转角度不一一对应，且采集器断电后方向机若旋转超过一圈再开机（炮管旋转超过 ），就无法确定高炮炮口方位角，在实际应用中，存在关机方位角记忆问题、机械回差问题（回差的含义是传动装置在单向传动过程中，当输入轴开始反向后，到输出轴跟随反向时，因为存在机械间隙，传感器会发生小幅度的转动但是高炮是不会转动的。）。使得开机前必须要将高炮方位调整到指定位置，给使用带来不便。也有技术“多圈精密电位器”、“宽国外电子测量技术北大中文核心期刊幅电位器”，用以解决方位角记忆问题或者机械回差问题，但文献中设计方法和装置结构复杂，也未给出具体算法。为使高炮方位的旋转角度与电位器的旋转角度完全同步并解决关机时方位角记忆问题、机械回差问题。消减设备本身不同步引起的误差，提高测量精度。本文设计一种“可变多圈电位器“装置如图所示。电位器设计为多圈结构，其内部的碳膜电阻槽为渐变螺旋曲线。在转轴上设置有电极环，底座上安装有与电极环相互配合的碳刷电极座，触头采用弧形结构。电极安装部上设置有与转轴的轴线相互垂直的通孔，形电极的滑动部穿过通孔与通孔间隙配合。滑动部穿过电极安装部的部分是套设有弹簧如图所示，弹簧一端通过电极安装部限位，另一端通过滑动部末端设置有弹簧挡片限位。图可变多圈电位器图电位器内部结构方位角检测恒流源电路是由一个“可变多圈电位器”、恒流源和射级跟随器组成，如图所示。由电阻和二级管产生的参考电压，通过电阻限制正向导通电流从而达到控制正向导通电压的目的。由仿真和以及查阅数据手册可以得知，当限流电阻为 的时候此时的正向导通电压为 。取二极管阴极电压作为的基准电压接入下一级运算放大器的同向端。当正向端接入基准电压 过后。由于虚短，其反向端的电位也为 ，从而可知精密电阻上端电位也为 。自然流经的电流为 。由基尔霍夫电流定律可知流经的电流由反向端和输出端提供，但是由于虚断，反向端电流为。从而可以得知输出端的电流为 。由于（可变多圈电位器）和是串联所以流经的电流也是 。至此，已经让恒定电流 流过待测电位器的首位两端。最后将 脚的电压信号送入电压跟随器的输入端，其输出即为单片机 采集的信号了。电信号经控制器自带模数转换后，生成相应的数字信号，即通过测量电压获得电位器的电阻值，采用“二分插值法”，快速高效计算方位角，从而实现电压到角度的转换。提出“智能回差修正法”解决机械回差引起的误差，进一步提高方位角检测精度。图方位角检测恒流源电路 弹量检测电路检测系统中采用 电感式接近开关来检测自动控制系统所模拟的炮弹数量。将电感式接近开关安装在高炮的退弹口处，接近开关的工作原理如图所示。每退出一个金属弹壳经过接近开关或靠近感应磁罐时，由于 高频振荡电路的振荡强度降低，将导致高频振荡电路输出为较低频的信号，该信号再经整形检波后，进入信号处理电路，通过处理后的信号就可得到一种开关量输出状态（如闭合）；当弹出的金属弹壳离开接近开关，即当金属弹壳远离感应磁罐时，高频振荡电路的振荡恢复，其输出的高频信号经过整形检波电路处理，再进入信号处理电路进行处理，通过处理后的信号可使开关量变为另一种状态（如断开）。这就是电感式接近开关在有无金属弹壳靠近时的整个工作流程。应用接近开关的闭合或者断开，也就是接近开关输出的高低电平变化，为作业数据采集系统的处理器提供控制信号，从而检测出在人影作业时靠近接近开关的金属弹壳数量，即人影作业过程中所发射的炮弹数量。当检测到第一个弹壳就记录当前时刻为起始时间。每检测到一个弹壳都记录当前时间并开启定时器倒计时，若 结束没有检测到下一个信号，便将最后一次记录为结束时间。图弹量检测北大中文核心期刊国外电子测量技术 电磁铁控制电路电磁铁控制电路主要控制电击发装置工作。电击发控制装置设计有远程和手动控制两个模式如图所示，远程模式下，仅能由终端控制完成火炮的远程电击发。人工模式下，则需手动启动控制装置完成电击发。设备同时配备紧急停止保护。以应对突发情况。器件选用直流管式电磁铁，与高炮击发拨叉连接，额定吸力大于 ，衔铁行程大于，保证足够的推杆行程和击发力，用以实现高炮电击发。图电磁控制 电源管理电路电源管理模块主要完成电源管理，主控芯片，通信模块等电路的供电以及整个电路开关机控制。具体由高速集成电子开关 与其外围电路构成。芯片内部包含过热、过流、过压保护功能。虽然其内部结构复杂，但其使用却非常方便。具体电路如图所示，当开关闭合后采用硅型整流二极管和电容构成的全桥整流、滤波电路，的交流电压经过整流滤波后，分两路进行输出。一路接入 的脚，另外一路通过两个电阻、后接入三极管的发射极，使得三极管导通，处于饱和工作状态。此时电压由集电极输出到 的脚，使得其内部器件开关导通，电压从芯片的脚输出，使得流过电感电流增大，可供负载使用。一旦输出电压超过 时，将会击穿稳压管，此时流过电阻的电流增大，使得上分得的电压增大，若输出电压达到 时，三极管 的工作状态由饱和状态变为放大状态。当输出电压超过 时，会使得三极管 的发射结处的电压减小，使集电极输出电压减小，当 的脚的输出电压下降到 时，会使得开关芯片电路断开，此时流过电感的电流减小，随之输出电压也跟着下降，当电压降 到 时，三 极 管 的 集 电 结 电 压 升 高 到 以上，开关芯片电路会重新导通，此时会获得稳定的 输出电压。接着采用德州仪器的双通道降压开关稳压器 将 分别降至和 供给单片机或其他电路模块。图电源管理电路 网络与蓝牙通信通过网络通信 可以将高炮作业的起止时间、俯仰角、方位角以及用弹量等数据实时记录并上传到人影办等相关部门。本方案采用 蓝牙的通信方式。模块是指硬件加载到指定频段，软件支持标准的 协议的基本电路集合。能完成无线接收、发射、基带信号处理功能，软件数据传输等功能。电路设计采用 模块。相比于 或者 其传输数据率高，应用广国外电子测量技术北大中文核心期刊泛，可为后续多点组网提供网络基础。其工作电源电压在 。可实现人影高炮作业采集数据实时上传至指挥中心，蓝牙模块主要完成采集装置与指挥终端的数据交互。采用 蓝牙通信模块，其通信范围为 距离。模块工作原理简单。当其与供电系统为 的 连接时，可在模块的 端串接一个 电阻再接 的 ，模块的 直接接 的，无需串接电阻。系统软件设计系统软件构建 如图所示，包括数据采集软件、通信软件、终端显示软件。其中前两者的程序开发和调试是在 集成开发环境下完成。后者则是在 可视化开发环境下完成。图软件架构）软件功能设计当高炮开始工作时，数据检测系统就同时开始运行。软件流程如图 所示。软件工作后首先进行系统初始化。判断本次是否为初次使用状态。然后进行自检获取测量精度。通过读取数据存储器中数据，默认初始化为，若检测到非数据。将其存