基于磁传感器的弹丸炮口测速系统设计开题报告.docx
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基于磁传感器的弹丸炮口测速系统设计开题报告
中北大学
毕业设计开题报告
学生姓名：
学号：
学院：
仪器与电子学院
专业：
微电子科学与工程
设计题目：
基于磁传感器的弹丸炮口测速系统设计
指导教师:
张晓明
2014年11月13日
毕业论文开题报告
1．结合毕业论文课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：
文献综述
1.课题研究背景及意义
为适应现代作战需要，发展准确打击目标武器装备是各国努力的大方向，而准确性武器打击则是常规弹药制导化改造的主要研究方向。
高精度、实时测量出弹丸飞出炮口的参数可以事先计算出弹丸从炮口飞出后的运动轨迹，修正外弹道相关参数，提高解算精度，进一步有利于提升弹丸的制导准确度和命中率。
对弹丸性能参数的测量主要集中在弹丸的飞行速度[1][2]、飞行姿态，飞行时间参数等，其中弹丸飞行速度的测量是武器系统各种运动参数测试中一项至关重要的内容[3]。
初始速度作为各项初始值中的一项重要参数之一，在实际工程应用过程中，希望在不同环境条件和射击条件[4]，准确、快速的测量出弹丸炮口速度，为外弹道解算提供初始值，以便计算出弹丸飞出后的运动轨迹。
但是弹丸飞行时伴随有高温高压的火药燃气和烟雾颗粒等一系列复杂情况，高旋转、高过载的环境中飞行，使得传统方法不容易测量出弹丸炮口速度。
弹丸速度是衡量武器性能的基本参数，也是为射表编制和内弹道研究必须提供的数据[5]。
火炮在使用过程中，弹丸初速直接影响到外弹道解算精度和弹丸的命中率。
所以要求根据不同的环境条件（装药、炮膛磨损等）和射击条件迅速、准确提供弹丸初速的实际值，以便自动修正各射击参数，进行精准打击。
火炮机动性的增强，特别是火炮行进中进行射击，更要求得到直接、实时的初速度值。
所以，初速的实时测量在火炮特别是小口径火炮中具有很高的使用价值，是火炮数字化进程中的一部分。
弹丸初速在很大程度上反映了火药装药设计的优劣和能量利用率的高低，也是检验内弹道设计参数的重要指标[6]。
2.国内外研究现状
目前国内外已有多种测量弹丸炮口初速度的方法。
主要分为两大类，这两大类分别是外测法和内侧法。
外测法主要包括激光式测速法、多普勒雷达测速法、高速摄像测速法等测量方法。
内侧法主要包括光电靶测速法、线圈靶测速法、惯性导航测速法等测量方法。
这两种主要方法各有利弊。
外测法需要凭借弹体外部仪器设施[7]，体积较大，而且测量时不能将所得的结果及时的提供给载体，这使得这种方法适用于事后分析，而战场形势瞬息万变，更需要战时打击的精确度，所以这类方法的适用性大大降低。
内侧法主要是将测速装置安装在弹体内部，实时的解算出测试信息，完成弹道相关的解算。
其中惯性导航测速法主要利用陀螺仪、加速度计或两者的组合来测量弹丸炮口速度，但弹体发射后容易使轴向过载而影响测量结果，严重时甚至会损坏器件，即使过载传感器在量程上可满足高过载要求，但其精度低，适用于射程短、测量精度要求不高的场合；光电靶测速法是利用光敏器件来测量炮口速度，但系统周围的光线和炮口烟雾颗粒会影响光敏器件工作，适用于夜晚、室内等环境暗、炮管内装药少的场合；线圈靶测速法是在弹丸的引信和炮管上分别安装多匣线圈。
弹丸出炮口时，引信上线圈会切割炮管上线圈，根据感应电动势的变化量计算出弹丸炮口速度。
线圈安装于极薄的弹丸壁上，过载冲击会破坏线圈，影响系统正常工作，同时会破坏弹丸结构的完整性[8]。
2.1国外发展现状
国际上目前广泛用于弹道飞行物测速的方法就是雷达测速法[9]。
多普勒雷达测速仪应用多普勒原理[10]。
它能够测量距离比较远的飞行物的速度，而且精度很高。
北大西洋公约组织将MS公司的758雷达作为测速的标准方法使用，其测速范围很广，精度能达到0.1%，能测量最小20mm直径的弹丸。
例如丹麦生产的BS250型雷达能测最大八万倍口径距离上的弹丸速度，它的功能较齐全，不仅能测出初速，还能计算出阻力系数曲线、速度距离曲线、速度时间-曲线。
再如美国白沙导弹靶场装备的靶场测试雷达，它工作在X波段，能跟踪速度为30m/s到3000m/s的目标，其测量精度为0.3m/s。
有些国家的火炮上装有小型雷达，它可测出火炮的速度降低情况，为火控系统提供修正参数以提高收发命中的能力。
比如澳大利亚军方使用一种雷达测速系统能测600发每分钟连发时每发弹的速度，测速范围达到50m/s至2400m/s，其精度为达到0.05%。
丹麦一家公司的多普勒雷达系统能给出速度、加速度、阻力和高度等参数。
英国公司研制的PacerMK2初速测量雷达，测速范围最大达1000m/s，精度为0.1%，可测75mm口径以上的弹丸。
还有英国马可尼公司研制的“马可尼炮兵校准设备”系统。
英国将这种系统装备皇家野战炮兵团，测量炮口速度。
整个雷达系统包括小巧轻便的雷达头和控制装置，雷达头装在火炮上。
该系统适合于35mm以上的各类火炮测速。
南非陆军使用的炮口速度分析仪的测速范围在30m/s达3000m/s。
另外，瑞典的一家电子公司也研制出各种类型的多普勒测速雷达，为兵器测速技术提供了得力的工具，其中用于弹丸初速测量的雷达有BS800、BS900两种型号。
这种雷达包括两个主要装置，分别是雷达部分和速度计算装置。
雷达部分可安装在炮管上或者在火炮旁的三脚架上，由于它安装便捷，适应性比较强，很适合靶场使用。
此外对于弹道学的研究，不仅需要测量弹丸的初速，而且还希望远距离上弹丸的飞行速度，确定和比较弹丸的飞行性能，并为射表编制和弹道研究提供依据。
应用雷达测速可解决弹丸远程测速的问题。
例如OPOS公司的ED-1000雷达BS-250雷达都可用于弹丸的远程测速。
国外也提出多种采用磁感应原理测量弹丸炮口速度的方法，例如美国学者JimmyQ.Schmidt提出一种测弹丸初速的方法，主要利用单涡流线圈来测量炮口速度[11]。
RicherdP.OberUn[12]提出一种利用电磁感应原理测量炮口初始速度的方法，其具体操作过程是在炮管一定位置安装两组感应线圈，在弹丸内部安装一个永磁体，弹丸飞行分别通过两组感应线圈时，会感应到较大磁场从而产生两个脉冲信号，经事先布置好的电子线路解算出弹丸的初始速度。
美国SheldonL.Cytron也提出一种炮口初始速度测量方法，利用布拉格光栅原理来测速，美国已将此装置用于25mm口径的炮弹测速[13]。
此外，AldoAlbertiye[14]也提出了一种基于电磁感应原理测量炮口初始速度的方法，他将一个产生磁的装置和一个感应磁的装置放置在炮口弹道的一定位置上，弹丸发射出炮口经过磁场发生装置，会改变磁场发生装置产生的磁场强度，飞行经过感应磁的装置时感应的磁场也改变将改变的磁场传到信号处理电路求得炮口速度。
弹丸速度是衡量武器性能的重要参数。
速度测量的精确与否直接关系到武器的性能，所以深入研究弹丸测速技术，不断地将一些高新技术应用于弹丸测速技术，开发新的弹丸速度测量方法，提高测速精度是一项长期研究的工作，是提高武器战术技术性能的一项基础性工作，也是影响武器发展的一个重要环节。
弹丸测速为满足自动化、高精度、宽范围与实时检测的目的，正朝着光、机电、计算机相结合的方向发展[15][16]。
2.2国内发展现状
目前国内炮弹初速度测量的方法主要有两种，第一种，就是利用多普勒原理做成的测速仪。
它由高频发射接收装置、放大装置、滤波装置、信处装置、控制装置、以及显示装置等组成。
但是，由于炮弹初速非常快，可达每秒数千米，完全不同于普通运动目标的速度测量，所以，对系统的性能要求非常高。
比如，要求系统的频率源要很稳定，放大电路的动态范围要很宽，信号处理电路的处理速度要很快，总之，要系统地响应能力非常强，响应时间非常短，而普通的一些电子元件很难达到如此的高要求，所以，此类测速系统的造价往往非常昂贵，价位从几十万元到几千万元不等。
第二种，就是利用截取装置，来获得炮弹初速在截取装置的不同截面（该截面是垂直于炮弹的飞行速度的，也就是炮弹飞行方向上的法平面）上的响应时间，而截取平面的距离是事先设计好的，而且可以做到很精确，同时炮弹飞过截取平面时靠的是光电或电磁感应，所以响应非常快，利用距离除以时间，从而可非常精确地测量出炮弹的飞行初速度。
目前，广泛使用的几种截取装置是天幕靶（天幕靶的探测区域是一个具有一定厚度的扇形平面视场，通常把这个扇形视场区域称为天幕[17][18]）、光幕靶、线圈靶和金属箔靶等几种。
为什么把截取装置叫做什么靶，那是因为该截取装在炮弹飞行方向的前方或平行于炮弹的飞行方向，似乎是要击中，实际上只是穿过。
由于天幕靶和光幕靶与炮弹非接触，而且不受飞行物材料的限制，使用方便，相对于多普勒测速仪的价位要低得多，渐渐为广大用户而采用。
3.基本技术原理
弹丸速度是衡量武器性能的基本参数，也是为射表编制和内弹道研究必须提供的数据[19]。
由于直接测量弹丸的瞬时速度很困难，无法被仪器直接测量，故而一般都采用间接的测量方法，首先测量与速度有关的物理量，然后换算为弹丸速度[20]。
基于电磁场具有抗干扰性强，不受时间、空间限制，即测即用等优点，在火炮弹药制导方面得到研究者的青睐。
本课题有效结合磁阻传感器和线圈测速，利用电磁感应原理来测量炮口初始速度，为外弹道解算提供初值。
测量系统从组成结构上来说，系统结构示意图如图1所示，为不破坏炮管及弹丸结构，确保弹丸发射后的力学特性及弹丸表面的过载冲击力不会破坏线圈，将两组相同材料、相同阻数和相同结构的线圈内嵌于炮管制退器中，保证两组线圈的轴线与炮管轴线平行且共线，两组线圈相距D。
三轴磁阻传感器及相应电子线路安装于弹丸质心，保证弹丸在飞行过程中姿态稳定。
图1测量装置结构图
系统测量原理如图1所示。
给图中两组线圈供电，就能够产生一定大小的感应磁场。
当弹丸通过第一组线圈时，磁阻传感器测得线圈产生的较大感应磁场，会产生一个脉冲信号，这时单片机的计数器单元开始计数，然后弹丸通过第二组线圈时，磁阻传感器测得线圈产生的较大感应磁场，产生第二个脉冲信号，根据这两个脉冲信号之间的时间差可得弹丸经过两组线圈的时间Δt；根据公式v=D/Δt可求得弹丸飞行经过这段距离的平均速度，由于距离D，与弹丸高速飞行速度相比较小，所以可近似认为这段距离的平均速度就等于弹丸炮口初速度[21]。
4.总结
通过国内外一些文献资料，我大致了解了目前所研究课题的重要性和必要性，并且对弹丸炮口测速技术的几种方法有了初步认识，对一些方法进行了探讨。
本研究课题所采用的方法相比以往的弹丸炮口测速方法有一些不同，目前基于磁阻传感器测弹丸速度的方法也有，不过制造方式比较复杂得不到大规模推广，本研究课题所采用的弹丸内载传磁感器测速方法会有很大优势，目前磁阻传感器造价低廉是一个重要原因，而且也不会破坏弹丸炮管的完整性。
现在本人对这种测速方法原理已经大概掌握，研究细节及所要解决的各项问题也已经明确，需要更进一步的了解和处理这些已知和未知的问题。
参考文献
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中北大学，2014
毕业论文开题报告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
11.本课题的主要任务
（1）理解测速原理
（2）了解磁传感器调节原理
（3）搭建硬件电路和软件程序的设计
（4）熟悉单片机C语言编程
（5）使用MATLAB进行算法仿真
（7）进行程序调试并优化
（8）进行半物理仿真验证
2.拟采用的研究手段
2.1设计方案思路
根据初步掌握的原理画出原理图。
图2弹丸炮口测速原理图
由图2我可以进一步详细的研究各部分具体的操作步骤，这里我采用模块化思想将各个步骤用集成模块的形式进行逐一解决。
硬件部分主要包括两组通电线圈的设计、磁信号采集与控制电路设计。
两组通电线圈模块用于产生感应磁场；磁信号采集与控制电路主要包括磁阻传感器模块、信号调理模块、信号处理模块、FLASH存储模块和电源模块。
电源模块用于给其它模块供电；磁阻传感器模块用于测量弹丸分别通过两组线圈的磁信号；信号调理模块将磁信号进行滤波放大处理。
信号处理模块中包含数模转换单元、控制单元和解算单元。
数模转换单元将模拟信号转换为数字信号，方便解算单元数据处理。
解算单元会结合事先软件中设置好的阈值将信号数据进行数据处理，当信号数字量大于第一次大于阈值时，计时器开始工作，信号数字量第二次大于阈值时，计时器停止工作，将这二者的时间差进行数据计算，得出速度值。
磁阻传感器在工作过程中需要处理模块不断发送PWM波对其进行复位，以防受强磁场干扰时降低传感器的精度。
若需要将所采集的数据存储起来，可通过外部FLASH存储单元进行存储。
软件部分主要包括系统初始化模块、ADC釆集模块、定时器模块、中断模块和解算模块。
硬件部分具体模块如图3所示。
图3弹丸炮口测速模块
2.2模块功能实现
磁阻传感器模块
本次利用磁阻传感器测弹丸炮口初速的设计研究将选用Honeywell公司研制的HMC1043型各项异性传感器，该传感器有精度高耐用性好等特点，而且内部自带复位单元使其有较高的稳定性。
该传感器符合弹丸设计体积小高精度的要求。
信号调理模块
信号调理模块是对获得的磁信号进行放大和滤波，根据所选用的磁阻传感器，对要选用的数模转换器也会有要求，目前可以选用AD公司生产的AD8426芯片进行放大。
磁阻传感器的复位模块
磁阻传感器长期工作于强磁场环境中时，内部会分成若干方向的磁区域，降低了磁阻传感器的灵敏度，影响测量结果。
为提高磁阻传感器的灵敏度，使得磁阻传感器复位模块的设计成为该系统精确测量的重点。
复位模块是给磁阻传感器输入周期性脉冲信号，重新复位磁阻传感器中的磁性材料，恢复其灵敏测量精度。
设计复位模块电路所需要的元器件包括PNP三极管、NPN三极管、电容和若干电阻。
信号处理模块
信号处理模块所选用的芯片是本次设计研究的重中之重。
本设计选用ST公司生产的STM32F4系列的STM32F405RG芯片，该芯片拥有集成度高、传输速度快、低功耗、效率高等特点。
FLASH存储模块
在实际运用中，可能会出现内部存储单元内存不够，数据溢出影响测试结果的情况，需要外接FLASH存储单元存储数据。
这里选用三星生产的K9F2G08U0M256x8bit的NANDFLASH存储芯片作为备用芯片。
该存储器具有体积小、容量大等特点，适合本测量系统。
供电电路模块
随着常规弹药小型化发展，在芯片选择上要在满足电路正常工作的前提下选择小体积芯片。
基于MIC5205-3.3BM5芯片具有体积小、精度高、功耗低、、供电输出稳定等特点。
完全符合本设计要求。
初始化模块
STM32F405RG集成了很多功能，系统工作前需将各单元（串口、DMA、定时器配置、ADC配置、DAC配置、系统时钟等单元）初始化。
其目的是与硬件电路定义的引脚相匹配，且给各分模块分派时钟，实现软件语言对硬件电路的有序控制。
ADC采集模块
基于STM32F405RG强大的内部功能，在三路ADC交替采集模式下采样率可达7.2MHz的功能。
本系统采用ADC交替采集模式。
定时器模块
定时器模块作为本系统中的一个重要部分，包括信号的触发和计数。
本系统采用软
件触发方式，在采集模块设定阈值，当输入值大于等于阈值时，启动中断，计数器始计时，否则一直等待，直到输入值大于等于阈值。
3.总结
本文对系统任务进行了分析，阐述了研究方案，细化了各模块，选定了将要使用的芯片，同时初步确定了将要使用的传感器及各模块的大体研究方向及目标，为课题的实施做好了充分的理论知识储备。
毕业论文开题报告
指导教师意见：
从文献综述可以看出，该生参阅了大量的参考文献，对设计背景和国内外有关基于磁阻传感器进行弹丸炮口测速的设计进行了详细的归纳总结，文献综述结构合理。
条理清晰，充分说明该生对本课题有了比较深入的认识和思考。
该同学在总结学习有关资料的同时，确定了基于磁阻传感器利用STM32F405RG芯片和ADC8426等芯片实现各个模块功能来测弹丸炮口速度的思路。
报告中的研究内容完整丰富，研究框架搭建清晰合理，研究方法切实可行。
本选题难度适中，经过努力，预计可以按期完成。
希望学生在后期的说明书作过程中，能够进一步研读资料，深入思考，完成该课题的设计。
同意开题。
指导教师：
年月日
所在学院审查意见：
负责人：
年月日
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