（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究.pdf

碩士論文 基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 ab s t r a c t d e s t r o y i nga n d b i o c kad i n g a i rp ort runw a y i s o neo f th e m a i n w a y s t o b l ockade a i rp o rt u s i ng幼 r fi e ld b io c k a g e m u n i t io n s i s o n e o f t h e m o s t e ffec t i v e w a y s top re v e nt th ee n e m yfromus i n gth ea i rp o rt theant i一m o v a l dev i ce o f ai rfie l db lock age mun i t i o n s c ank e e p e n e m y sm i n e swe e p i n gac t i o n s w i th i n l i m i ts and p ro l ong th e b l o c k a g e t i m e and i 帥rove th e b l ock age e ffi c ienc y a cc o r d i飛asth e a naly s e s tom o vem e n t c h arac te ri s t i c s and ac c e ie r at i onc h ang ing rule sd urin gm ine swe 印i n g th eo l e c 打 o n i canti 一 re m o v a lpr i n c ip ium b a s e do n d o uble 一 a x i s acce ler atio n s e n s o r i s p utfo 偉刁 r d e d i n th i s p a per s o me e x peri m e n tsare de s i edtop ro vethe p ri nci p i u m 1 七 e re sult s i l l u m i n a teth atthe p n i1 c ip i u mc an il1 1 p r o v e th e b l o c k a g e e ffic i e ncy e ffec t i v e ly k e 尹o rds acc e l e 以i o n s ens or e l ecl r o n i c a n t i 一 r e m o v aldev i c e 聲明 本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果 盡我所知 在本 學(xué)位論文中 除了 加以 標(biāo)注和致謝的部分外 不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或 公布過(guò)的 研究成果 也不包含我為獲得任何教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使 用過(guò)的 材料 與我一同 工作的同 事對(duì)本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均己 在論文 中作了明確的說(shuō)明 研 究 生 豁 鄧絲 滬 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔 可以 借閱或 上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi)容 可以向 有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交并 授權(quán)其保存 借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi)容 對(duì)于保密 論文 按保密的 有關(guān)規(guī)定和程序處理 研 究 生 豁 燕 坪 戶粉 巾 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 緒論 現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)及未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng) 特別是高技術(shù)條件下的 局部戰(zhàn)爭(zhēng) 奪取制空權(quán)是掌握 戰(zhàn)場(chǎng)主 動(dòng)權(quán)并贏得戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的重要保障 在奪取戰(zhàn)場(chǎng)制空 權(quán)的斗爭(zhēng)中 破壞和封 鎖敵方機(jī)場(chǎng) 可有效制約敵機(jī)動(dòng)性 破壞和封鎖敵方機(jī)場(chǎng)最主要的是破壞和封鎖機(jī)場(chǎng)的跑道 使其在短時(shí)間內(nèi)無(wú) 法使用從而降低敵戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)能力 利用地雷來(lái)封鎖機(jī)場(chǎng) 封鎖雷 就是最有效的 手段之一 敵為了 解除封鎖必會(huì)全力進(jìn)行排雷 因此 封鎖雷有必要具有反排能 力 有效遏制敵人的排雷行動(dòng) 延長(zhǎng)對(duì)敵人的封鎖 防排通常是指防止敵人順利排除地雷 防排機(jī)構(gòu)作用方式通常采用拆爆 觸 爆等方式 拆爆是防止敵人打開(kāi)地雷內(nèi)部研究結(jié)構(gòu)而采取的 必要的手段 觸爆是 敵人將地雷搬移原有位置而采取的對(duì)觸動(dòng)敏感的一種方式 常用的防排機(jī)構(gòu)有鋼珠敏感機(jī)構(gòu)和水銀開(kāi)關(guān)防排機(jī)構(gòu) 鋼珠敏感機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖1 1 當(dāng)有觸動(dòng)達(dá)到邊界條件的時(shí)候鋼球作為導(dǎo)體接通電 路 通過(guò)累計(jì)計(jì)數(shù)的方式可以感知被觸動(dòng) 但這種機(jī)構(gòu)很容易誤判 如當(dāng)?shù)孛娴?震動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度或意外沖擊存在的時(shí)候 會(huì)導(dǎo)致敏感機(jī)構(gòu)誤判而觸發(fā)雷體引 爆 這種特性一旦被敵人掌握 防排也就變成敵人排雷的工具了 圖 1 1鋼珠敏感機(jī)構(gòu) 水銀柱防排機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖1 2 當(dāng)?shù)乩子袃A斜的時(shí)候 水銀柱會(huì)滑動(dòng) 通過(guò)導(dǎo)體 通電來(lái)傳遞信號(hào) 但這種機(jī)構(gòu)同樣存在類似以上的誤判問(wèn)題 當(dāng)水銀柱受到輕微 碩士論文荃于 加速度計(jì)的電子防 排裝置 研究 沖擊時(shí) 很容易觸發(fā)雷體 金屬 電極 水銀 接單片機(jī) i p 口 圖1 2水銀柱防排機(jī)構(gòu)原理 因此 尋找一種性能可靠 穩(wěn)定的防排機(jī)構(gòu)具有很大的軍事意義 這種防排 系統(tǒng)要求安全可靠 讓敵人難以 捉摸 重要的是無(wú)有效排除的手段和方法 從而 在心理上給敵人產(chǎn)生震懾 目 前 隨著傳感器技術(shù)的 成熟 目 標(biāo)識(shí)別探測(cè)技術(shù)也日 趨完善 利用加速度 傳感器 從目 標(biāo)特性分析著手 通過(guò)測(cè)試被移物體加速度的變化來(lái)識(shí)別物體的自 身狀態(tài) 可以達(dá)到較高的分辨率 有效防止機(jī)構(gòu)誤判 達(dá)到防排的目 的 本文主要是針對(duì)以上兩種結(jié)構(gòu)的缺陷而研究地雷中的智能型電 子防排裝置 電子防排裝置的核心是電子防排系統(tǒng) 它是探測(cè)系統(tǒng)里的一部分 與其他探測(cè)系 統(tǒng)相互配合 由中央控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制 實(shí)現(xiàn)雷彈的探測(cè)起爆功能 對(duì)電 子防排裝置而言 應(yīng)對(duì)敵方各種排雷掃雷信息 拆卸 搬運(yùn) 挖掘 推 動(dòng)等 進(jìn)行辨識(shí) 獲取有用信號(hào) 并可有效識(shí)別雨滴 槍擊等干擾信號(hào) 從總體 上說(shuō) 電子防排裝置應(yīng)主要由以下幾個(gè)系統(tǒng)組成 信號(hào)采集系統(tǒng) 信號(hào)處理及判 別系統(tǒng)和雷彈起爆系統(tǒng) 根據(jù)排雷的幾種假設(shè)方式 拆卸 搬運(yùn) 挖掘等 設(shè)計(jì) 相應(yīng)的系統(tǒng) 當(dāng)雷彈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí) 彈體的加速度變化 防排裝置啟動(dòng) 信 號(hào)采集系統(tǒng)開(kāi)始采集加速度信號(hào) 當(dāng)信號(hào)采集系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置相互垂直交叉的加速 度傳感器采集到信號(hào)后 傳送到信號(hào)處理系統(tǒng)內(nèi) 經(jīng)系統(tǒng)的濾波 放大 刃d 轉(zhuǎn) 化等處理后 再傳送到信號(hào)判別系統(tǒng)中 經(jīng)過(guò)相關(guān)算法 根據(jù)假設(shè)的幾種排雷時(shí) 加速度的變化特性而設(shè)計(jì) 處理得出相應(yīng)的判別結(jié)果 根據(jù)結(jié)果決定是否傳送 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 給雷彈起爆系統(tǒng)相應(yīng)的信號(hào)觸發(fā)引信而起爆 下圖1 3 為系統(tǒng)流程圖 圖1 3系統(tǒng)流程圖 在以上系統(tǒng)中 較難實(shí)現(xiàn)的是如何實(shí)現(xiàn)目 標(biāo)信號(hào)的采集和判別 這也是該機(jī) 構(gòu)的核心之所在 本課題采用一種數(shù)字式的電容加速度傳感器集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)加 速度信號(hào)的采集 采用外接的單片機(jī)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)判別 之所以 采用此種安排是出 于經(jīng)濟(jì)性成本的考慮 采用集成式的單片機(jī)電路可有效降低成本 取得良 好的性 價(jià)比 但最重要的是可以 滿足識(shí)別彈體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)的要求 本文主要有以下內(nèi)容 1 目 標(biāo)特性的分析 主要根據(jù)彈體的加速度改變時(shí)的特征變化來(lái)分析此 時(shí)彈體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 2 目 標(biāo)特性的識(shí)別方案 主要從原理上闡述識(shí)別彈體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法 3 目 標(biāo)識(shí)別的實(shí)現(xiàn) 主要包括三方面內(nèi)容 一方面是加速度信號(hào)的采集 另一方面是加速度信號(hào)的處理 三是采用比較可靠的方法進(jìn)行加速度特征的識(shí) 別 4 試驗(yàn)驗(yàn)證 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 具體使用加速度計(jì)的原則是能夠把任意一個(gè)方向的加速度分解成兩個(gè)垂直 方向的分加速度 如圖2 2所示 x o一平面為與地面平行的平面 x 軸與y 軸分 圖2 2加速度分解圖 別安放單軸加速度計(jì) 且單 軸加速度計(jì)的 測(cè)試方向 要與x 軸和y 軸保持一致 當(dāng) 雷彈在x o一平面內(nèi) 運(yùn)動(dòng)時(shí) 無(wú)論加速度a 在哪個(gè)方向上產(chǎn)生 都可以 分解成x 軸 y 軸 上的 兩 個(gè)分加 速度ax 與 且a 的 大 小 滿足式 2 1 ia l 司不可 2 1 在考慮運(yùn)用加速度計(jì)防排機(jī)構(gòu)的情況下 只考慮水平面內(nèi)的外力 對(duì)于與 重力方向同向或者反向的力因與設(shè)計(jì)理念關(guān)系不大 暫不考慮 2 3防排對(duì)象運(yùn)動(dòng)特征分析 本文只考慮兩種典型情況下彈體的加速度變化規(guī)律 兩種典型情況為 人 為搬動(dòng)和車輛推動(dòng) 2 3 1人為搬動(dòng) 要分析人為搬動(dòng)時(shí)彈體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 首先應(yīng)分析人為搬動(dòng)彈體時(shí)人體的運(yùn) 動(dòng)狀態(tài) 步行運(yùn)動(dòng)是最常見(jiàn)的人體運(yùn)動(dòng) 人從站立靜止?fàn)顟B(tài)向前邁第一步開(kāi)始 加 速度就產(chǎn)生了 如果是規(guī)則運(yùn)動(dòng)的 話 運(yùn)動(dòng)規(guī)律比 較明了 設(shè)人走路的每個(gè)周期 分成四個(gè)時(shí)間段t 幾 八 心 四個(gè)時(shí)段 設(shè)人走路時(shí)先出左腳 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 圖2 3人走路時(shí)序圖 tl 從左腳伸出開(kāi)始 至左腳即將落地瞬間 右腳準(zhǔn)備離地 勺 從左腳落地右腳離地瞬間開(kāi)始 至右腳剛好到達(dá)穿過(guò)身體重心與地面垂 直的直線位置 朽 從右腳伸出開(kāi)始 至右腳即將落地瞬間 左腳準(zhǔn)備離地 八 從右腳落地左腳離地瞬間開(kāi)始 至左腳剛好到達(dá)穿過(guò)身體重心與地面垂 直的直線位置 設(shè) 前 進(jìn)方向 位 正 方向 t 一 t 時(shí) 間 段內(nèi) 人由 靜 止 開(kāi) 始 運(yùn) 動(dòng) 左 腳 先出 水 平方向上外界給身體的力是由腳底與地面的靜摩擦力提供的 受力方向交替變 化 因此 人體步行時(shí)的加速度呈周期性的正負(fù)交替變化 一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束后 下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的開(kāi)始時(shí)刻將在一定的速度基礎(chǔ)上開(kāi)始 設(shè)人步行時(shí) 每走一步定義為某只腳從蹬地開(kāi)始至落地前一瞬間結(jié)束為一 步 則這一步經(jīng)歷的時(shí)間卜tz十 6 根據(jù)資料顯示 人行走的頻率一般在1 10步 分鐘 l s h z 跑步時(shí)的頻率不會(huì)超過(guò)s hz 如果一百米沖刺的 速度跑的話一步 大概0 25 如果慢走的 話一步大概1 5 實(shí)際 測(cè)量正常步 速走路 t 值為0 5 75 人 正 常 步 行 的 加 速 度 不 超 過(guò) 士 19 川 如果 人是 跑動(dòng)的話 那么 靜摩 擦力函 數(shù) f 會(huì) 有一 些變 化 可能 在每 一小 段時(shí) 間內(nèi) 比如t z 沒(méi)有到達(dá)最后時(shí)間時(shí)會(huì)突然減小到零 因?yàn)槿伺軇?dòng)的時(shí)候有一小 段騰空的時(shí)間 但加速度的正負(fù)變化規(guī)律是不變的 為了討論步行運(yùn)動(dòng)的力學(xué)機(jī)理 下面對(duì)其力學(xué)特征作出簡(jiǎn)明的解釋 如圖 碩士論文 塞于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 2 4 所示 隊(duì) 凡 奉 h 的 戶 xx 圖2 4 人體步行簡(jiǎn)化模型 以 長(zhǎng) 度可 伸 縮的 輕 質(zhì)桿口 口 表 示 人體 腿 部 一 端q與表 示 人 體 軀 干的 剛 體 b 相 鉸 接 用 此 模 型 模 擬人 體 在步 行中 雙 足交 替 不離 地 的 運(yùn)動(dòng) h 為q到 地 面 的 垂 直 距 離 h ic os g a 為b 質(zhì) 心 到q的 距 離 氣 稱 分 別 為 質(zhì) 心 的 水 平 和 垂 直 速 度 rx 凡為 地 面 的 約 束 力 以 q點(diǎn) 的 最 低高 度h 為 特征 長(zhǎng) 度 定 義以 下 無(wú) 量 綱 變 量 l 一 是 一 奇 幾 一 上 乙 一 幾 t 乙 2 虧 叭 二匕 從 及無(wú)量綱參數(shù) 氣 根據(jù)質(zhì)心動(dòng)量定理和相對(duì)于0點(diǎn)的動(dòng)量矩定理 f 一 二 n 玉 州9功9 22 可列出系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程 元 萬(wàn) 夕 c o s 夕 石 tan口 h 幾 尸 n 一1 熟 k a 一 林 tan o tans 2 3 vy幾氣 碩士論文 基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 假設(shè) 人 體 控 制步 行 時(shí) 質(zhì) 心 保 持同 一高 度 則 有萬(wàn) 1 對(duì) 上 述 方 程 組 求 解 可 得 幾 氏 十 r ta n 0 2 虧 0 n 1 24 式中 r 1 a r 這 樣 人 體 質(zhì) 心的 水 平 速 度元 和 的 函 數(shù)關(guān) 系 如圖2 5 所 示 此圖 說(shuō)明 如 果步行時(shí)維持質(zhì)心高度不變 步行大致接近勻速運(yùn)動(dòng) 由式 2 3 可以看出 當(dāng)水平約束恒定不變時(shí) 水平加速度的絕對(duì)值不變 在左右支撐腿交替時(shí)刻 0 二 士 氏 0 達(dá) 最 大 值 質(zhì) 心 水 平 加 速 度方向 發(fā)生 突 變 若 腳 底與 地 面間 的 靜 摩 擦系數(shù)一定 則人體質(zhì)心的水平加速度如圖2 6 所示 此外 還需說(shuō)明的是 當(dāng)出現(xiàn)跑步即人體騰空現(xiàn)象時(shí) 法向約束力為零 法 向加速度為重力加速度 法向 速度不為零 一 一 二 且 一 一 一 聲尸 60 2 氏 1 氏 0 o婦 司刀口刀目 圖2 5 水 平 速 度又 與0 的 關(guān) 系 于 于一 摩擦系數(shù)一定時(shí)人體質(zhì)心的水平加速度特征 碩士論文 基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 假設(shè)人搬動(dòng)雷體時(shí) 雷彈與人體固連 雷彈與人體同視為剛體 則雷彈的 加速度特征與人體質(zhì)心的加速度特征相同 由于加速度計(jì)在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中會(huì)有響應(yīng)延遲 因此 所采集到的 加速 度特征曲 線不能完全與圖2 6 中所示曲 線相同 彈體的 加速度特征曲 線應(yīng)如圖2 7 所示 圖2 7 人步行加速度變化圖 綜上所述 當(dāng)人為搬運(yùn)雷彈的時(shí)候 對(duì)雷彈會(huì)產(chǎn)生加速度變化 加速度的 變化規(guī)律是正向反向的加速度交替的變化 而且加速度a 的值不會(huì)很大 一般在 2 9 以 下 12 1 2 3 2車輛推動(dòng) 封鎖雷彈被車輛推動(dòng)的情況分為四種 被安裝有推鏟的車輛推動(dòng) 被車輛 上的套索套住滑動(dòng) 裝在車上運(yùn)輸以及被排雷機(jī)器人移開(kāi) 前兩種同視為車輛推 動(dòng) 雷彈被車輛推動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)是 當(dāng)雷彈被推鏟推動(dòng)或被套索拖動(dòng)的時(shí)候 在很短的時(shí)間內(nèi) 雷彈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生有限的變化 速度和加速度有突變 在碰 撞面上造成極高的壓力 是一個(gè)隨時(shí)間劇烈變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程 根據(jù)彈體與車輛碰撞現(xiàn)象的特點(diǎn)以及計(jì)算的需要 做以下五點(diǎn)簡(jiǎn)化 1 計(jì)算車輛推動(dòng)的過(guò)程分為兩個(gè)階段 碰撞階段和推動(dòng)碰撞 2 在彈體與車輛碰撞過(guò)程中 由于彈體所收到的沖擊力非常大 空氣阻 力和摩擦力相對(duì)較小 因此 計(jì)算碰撞階段彈體的加速度特征時(shí)只考慮沖擊力的 碩士論文荃于 加速度計(jì)的電子 防排裝置研究 作用 3 由于彈體與車輛的碰撞過(guò)程歷時(shí)很短 彈體在碰撞開(kāi)始和碰撞結(jié)束時(shí) 的位置基本上沒(méi)有改變 因此 計(jì)算碰撞階段彈體的加速度特征時(shí)忽略子彈的位 移 4 車輛和雷彈均做簡(jiǎn)化處理 假設(shè)二者材料性能相同 碰撞過(guò)程視為正 碰撞 5 碰撞過(guò)程中 根據(jù)力的相互作用原理 車輛受到的反作用力與彈體因 碰撞產(chǎn)生的彈性力相等 根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理 雷彈受車輛碰撞的過(guò)程可看成雷彈 撞擊車輛的過(guò)程 設(shè)推動(dòng)的方向?yàn)檎较?水平方向上外界對(duì)雷彈產(chǎn)生的力為機(jī)動(dòng)車輛的推 力或者牽引力和地面給雷彈的摩擦力 對(duì)于雷彈來(lái)說(shuō)首先會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比 較大的正 向 沖擊加速度 繼而加速度減小 在tr 時(shí)刻達(dá)到與車輛相同的 速度 加速度減為 零 彈體受車輛水平推動(dòng)和彈體撞擊車輛時(shí)的受力情況如圖2 8 2 夕所示 y 卒 乓x 圖2 8彈體水平碰撞受力圖 互 竺址丫瓜 圖2 鄉(xiāng)彈體水平碰撞受力圖 碩士論文基于 加速度計(jì)的電 子防排裝置 研究 在碰撞過(guò)程中 彈體的運(yùn)動(dòng)微分方程為 刀 淫 父 十 七二 00 三 t 三 丁 2 5 其中 用 彈體質(zhì)量 x 彈體在x 軸方向的位移 k 車輛 鋼 的彈 性系數(shù) 可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定 r 一 一 碰撞持續(xù)時(shí)間 解 此 微分 方 程并 考 慮 初 始 條 件 當(dāng)t 時(shí) x 0 全 二 vo vo 為 碰 撞 前 彈 體 質(zhì)心相對(duì)車輛的速度 可以求得碰撞過(guò)程中彈體的位移為 一 授 一 授 2 一 6 對(duì)式 2 6 求二次導(dǎo)數(shù)即得彈體在與車輛碰撞過(guò)程中的沖擊加速度為 一 福 51 湯 2 一 7 式 2 7 所以 中的負(fù)號(hào)說(shuō)明加速度的方向與彈體相對(duì)車輛的速度相反 碰撞過(guò)程中的最大沖擊力為 fmax ma vo 廿 蕊 2 8 碰撞持續(xù)時(shí)間為 一 招 2 9 由計(jì)算結(jié)果可以看出 碰撞過(guò)程中彈體受到的最大沖擊力與彈體相對(duì)車輛的 速度呈線性關(guān)系 由 于 碰 撞 過(guò) 程持 續(xù)時(shí) 間 很 短 彈 體 在 很短 的 時(shí) 間內(nèi) 速 度達(dá) 到 車 速vo 并同 車一起做勻速運(yùn)動(dòng) 加速度衰減為零 整個(gè)過(guò)程的加速度特征曲線如圖2 10 所 示 a u l o 一d y na仿真結(jié)果如圖2 12所示 對(duì)于雷彈被敵方搬運(yùn)到車上運(yùn)走或者被排雷機(jī)器人的機(jī)械搬運(yùn)的情況來(lái) 說(shuō) 如果雷彈與車輛沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng) 則彈體可被視為與車輛構(gòu)成一體 車輛的運(yùn) 動(dòng)特征與雷彈的相同 雷彈被排雷機(jī)器人抓起后 其運(yùn)動(dòng)特征也與排雷機(jī)器人的 運(yùn)動(dòng)相同 由于加速度傳感器在受到?jīng)_擊后會(huì)有震蕩的工作特性 所采集的加速 度特征如圖2 11所示 一般情況是車輛或者機(jī)器人獲得雷彈后 需要重新加速 這樣就有了啟動(dòng) 碩士論文基于 加速度計(jì)的電子防排裝置研究 加速度 啟動(dòng)加速度的 特征也比 較明 顯 其示意圖 與車推動(dòng)的 情況 基本相同 只 不過(guò)是行 值會(huì)大一些 圖2 1 0車輛推動(dòng)時(shí)彈體的加速度特征曲線 11口j 刊司 圖2 11車輛推動(dòng)時(shí)傳感器的加速度輸出特征曲 線 嘗 8 0 o0 0 00 1 20 2 40 j 6 的 叻 而 t m 它 帕 圖2 12 車輛推動(dòng)時(shí)彈體的加速度特征曲線 綜上所述 無(wú)論是車輛推動(dòng)還是車輛或機(jī)器人搬運(yùn) 彈體的加速度特征有 碩士論文荃于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 部分相似點(diǎn) 即在短時(shí)間內(nèi)彈體受到較大的沖擊力 其加速度的沖擊響應(yīng)較為明 顯 達(dá)到峰值后 加速度不斷衰減直至為零 2 4本章小 結(jié) 本章通過(guò)對(duì)敵排雷機(jī)理的分析 得出相應(yīng)情況下彈體的加速度變化特征 只要根據(jù)加速度變化的特征制定出識(shí)別方案 就能得出彈體相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 即 可知道是哪種情況的排雷情況 碩士論文基于加速度計(jì)的電 子防排裝置研究 3目 標(biāo)識(shí)別方案設(shè)計(jì) 3 1識(shí)別方案分析 電子反排裝置的設(shè)計(jì)理論是建立在對(duì)目 標(biāo)特性識(shí)別基礎(chǔ)上的 因此 對(duì)目 標(biāo)特性識(shí)別總體方案的要求有以下幾點(diǎn) 1 可行性 該裝置必須在實(shí)際中可行 能夠在器件上得以實(shí)現(xiàn) 2 可靠性 該裝置必須保證一定的識(shí)別精度 如果不能保證一定的識(shí)別 精度 就談不上對(duì)目標(biāo)的識(shí)別 也就不能滿足封鎖雷彈在戰(zhàn)場(chǎng)上的需要 3 低成本 本裝置的設(shè)計(jì)要求之一就是要在滿足對(duì)目 標(biāo)的有效識(shí)別的基 礎(chǔ)上盡可能的降低設(shè)計(jì)成本 增加本裝置在實(shí)際應(yīng)用中的可行性 滿足大批量生 產(chǎn)的要求 根據(jù)目 標(biāo) 彈體 運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度特征 我們提出對(duì)目 標(biāo)識(shí)別的方案有以 下三種 根據(jù)目 標(biāo)加速度的大小范圍來(lái)識(shí)別 根據(jù)目 標(biāo)加速度的頻譜特征來(lái) 識(shí)別 根據(jù)目 標(biāo)加速度大小變化趨勢(shì)來(lái)識(shí)別 1 如果根據(jù)目 標(biāo)加速度的大小變化區(qū)間來(lái)識(shí)別 那就需將不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 下的 加速 度大小 值劃分為 幾個(gè)不同 的 區(qū)間 如 人正常走動(dòng)時(shí)的 加 速度為 29 等 這種識(shí)別方案的優(yōu)點(diǎn)在于 識(shí)別機(jī)理簡(jiǎn)單 在器件上也容易實(shí)現(xiàn) 只要通過(guò) 加速度傳感器測(cè)量目 標(biāo)的加速度 然后比較一下加速度落在哪個(gè)加速度區(qū)間內(nèi) 就可以得到相應(yīng)的目 標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 但這種目 標(biāo)識(shí)別方案的不足之處在于 精度低 很容易進(jìn)行誤判 這主要是基于某些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的加速度區(qū)間跨度太大 兩個(gè)或多 個(gè)區(qū)間容易相混疊 因此無(wú)盤(pán)發(fā)生的可能性很大 這種識(shí)別方案的特點(diǎn)在于易實(shí) 現(xiàn) 但精度低 2 如果根據(jù)目 標(biāo)加速度的頻譜特征來(lái)識(shí)別 那就需要用特殊的元器件記 錄目 標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)加速度的頻譜特征 然后送入到單片機(jī)或計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分 析處理 這種識(shí)別方案的優(yōu)點(diǎn)在于 由于大多數(shù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的頻譜特征不盡相同 因此可以 得到非常高的識(shí)別精度 但這種識(shí)別方案的不足之處在于 需要容量很 大的寄存器來(lái)存儲(chǔ)采集到的信號(hào)以 及分析各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下加速度頻譜特性的程 序 而且需要計(jì)算速度很快的中央處理器來(lái)處理信號(hào) 以保證下一次采樣信號(hào)不 被沖掉 而且 在很多情況下采集的信號(hào)的頻譜并不很完整 例如偏心碰撞情況 下或車輛推動(dòng)情況下 加速度變化的時(shí)間很短 所采集到的加速度信號(hào)頻譜特征 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 很可能不是很明顯 造成識(shí)別系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別或誤判 需要進(jìn)一步說(shuō)明的是這種識(shí) 別方案由于高精度的識(shí)別特點(diǎn)所需要的電子器件很多 很復(fù)雜 所占用的空間大 因此 此種方案與低成本設(shè)計(jì)要求不符 也不符合雷彈盡可能少的占 用雷體內(nèi)的 空間的 盡可能大的擴(kuò)大載藥量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 這種識(shí)別方案的特點(diǎn)在于精度高 但成本也高 3 如果根據(jù)目 標(biāo)加速度大小變化趨勢(shì)來(lái)識(shí)別 那就需要記錄加速度變化 時(shí)的幾個(gè)特征 如加速度峰值的變化和符號(hào)的變化 這種識(shí)別方案的優(yōu)點(diǎn)在于 可以通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的加速度特性來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)識(shí)別目 標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 在器件上較易 實(shí)現(xiàn) 而且可以達(dá)到一定的精度 但不足之處在于 很容易受到各種干擾 例如 雨點(diǎn)的撞擊和地面的振動(dòng) 而且 精度比不上第二種識(shí)別方案 這種識(shí)別方案的 特點(diǎn)在于易于實(shí)現(xiàn)而且可以保證一定的精度 綜上 根據(jù)電子反排裝置低成本 一定精度的設(shè)計(jì)要求 結(jié)合雷彈的小體 積 大載彈量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 我們選擇第三種識(shí)別方案作為本電子反排裝置的總體 識(shí)別方案 根據(jù)這種設(shè)計(jì)方案 我們需要若干個(gè)加速度傳感器來(lái)采集彈體的加速 度信號(hào) 然后利用 a 刃 轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) 并將數(shù)據(jù)存入若干 個(gè)寄存器內(nèi) 最后用數(shù)個(gè)單片機(jī)來(lái)處理和分析數(shù)據(jù) 在設(shè)計(jì)時(shí) 彈體在所有的情況均視為理想情況下的剛體運(yùn)動(dòng) 3 2識(shí)別方案 通過(guò)對(duì)各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下加速度進(jìn)行分析 可以 得知 幾種典型情況下彈體 的加速度特征有比較明顯的特點(diǎn) 可以 通過(guò)區(qū)分不同 情況下加速度相應(yīng)的 特點(diǎn)來(lái) 識(shí)別彈體的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 本文所采用的方法是實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)垂直方向的加速度變化 并且將兩個(gè)方 向的加速度大小合成為物體真實(shí)運(yùn)動(dòng)的加速度大小 兩個(gè)方向的加速度變化也作 為我們判斷的依據(jù) 3 2 1人為 搬動(dòng) 人搬動(dòng)情況下雷彈水平方向的加速度變化與人的相同 從圖2 7 可以看出 但人走路快慢會(huì)影響加速度幅值和加速度方向交替的變化頻率 因此 速度的正負(fù)交替作為這一運(yùn)動(dòng)的特征 變化特征簡(jiǎn)化為在一定的取樣時(shí)間內(nèi) 并且加速度的大小作為參考量 我們以加 加速度的 加速度的方向 交替變化 并且在每一次交 碩士論文 基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 替之前也就是方向沒(méi)有變化前的小周期內(nèi) 加速度的大小呈遞減的規(guī)律 為了能讓防排裝置中的信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別這種加速度不斷交替的 特性 我 們可設(shè)置幾個(gè)數(shù)據(jù)寄存器j k l m n 尸 分別存儲(chǔ)前一次和本次加速度的 大小和方向 數(shù)值上表示為正負(fù) 剩下的兩個(gè)寄 存器作為標(biāo)識(shí) 一個(gè)標(biāo)識(shí)加速 度的峰值 另一個(gè)標(biāo)識(shí)加速度方向的 變化 另外也可以 用同 一寄存器寄 存帶方向 標(biāo)志的加速度數(shù)值 只是在比較時(shí)需另外引出作為數(shù)據(jù)最高位的方向位 3 了尸l 口 口 口 前一次a 的大小 前一次 a 的方向 標(biāo)示 峰值 標(biāo)示 正負(fù) 本次a 的 方向 本次a 的 大小 識(shí)別過(guò)程見(jiàn)圖31 人為搬動(dòng) 圖3 1人為搬動(dòng)時(shí)的判斷識(shí)別方法 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 在以上判別過(guò)程中 需要說(shuō)明以下幾個(gè)問(wèn)題 l c c l用 來(lái) 標(biāo)識(shí) 加 速 度的 最 大 值 即 峰 值 z e e l用來(lái) 標(biāo) 識(shí) 加 速 度 符號(hào) 的 變 化 這 樣 可以 判 別出 加 速 度呈 交 替的 特征 3 當(dāng) 既 達(dá)到峰 值 又有正負(fù) 交替時(shí) 就 可 判斷 為 認(rèn) 為 搬動(dòng) 3 2 2車 輛推 動(dòng) 被機(jī)動(dòng)車輛推動(dòng)的情況下 加速度變化呈減小的趨勢(shì) 如圖2 1 0 且方向 不變 最終加速度減小為零值時(shí) 說(shuō)明已 經(jīng)達(dá)到或接近勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 根據(jù) 這種加速度特性 可先判斷是否有峰值 然后再判斷是否在持續(xù)一段時(shí)間后達(dá)到 或接近零值 根據(jù)一般的汽車加速過(guò)程 如果將最高時(shí) 速定為40k m 小以內(nèi) 我 們可將tr 加速時(shí)間 定為35以內(nèi) 我們可設(shè)置幾個(gè)數(shù)據(jù)寄存器 j k l m n p 分別存儲(chǔ)前一次和本次 加速度的大小和方向 數(shù)值上表示為正負(fù) 剩下的兩個(gè)寄存器作為標(biāo)識(shí) 一個(gè) 標(biāo)識(shí)加速度的峰值 另一個(gè)標(biāo)識(shí)加速時(shí)間的長(zhǎng)短 園 回 前一次a 的大小 前 一次 a 的方向 標(biāo)示 峰值 標(biāo)示介 本次a 的 方向 本次a 的 大小 識(shí)別過(guò)程如圖3 2所示 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 車推 圖 3 2車輛推動(dòng)時(shí)的判斷識(shí)別方法 圖3 2中有幾點(diǎn)需要說(shuō)明 1 q 0 是 指么值 在 零 值附 近一 定范圍 內(nèi) 時(shí) 就 可 近似 看為 零 其 具 體 范 圍為多少視實(shí)際情況而定 可在單片機(jī)編程時(shí)修改 2 tt 15為否定 情況時(shí) 我們就認(rèn)為是干擾 如石頭的輕微撞擊等 在 此種情況下 應(yīng)視為非車輛推動(dòng)或不予起爆 3 在如二 么時(shí) 即 采 樣的 前 后 兩次 數(shù) 據(jù) 方向 不同 此 時(shí) 可 能 是 雜 波 也 可能是非車輛推動(dòng)時(shí)的情況 可繼續(xù)采樣以確定 也可以不繼續(xù)采樣得出結(jié)論為 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 非車輛推動(dòng) 3 3 3識(shí)別方案綜合 在以上章節(jié)中 根據(jù)兩種不同的加速度特征總結(jié)出了不同運(yùn)動(dòng)形式的識(shí)別方 案 但并未形成統(tǒng)一的 綜合的識(shí)別方法 其中的任意一個(gè)識(shí)別方法只能識(shí)別特 定的運(yùn)動(dòng)形式 而不能適用于識(shí)別另一種運(yùn)動(dòng)形式 因此 在反排裝置中需要一 個(gè)綜合的 能有效識(shí)別兩種不同運(yùn)動(dòng)類型的邏輯識(shí)別方案 我們可以根據(jù)加速度 變化的特征將兩種不同的運(yùn)動(dòng)類型分為兩大類 車 輛 推 動(dòng) 和 人 為 搬 動(dòng) 首先 從總體上 系統(tǒng)需要分別判斷x y兩軸上的加速度特征所對(duì)應(yīng)的運(yùn) 動(dòng)形式 得出初次判斷結(jié)果 選擇出結(jié)果屬于兩大類中的哪一類 然后再根據(jù)初 次判斷結(jié)果作進(jìn)一步的判斷 得出最終結(jié)果 其次 在邏輯判斷上 我們可根據(jù)實(shí)際在分別設(shè)置以下幾個(gè)寄存器用來(lái)存 儲(chǔ)分別來(lái)自x y軸上的加速度數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)寄存器j k l m n p 分別存 儲(chǔ)前一次和本次加速度的大小和方向 數(shù)值上表示為正負(fù) 剩下的兩個(gè)寄存器 作為標(biāo)識(shí) 一個(gè)標(biāo)識(shí)加速度的峰值 另一個(gè)標(biāo)識(shí)加速時(shí)間的長(zhǎng)短 nl材 1尸ili 前一次ax 的大小 前一次ax 的方向 標(biāo)示 峰值 標(biāo)示衍 本次氣 的方向 本次a 二 的大小 入 嘆五 刃 前一次 a 的 大 前一次 a 的 方 標(biāo)示 峰值 標(biāo)示t r 本 次 凡 的方向 本 次 a 的大小 總體識(shí)別過(guò)程流程如圖3 3 所示 碩士論文荃于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 3 3總體識(shí)別原理框圖 在實(shí)際中 在彈體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變與系統(tǒng)開(kāi)始采樣之間會(huì)有個(gè)延遲 因此 可以設(shè)定系統(tǒng)在確定有加速度變化后 延遲 t 時(shí)刻然后進(jìn)行采樣 t 的大小可以 更具實(shí)際情況確定 識(shí)別過(guò)程見(jiàn)圖3 4 其中 意義分別為 車輛推動(dòng) 人為搬動(dòng) 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 人為搬動(dòng) 3 耳總體識(shí)別流程框圖 3 3本章小結(jié) 本章通過(guò)對(duì)目標(biāo)加速度特性的分析制定了在對(duì)彈體在相應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的識(shí) 別方法 并在最后制定出了總體上實(shí)現(xiàn)是別的綜合識(shí)別方法 為下一章目 標(biāo)識(shí)別 的實(shí)現(xiàn)提供了理論上的依據(jù) 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 4總體設(shè)計(jì) 4 總體方案 總體上 整個(gè)反排裝置由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩大部分組成 并受 彈體中中央控制器的控制 中央控制器對(duì)反排裝置的控制主要反映在對(duì)裝置發(fā)出 啟動(dòng)指令 然后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)加速度傳感器采集加速度信號(hào) 經(jīng)過(guò)放大 a 少 d轉(zhuǎn)換后 將處理后的信號(hào)送入事先編輯好程序的單片機(jī)進(jìn)行處理 最后得出 數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 中央控制器 圖4 1反排裝置中目 標(biāo)識(shí)別過(guò)程方框圖 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 首先要選擇最為關(guān)鍵的加速度傳感器 所選的傳感器 既要滿足測(cè)量量程的需要 還必須滿足在平面兩個(gè)軸向方向上分別采集信號(hào)并相 應(yīng)輸出 目 前世界上的一般傳感器都是由多片芯片組成來(lái)初步處理采集后的信 號(hào) 而更為先進(jìn)的傳感器 如a d i 公司開(kāi)發(fā)的加速度計(jì) 采用的是較為先進(jìn)的 單片集成方法 在同 一芯片上制作出 加速度敏感元 件和相應(yīng)的 信號(hào)調(diào)理電路 其 次 要選擇轉(zhuǎn)換精度高而且轉(zhuǎn)換速度快的a d 轉(zhuǎn)換器 因?yàn)椴杉蟮男盘?hào)必須 及時(shí)的送入戶 以 d轉(zhuǎn)換器內(nèi) 轉(zhuǎn)換 然后送入單片機(jī)進(jìn)行處理 如果轉(zhuǎn)換速度太慢 則會(huì)有一些信號(hào)可能被漏掉 如果轉(zhuǎn)換精度太低 則會(huì)影響判別結(jié)果 在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中 必須選擇處理速度快 寄存量大的單片機(jī) 因?yàn)楸仨毑?集足夠多的加速度信號(hào)才能有效識(shí)別目 標(biāo) 彈體 的運(yùn)動(dòng)特征 增加采集量可有 效增加正確識(shí)別的幾率 除此之外 單片機(jī)的處理速度必須要大于加速度計(jì) 或 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的信號(hào)采集速度 否則 前一次的加速度信號(hào)就會(huì)有可能還未來(lái) 得及處理就被后面的信號(hào)沖掉了 漏掉本該處理的信號(hào)會(huì)大大降低系統(tǒng)正確識(shí)別 彈體運(yùn)動(dòng)特征的幾率 在反排裝置中 為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)彈體運(yùn)動(dòng)裝態(tài)的判別 必須通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 將待測(cè)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入單片 機(jī) 因此 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是外部信號(hào)進(jìn)入信號(hào)識(shí)別 系統(tǒng)的必經(jīng)之路 是反排裝置中必不可少的前向 通道 而且 它也是本課題所設(shè) 計(jì)的電子反排裝置的重點(diǎn) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要從一個(gè)或多個(gè)信號(hào)源中采集模擬信號(hào) 并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為 數(shù)字形式 圖4 2 為一個(gè)本反排裝置中的雙通道 因?yàn)椴杉?信號(hào)為x y兩軸 向的加速度信號(hào) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖 外部的模擬信號(hào)經(jīng)多路模擬開(kāi)關(guān)以一 定方式按次送入前置放大器 a 有時(shí)是可程控的 經(jīng)前置放大器和采樣保持器 s h a后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器a d c 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后 通過(guò)緩沖器與儀表的總線聯(lián)接 內(nèi)部總線 多路模擬開(kāi)關(guān) 傳 感 器 信號(hào) 咒淄耳鬢 控制電路 4 2雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖 可見(jiàn) 對(duì)于模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 基本環(huán)節(jié)或部件有 模擬多路轉(zhuǎn)換 器與 信號(hào)調(diào)節(jié)器 采樣 保持器 模擬 數(shù)字 a d 轉(zhuǎn)換器 通道 控制電 路 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中與傳感器相連接的是信號(hào)調(diào)節(jié)器 它完成傳感器初次輸出 模擬信號(hào)的調(diào)節(jié)任務(wù) 而模 數(shù)轉(zhuǎn)換中的多路轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)節(jié)則要將模擬信號(hào)變 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置 研究 換成直接滿足模 數(shù)變換需要的 信號(hào)電 平及輸入方式 為了 減少動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量的 孔徑誤差 由于模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量有一過(guò)程 對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)模擬信號(hào) 在模 數(shù)轉(zhuǎn)換器接通的 孔徑時(shí)間里 輸入的 模擬信號(hào)值是不確定的 從而引 起輸出的 不 確定性誤差 對(duì)于快速動(dòng)態(tài)信號(hào)應(yīng)設(shè)置采樣 保持電路以防止采樣過(guò)程中 信號(hào)發(fā) 生變化 因此 模擬數(shù)據(jù)的采集及模 數(shù)變換通道設(shè)傳感器時(shí)不僅僅是單純選擇 人 江 轉(zhuǎn)換接口 要綜合考慮從傳感器到單片機(jī)數(shù)據(jù)輸入的全過(guò)程 在本反排裝置中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括 傳感器 前置放大器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) 所有部件由 單片機(jī)來(lái)控制 開(kāi)始采樣信號(hào)由 上位機(jī)來(lái)發(fā)出 隨后采樣電 路將所采集的信號(hào)數(shù)據(jù)送入總線 4 2 硬件設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì)為本設(shè)計(jì)的核心部分 它不僅負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)的采集 處理 傳輸任務(wù) 而且負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的 控制命令 將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī) 并具 有校驗(yàn)功能 從而使整個(gè)系統(tǒng)可靠 有序的工作 整個(gè)電路由 加速度傳感器信號(hào) 采集電 路 a v r單片機(jī)解算控制電路 通信接口電路以 及供電器件組成 電子 防排裝置加速度采集電路見(jiàn)附件一所示 4 2 器件選擇 4 2 1 微處理器選型 單片機(jī)是整個(gè)處理系統(tǒng)的核心 應(yīng)該從具體的要求出發(fā) 選擇合適的單片 機(jī)型號(hào) 根據(jù)總體設(shè)計(jì) 傳感器輸入兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量放大器放大后進(jìn)入 a j d 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后由d s p進(jìn)行處理 要求在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)完成對(duì)信號(hào)的采 集和處理 包括以下幾部分 信號(hào)的采集 信號(hào)的數(shù)字濾波 誤差的自 動(dòng)補(bǔ)償 滾轉(zhuǎn)角的解算以 及信號(hào)的存儲(chǔ) 這就對(duì) c p u提出的很高的要求 因此必須采用 高速度的數(shù)字信號(hào)處理器 在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中 必須選擇處理速度快 寄存量大的單片機(jī) 因?yàn)楸仨毑?集足夠多的加速度信號(hào) 才能有效識(shí)別彈體的運(yùn)動(dòng)特征 增加采集量可有效增加正 確識(shí)別的幾率 除此之外 單片機(jī)的處理速度必須要大于加速度計(jì) 或數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng) 的 信號(hào)采集速度 否則 前一次的加速度信號(hào)就會(huì)有可能還未來(lái)得及處理 就被后面的信號(hào)沖掉了 漏掉本該處理的信號(hào)會(huì)大大降低系統(tǒng)正確識(shí)別彈體運(yùn)動(dòng) 特征的幾率 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 在設(shè) 計(jì)中 我們選擇了 單片機(jī)at90s25 13作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的 核心 a j 9 0 5 2 3 13是一款基于a v rr is c的低功耗c m o s s 位單片機(jī) 通過(guò)在一個(gè) 時(shí) 鐘 周 期內(nèi) 執(zhí) 行 一條 指 令 八 t g o s 2 3 13可以 取 得 接 近i mi ps 從h z 的 性 能 從 而 使得設(shè)計(jì)人員可以在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡 a v r核將32個(gè)工作寄存器和豐富的 指令集聯(lián)在一起 所有的工作寄存器都 與a lu 算邏輯單元 直接相連 允許在一個(gè)時(shí) 鐘周期內(nèi)執(zhí)行的 單條指令 同 時(shí)訪問(wèn)2 個(gè)獨(dú)立的寄存器 這種結(jié)構(gòu) 提高了代碼效率 使a v r得到了比普通 c ls c單片機(jī)高將近10倍的性能 八 t 9 0s2 3 i3具有以下特點(diǎn) 1 a v rr is c結(jié)構(gòu) 高性能 低功耗ris c結(jié)構(gòu) 1 18條指令 大多為 單指令周期 3 2 個(gè)8 位通用 工作 寄存器 工 作 在10 m h z 時(shí) 具 有1 0 m ips的 性 能 2 數(shù)據(jù)和非易失性程序內(nèi) 存 z k 字節(jié)的 在線可編程fl as h 擦除 次數(shù)為1 傭次 128 字節(jié)s r a m 1 2 8 字節(jié)在線可編程e e p r o m 壽命為1 0 0 0 0 次 程序加密位 3 外圍 p eriphe r a l 特點(diǎn) 1 個(gè)可分頻的8 位定時(shí)器j 計(jì)數(shù)器 1 個(gè)可分頻 具有比較捕捉和 8 9 1 0 位 p w入 1 功能的16位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 片內(nèi)模擬比較器 可編程的看門(mén)狗定時(shí)器 由片內(nèi)振蕩器產(chǎn)生 全雙工 u a r t 4 特別的mc u特點(diǎn) 低功耗空閑和掉電模式 內(nèi)外部中斷源 5 規(guī)范 s p e c i fi c at i on 碩士論文基于加 速度計(jì)的電子防排裝置研究 低功耗 高速 c m o s 工藝 全靜態(tài)工作 6 4 mh z 3 v 2 5 c條件下的功耗 工作模式為2 s ma 空閑模式為0 8 毗 掉電模式為 l ua 7 1 0 封裝 巧個(gè)可編程的1 0 腳 2 0 腳p d i p 和s o i c 封裝 8 工作電壓 2 7 6 0 v 一4 0 6 o y at9 0 5 2 3 1 3 一 4 at9 0 5 2 3 1 3 一 1 0 9 速度 刃 4 陽(yáng)2 at9 0 5 2 3 1 3 一 4 0 一1 0 陽(yáng)2 at9 0 5 2 3 1 3 一 1 0 器件是以a t m e c的高密度 非易失 性內(nèi) 存技術(shù)生產(chǎn)的 片內(nèi)fl as h 可以 通過(guò) is p 接口或通用編程器多次編程 通過(guò)將增強(qiáng)的犯s c的8 位c p u與fl as h集成 在一個(gè)芯片內(nèi) at9 0 5 3 213 為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了 靈活而低成本的方案 a t 9 0s2313 具有一整套的 編程和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作 宏匯編 調(diào)諭仿真器 在 線仿真器和 s l 口 a v r編程開(kāi)發(fā)試驗(yàn)器 4 2 1 z a d 轉(zhuǎn)換器選型 a 心轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件 戶 以 d轉(zhuǎn)換由 采樣 量化和編碼 三個(gè)過(guò)程組成 采樣過(guò)程是把輸入的連續(xù)時(shí)間變化的模擬量離散化 即變成時(shí)間域上斷續(xù)的 模擬量 量化過(guò)程就是把采樣取得的在時(shí)域上斷續(xù) 但是在幅值上連續(xù)的模擬量 進(jìn)行量化 即用相對(duì)于最小數(shù)字量的信號(hào)值的某個(gè)整數(shù)倍去表示該采樣值 編碼 是把己經(jīng)量化的數(shù)字量用一定的代碼表示輸出 通常采用二進(jìn)制碼 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 對(duì) a j d轉(zhuǎn)換器有以下要求 1 精度高 2 轉(zhuǎn)換速 度快 因?yàn)椴杉蟮男盘?hào)必須及時(shí)的送入 刀d轉(zhuǎn)換器內(nèi)轉(zhuǎn)換 然后送入單片機(jī) 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 進(jìn)行處理 如果轉(zhuǎn)換速度太慢 則會(huì)有一些信號(hào)可能 被漏掉 如果轉(zhuǎn)換精度太低 則會(huì)影響判別結(jié)果 在本設(shè)計(jì)中 我們采用tl公司的幾c 2 5 4312位串行a j d轉(zhuǎn)換器 t l c 2 5 4 3 串 行a d 轉(zhuǎn)換器使用開(kāi)關(guān)電 容逐次逼近技術(shù)完成a d轉(zhuǎn)換過(guò)程 由 于是串 行輸入結(jié)構(gòu) 能夠節(jié)省單片機(jī)1 0資源 且價(jià)格適中 其特點(diǎn)有 1 12位分辨率a d 轉(zhuǎn)換器 2 在工作 溫 度范 圍內(nèi)10娜轉(zhuǎn)換時(shí) 間 3 n個(gè)模擬輸入通道 4 3 路內(nèi) 置自 測(cè)試方式 5 采樣率為6 6 k b p s 6 線性誤差 i l s b x 7 有轉(zhuǎn)換結(jié)束 e oc 出 8 具有單 雙極性輸出 9 可編程的璐b 或lsb 前導(dǎo) 10 可編程的輸出 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 tlc 2 5 4 3 是12位開(kāi)關(guān)電 容逐次逼近a 了 d轉(zhuǎn)換器 逐次逼近比 較式戶 以 d轉(zhuǎn)換 器屬于直接比較型 它是用一組基準(zhǔn)電壓與被測(cè)電壓進(jìn)行逐次比較 不斷逼近 最后達(dá)到一致基準(zhǔn)電壓的大小 就表示了被測(cè)電壓的大小 和被測(cè)電壓相平衡的 基準(zhǔn)電 壓 以一定二進(jìn)制數(shù)碼輸出 就實(shí)現(xiàn)了a 刃轉(zhuǎn)換過(guò)程 主要組成部分有 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 比 較器 移位寄存器 數(shù)據(jù)寄 存器 時(shí)鐘以 及邏輯控制電 路等 逼近式 八 刃 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快 精度高 外用元器件也不多 是使用較 廣的一種轉(zhuǎn)換電路 4 2 1 3傳感器選型 在本設(shè)計(jì)中采用的加速度傳感器是a l 1 公司的單片集成雙軸加速度傳感器 a d x lzo z 它的采樣頻率為i k h z 在兩種預(yù)先假設(shè)的 運(yùn)動(dòng)中 人為搬動(dòng)的周期 大約為0 5 75 頻率為z h zlz 車 輛推動(dòng) 彈片 擊中 時(shí)的 加 速度 信號(hào)頻 率大約為 1 一 功 h z 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳感器的采集頻率 因此 利用此傳感器采集彈體運(yùn)動(dòng)的加 速度信號(hào)完全符合采樣定理 理論上可以利用此傳感器采集加速度信號(hào) a d x l 2 02是一種低成本 低功耗 功能完善的 雙軸加速度傳感器 其測(cè)量范 碩士論文墓于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 圍 為士 2 9 a d x l202既 能 測(cè) 量 動(dòng) 態(tài) 加 速 度 如 振 動(dòng) 加 速度 又能 測(cè)量 靜 態(tài)加 速 度 如 重 力 加 速 度 其內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 如 圖4 3 所示 a d x l 2 02具有以下特點(diǎn) l a d x l202是集雙軸加速度傳感器于一體的單塊集成電路 它既可測(cè)量 動(dòng)態(tài)加速度 又可測(cè)量靜態(tài)加速度 2 a d x l202采用14引腳表面封裝 有兩種工作溫度范圍 商業(yè)溫度范圍 為0 7 0 工業(yè)溫度范圍為 一 0 一 85 3 具有脈寬占 空比輸出 4 a d x l202的帶寬可以 通過(guò)電容c x和c y在0 olhz s k h z 的范圍內(nèi) 設(shè)定 其典型噪聲值為s oop g 漢 h z 1 2 60hz 帶寬時(shí)的分辨率為s mg 5 低功耗 0 6 m a 60hz 帶寬時(shí)的分辨率為s mg 直流工作電壓為 3v 十 5 25v 可承受1 0009的 劇烈沖擊 on o tc o n 陽(yáng) 三 c n x公 f f s e t nul l 之 鉀 0 盯x 甘 含 盯丫 5 三 l 二 了 s tyo f s t 呀ij盆 l 圖4 3a d x l 2 02 結(jié)構(gòu)圖 4 2 4 放大器芯片選型 由 加速度傳感器采集到的 模擬信號(hào)在進(jìn)行a 心轉(zhuǎn)換前需進(jìn)行放大 因 此需 要選擇適當(dāng)?shù)姆糯笃?要求放大器功耗小 精度高 在本設(shè)計(jì)中選用貼片式放大 器 o p z o pz 是一款精密運(yùn)算放大器 最大輸入失調(diào)電壓0 3 25m v 共模抑制比 1 1 0 d b 電源抑制比 1 2 0 d b 開(kāi)環(huán)電壓增益8 8 v m v 軌至軌輸出 輸出電流3 0 m v 帶寬 1 5 mhz 壓擺率 1 3 物5 電源電壓士 1 3 5 v d 幼 o v或 2 7 v一 1 2 v 每運(yùn) 放最大電 源電 流0 85m a 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 4 2 1 5電 源芯片選型 由于主要元器件工作電壓均為十s v 而電源盒供電電壓為十 9 一 1 2 v 因此 需要將電壓由 9 一 1 2 v調(diào)到 s v 電源芯片78l 05和l m3 3 6 一 5 可以完成此工作 78l 05 是一款單片集成的三端穩(wěn)壓電源芯片 其工作特點(diǎn)有 工作電流 10 0 ll la 內(nèi)置的電路保護(hù) 低噪聲 高精度 精度可達(dá)5 輸出電壓 s v 工 作溫度一 20 計(jì)85 性價(jià)比高 使用廣泛 l m336 一 5是一種常用的基準(zhǔn)二極管 其工作特點(diǎn)有 具有很小的動(dòng)態(tài)電阻 僅有眾 2 在很小的 工作電 流下即 有很硬的 特性 在10 必 電流下即可正常 工作 溫度系數(shù)低 典型值僅2 0 p p 而 約25 v 比 普通穩(wěn)壓管低百倍以 上 工作電壓分別為1 2 35v 2 乃 v s v且工作電壓的離散性很小 僅1 一 2 一般情 況下具有互換性 價(jià)格便宜 因而得到廣泛使用 4 2 1 6通訊芯片選型 數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理 顯示以及相應(yīng)的處理都需要在上位機(jī)實(shí)現(xiàn) 因此 單 片機(jī)需與p c機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊 八 t 9 0 5 2 3 12具有很強(qiáng)的串口 通信能力 故可采用 其串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸 在進(jìn)行串行通信時(shí) 需要計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間共同遵守某種約定 即通信協(xié) 議 rsz 犯 r s 4 22及rs4 85是串行通信的常用接口 標(biāo)準(zhǔn) rs232 是美國(guó)電子 工業(yè)協(xié)會(huì)e ia e le c t r o n i c l n d ustria l ass o c i at i on 和b e l l 公司一起開(kāi)發(fā)的于1 9 6 9 年頒布的通信協(xié)議 它適合傳輸速率在0 一z o k b 5 范圍內(nèi)的通信 現(xiàn)已成為微 機(jī)串行通信接口中 廣泛應(yīng)用的一種標(biāo)準(zhǔn) r s 2 32規(guī)定 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速度小于0 一 z o k b 5 且電纜的電容負(fù)荷小于250 0 p f時(shí) 傳輸距離小于15m 本系統(tǒng)主要是 利用系 統(tǒng)所保存的 數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定 因此并不要求實(shí)時(shí) 傳輸 對(duì)速度要求不 高 因此采用r s 2 32異步通信方式 為增加信號(hào)在線路上的 傳輸距離和提高抗干擾能力 r s 一 2 咒 提高了 信號(hào) 的傳輸電平 該接口 采用雙極性信號(hào) 公共地線和負(fù)邏輯 對(duì)于發(fā)送端 一 s v 一 巧 v表示邏輯1 s v 一 15 v表示邏輯0 對(duì)于接收端 電壓低于一 3 v表示 1 高于十3 v表示0 它與單片機(jī)的邏輯電 平不一致 因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí) 必須 把微處理器的信號(hào)電平 竹l電平 轉(zhuǎn)換為r s 2 32 電 平 或者對(duì)兩者進(jìn)行逆轉(zhuǎn) 換 m a x 2 32芯片可以完成電 平轉(zhuǎn)換這一工作 碩士論文基于加速度計(jì)的電子防排裝置研究 m a x 2 32 芯片是ma x i m 公司生產(chǎn)的低功耗 單電源雙r s 2 32 發(fā)送 接 收器 適用于各種e ia一 2 32e和v 28 v 24 的通信接口 ma x 2 32 芯片內(nèi)部有一 個(gè)電 源電 壓變換器 可以 把輸入的 十s v電 源變換成 rs一 2 32c輸出電 平所需士 10 v電壓 所以采用此芯片 接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的 5v電源就可以 m a x 2 32 外圍需 要4 個(gè)電 解電c l c z c 3 c4 是內(nèi) 部電 源轉(zhuǎn)換所需電容 其取值均為1 f 2 5 v 宜選用擔(dān)電容并且應(yīng)盡量靠近芯c s 為0 1 協(xié) f的去藕電 容m a x 2 3 2 的引腳tlln tzin r 1 0 u t r20 u t為接t t l c m o s電平的引 腳 引腳t l u t t20 u t r l ln rzin為接rs 一 2 32c電平的引 腳 因此t t l c m o s電平的t l ln tzin 引腳應(yīng)接m c s 一 51的串行發(fā)送引腳t x d r i o u t r20 u t應(yīng)接 m c s一 51 的串行接收引腳 r x d i與之對(duì)應(yīng)的 rs一 232 c電平的 t 1 0 u t t20 u t應(yīng)接p c機(jī)的接收端r d r l ln rzin 應(yīng)接p c機(jī)的發(fā)送端 1 d 4 2 2 外圍電路