坦克火控系统自动化测试平台设计

马 帅,郭金龙,高云锟,李福鑫,王士涛,周世罡

(中国北方车辆研究所， 北京 100072)

1 引言

坦克火控系统是控制坦克武器瞄准和发射的系统，主要用以缩短射击反应时间，提高首发命中率[1]。坦克火控系统测试是坦克生产、研制过程中必不可少的一个环节，主要包括系统功能联调和指标量化测试两部分。功能调试是指测试员根据系统各部件的功能，通过一定操作确认其是否具有相应功能且没有异常[2-3]。量化指标测试是指测试人员通过测试、计算一些技术指标，判断坦克火控系统综合性能是否满足设计要求。目前，坦克火控系统的功能调试和指标测试均依靠人工完成，不仅效率较低，而且测试精度也有待提高。因此，本研究中提出了一种自动化测试方案，实现了自动化测试平台设计，提高坦克火控系统测试水平。

2 坦克火控系统人工测试流程分析

2.1 人工测试流程

坦克火控系统人工测试时，测试人员首先对坦克火控进行系统功能联调。在确定各火控系统部件功能具备且一切正常后，对整个火控系统在不同工况下的目标角速度、漂移、高速调炮等量化指标进行测试，其中除只需测出实际角速度的最大调炮速度指标以外，其余指标均需按照测试要求对火炮运动角速度进行精准控制，具体见表1所示。如图1所示，检测时需要将激光笔固定在火炮炮口后，1名操作人员在炮塔内控制操纵台驱动炮塔运动，另一名测试人员在炮塔外部对投射在炮塔前方的靶板进行观察，通过观察激光点在靶板上移动的距离和所耗时间，计算出实际火炮运动的平均角速度值，最终与炮塔内操作人员所读出的系统显示角速度进行比较。若数值误差小于一定百分比，则判定火控系统工作正常。

表1 坦克火控系统测试量化指标Table 1 Quantitative indicators of tank fire control system test

图1 坦克火控系统人工测试示意图

2.2 人工测试缺陷

通过对测试过程分析可知，传统人工测试方法虽然能够基本满足对坦克火控系统功能调试和指标量化测试的需求，但却存在着一些缺陷：

1) 测试精度有待提升：目前人工介入测试过程的环节较多，在观察靶板激光点位置、记录光点移动时间、测试开始和停止时人员沟通配合时，会将视觉偏差、人员沟通的反应时间等不可控因素引入测试结果，在一定程度上降低了测试的准确性。

2) 操作难度高：若想测试结果准确，必须保证炮塔内操作人员能够持续稳定的控制操纵台，进而使炮塔以某一固定角速度持续运动一段时间。但由于整个测试时间较长，工艺炮塔内空间狭窄、舒适度差，操作人员很难保证炮塔运动角速度在测试过程中稳定在某一定值。一旦角速度出现较大波动，便需要重新进行测试，在极大增加操作人员劳动强度的同时，也会在很大程度上影响测试结果的准确性。

3) 测试效率低：由于人工操作难度大，炮塔运动角速度一旦波动过大就需要重新进行测试，大大降低了工作效率。同时，为便于计算和降低角速度波动的影响，测试时需要炮塔转动较大范围的角度来计算角速度平均值，也一定程度降低测试效率。

4) 耗费人工：每套坦克火控系统测试至少需要一名操作人员在炮塔内扳动操纵台，一名测试人员在外部观测记录炮塔运动状态，人工成本较高。

由上述分析可知，传统人工测试方法有测试精度有待提升、人员操作难度高、测试效率低、耗费人工的缺陷，很大程度阻碍了坦克火控系统生产和研发的效率和水平，急需引入自动化测试技术对坦克火控系统的测试方法进行改进提升，以提高测试效率和精度，降低人工成本[4-5]。

3 自动化测试工艺流程规划

3.1 人工测试工艺流程分解

在进行自动化测试平台方案设计前，首先需要对人工测试流程进行分解。根据目的不同，可以将传统人工测试过程分为3个部分，分别是炮塔操控、炮塔测试数据记录、炮塔运动状态判断和数据分析。炮塔操控是指操作人员通过扳动操纵台来控制炮塔转动，炮塔测试数据记录是指检测人员对炮塔转动角度、转动时间的记录。同时，在整个测试过程中，需要操作人员实时判断炮塔转动速度是否符合检测要求并扳动操纵台进行修正，测试人员对测试数据进行计算处理进而判断系统是否工作正常，即炮塔运动状态判断和数据分析。

3.2 自动化测试工艺规划

作为对人工测试工艺流程的一一对应，将自动化测试平台规划为炮塔控制、操纵台驱动和火炮数据采集3个部分，实现对坦克火控系统的功能联调与指标量化测试。为实现以上功能，项目组以测试传感器、上位机、操纵台驱动机构等组成的自动化测试平台并搭配工艺炮塔(含工艺操纵台)和产品操纵台，形成自动化测试的工艺方案，如图2所示。

图2 自动化测试平台规划框图

为同时满足炮塔调试和测试需求，本测试平台采用了工艺操纵台和产品操纵台并联的工艺方案。安装在炮塔内的工艺操纵台供测试人员功能测试使用，而安装于炮塔外部的产品操纵台供测试平台进行量化指标测试使用。

首先，操作人员在炮塔内利用工艺操纵台对火控系统部件进行功能测试。在确定系统功能齐全且满足要求后，测试人员可以通过操作测试平台的上位机选择已经内置的测试项目并启动测试。此时，根据测试项目需求，上位机给出控制信号，通过控制操纵台驱动机构工作来转动安装于炮塔外部的产品操纵台，进而使炮塔开始运动。同时，测试传感器实时采集炮塔运动数据并反馈给上位机，对操纵台驱动机构控制信号进行实时修正，进而实现操纵台驱动的闭环控制，最终将炮塔运动角速度稳定在某一固定数值。在此过中，上位机对炮塔实际运动数据和火控计算机提供的数据进行实时记录，并在持续一段时间后对所有数据进行对比分析和处理，得出系统指标是否合格的结论。最终，将测试数据和结论以表格的方式列出并打印，测试人员即可得到测试结果[6-7]，流程如图3所示。

图3 坦克火控系统自动化测试工艺流程

4 自动化测试平台方案设计

4.1 操作平台方案设计

根据功能需求，测试平台主要包括车长操纵台工位、炮长操纵台工位和上位机3部分组成，如图4所示。上位机作为中控部分，完成控制操纵台驱动机构工作、发出测试信号、接收采集的数据、数据分析和处理等诸多功能，是整个测试平台的控制部分的同时，也是指令输入部分。

图4 自动化测试操作平台方案建模

其中，上位机功能主要由电脑实现，利用内部编译好的控制软件，上位机一方面可供测试人员进行测试项目选择，另一方面可以完成驱动控制信号接收、数据采集处理、测试结果显示与打印等功能。操纵台工位主要实现操纵台的驱动控制与机构执行功能，其中操纵台驱动机构采用伺服驱动控制，通过驱动电机旋转操纵台手柄来实现炮塔运动的控制，主要由操纵台固定和驱动2部分组成。利用操纵台的外形特点，方案中使用弹簧辅助的快速拆装设计，如图5(a)所示，可以节省安装时间，提高工作效率。并且，与操纵台手柄连接的驱动部分使用了可调方案，如图5(b)所示，驱动机构可以使用多种型号操纵台，提高适用性[8-9]。

图5 操纵台控制机构

4.2 数据采集部分设计

炮塔的运动分为水平炮塔回转运动和主炮俯仰转动运动，如图6所示。因此，根据测试要求，需要对炮塔运动的水平和俯仰的转动角速度进行采集，角速度测试范围从0.06(°)/s到40(°)/s。根据测试指标特点，决定利用霍尔传感器(见图7)对大于3(°)/s高速大行程指标进行数据采集，利用弧形磁栅尺(见图7)对小于3(°)/s的低速小行程指标进行采集[10-13]。

图6 炮塔数据采集示意图

图7 霍尔传感器和弧形磁栅尺

4.2.1大行程运动数据采集

在进行如高速调炮等指标测试时需要炮塔旋转一周，测试过程中不仅炮塔运动速度快，而且行程很大。在测试此类指标时，利用工艺炮塔的外形特点，将霍尔传感器安装在炮塔座圈处，当座圈齿顶和齿底交替经过霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁通量大小会发生交替变化，从而引起霍尔元件的电压变化，输出一个标准正弦波电压信号。通过使用信号处理电路将其转换成标准脉冲信号，便可以实现准确的计数功能，进而根据式(1)和式(2)计算出炮塔的转动角速度。

ω=2πn

(1)

(2)

炮塔座圈齿数为Z，测试起始时间为t1，测试结束时间为t2，传感器测得的脉冲数量为N。利用式(1)和式(2)，可以得到炮塔水平转动速度，完成量化指标的准确测量。

4.2.2小行程运动数据采集

基于实际条件，针对小行程和低速指标，利用弧形磁栅尺采集。弧形磁栅尺测试精度较高，十分适合对火炮转动角速度进行实时采集。通过测出火炮转动过程中的相对位移变化S、测试起止时间t1和t2，可以根据式(3)计算出火炮转动过程中的实时角速度值。

ω=S/(t2-t1)

(3)

4.2.3数据筛选

由于火炮运动到指定要求的速度需要一个过程，所以数据采集后，通过设置角速度上下限，完成对不符合测试工况要求的数据剔除，如图8所示，最终留存下有效数据，提高测试的准确性[14-16]。

图8 数据剔除原理示意图

4.3 测试软件部分设计

对于采集到的数据，需要编写软件进行分析处理后，才能得到最终的测试结果。本平台测试软件包含以下功能：

1) 当采集的数据实时回传给测试平台后，测试软件根据采集的数据完成测试指标的自动计算，同时与火控计算机输出的显示数据进行比对并计算出误差值，最终给出是否合格的结论。

2) 对于经过测试不满足指标要求的数据，软件会自动提示，并留存相应指标的所有有效数据，以备后续进行系统故障排查。

3) 测试完成后，将所有指标测试结果汇总后形成电子表格，并自动打印输出。

5 测试平台应用效果测试

根据如上设计方案，对测试平台进行工程设计和试制，并将样机实际应用于坦克火控系统生产测试中。为验证测试平台应用效果，项目组采用人工测试和自动化测试2种方法，分别对5套坦克火控系统进行实际测试情况对比，结果如表2所示。通过测试时间和测试数据的记录与统计，证明在使用测试平台对坦克火控系统测试的情况下，可以将每套火控系统测试时间由1 h缩短到15 min，耗费人工成本由2.13工时降低到0.25工时，依赖传感器进行测试的角速度控制精度几乎达到100%。

表2 坦克火控系统自动化测试与人工测试效果对比Table 2 The comparison between automatic test and manual test for tank fire control system

6 结论

本文通过分析和梳理坦克火控系统测试要求和流程，基于操作平台、数据采集、测试软件3个部分对坦克火控系统自动化测试平台进行设计，实现了坦克火控系统功能联调和量化指标自动检测的并联进行。通过实际应用测试，证明测试平台可以提高坦克火控系统测试效率、降低人工成本、提高测试精度，为实现坦克火控系统自动化测试提供了实现途径。