基于聚能射流的非接触式排爆系统 |
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| 申请号 | CN200910244595.4 | 申请日 | 2009-12-31 | 公开(公告)号 | CN101788251B | 公开(公告)日 | 2012-11-28 |
| 申请人 | 中国人民解放军63620部队; 北京邮电大学; | 发明人 | 谌廷政; 孙汉旭; 李越; 贾庆轩; 马向斌; 叶平; 王海峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于聚能射流的非 接触 式排爆系统，包括设有聚能射流弹夹具和瞄准器的上U形架、下盖、设有 开关 的下 箱体 ，以及安装在所下箱体上的 支撑 腿和天线，上U形架设置在下箱体上，下盖设置在上U形架与下箱体之间。本非接触式排爆系统使用聚能射流弹，因此可对带有较厚金属防护层的大当量爆炸物进行有效排除。而且，由于控 制芯 片通过触发保护 电路 和电 雷管 来引爆聚能射流弹，提高了控制可靠性。通过采用固定协议格式，结合有限状态机和超时机制，提高系统的实时性，通信可靠性以及执行效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于聚能射流的非接触式排爆系统，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 基于聚能射流的非接触式排爆系统技术领域[0001] 本发明涉及一种哑弹排爆系统，尤其涉及一种使用聚能射流弹引爆哑弹，可实现远程遥控操作的非接触式排爆系统，属于排爆技术领域。 背景技术[0002] 随着国际国内的经济政治形势的变革，各个国家都在致力于提高自身的军事装备水平，与此同时，随着科学技术的不断进步和兵器工业的迅速发展，炮弹的研制正在以飞快的速度发展和更新，从而对武器的毁伤试验也有了更进一步的要求。 [0003] 在武器的毁伤试验过程中不可避免地会产生未爆炸的哑弹。由于这些哑弹的保险状态和质量状况不明、安定性严重下降，处理过程中随时可能爆炸，这对操作人员的生命安全构成了严重的威胁。靶场的哑弹的排除一直是一项非常危险的工作，至今尚未得到妥善的解决。对于哑弹的处理，通常是由人工将炸药放在哑弹处，然后进行人工引爆。在人工搜索和排除的过程中，不可避免有误触发或者意外爆炸的情况出现，因而造成很大的人力、物力和财力的损失。 [0004] 为此，现有技术中出现了排爆机器人，为哑弹排除难题开辟了新的解决途径。例如在专利号为ZL200710175389.3的中国发明专利中，公开了一种小型排爆排险机器人。该机器人主要包括行走部分、机械手部分、机体部分、云台部分及控制部分，其机体部分的设备舱和电池舱及云台部分设置在后底盘上，行走部分为左右两部分，对称联接在机体部分的前底盘和后底盘两侧，机械手部分设置在机体部分的前底盘上，所述的行走部分的尾部左右两侧设置有尾撑部分；机械手部分采用多自由度，既保证足够的抓重能力，又提高机器人通过狭窄空间的能力，弹性尾部支撑结构起到缓冲作用，不易发生倾覆，使用安全可靠；具有接近大型机器人的功能，对复杂地形的适应能力强，越障能力强，可替代人工排查，可以直接用于任务现场进行侦察、排除和处理爆炸物及其他危险品。 发明内容[0006] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于聚能射流的非接触式排爆系统。该排爆系统能够实现遥控排爆，具有可靠性高、安全性好、成本低的优点。 [0007] 为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案： [0008] 一种基于聚能射流的非接触式排爆系统，其特征在于： [0009] 所述非接触式排爆系统包括设有聚能射流弹夹具和瞄准器的上U形架、下盖、设有开关的下箱体，以及安装在所下箱体上的支撑腿和天线，所述上U形架设置在下箱体上，所述下盖设置在所述上U形架与所述下箱体之间； [0010] 所述下箱体内设置有控制电路板，所述控制电路板包括逻辑处理模块、电机驱动模块、辅助瞄准模块以及触发引爆模块，所述电机驱动模块、所述辅助瞄准模块以及所述触发引爆模块均受所述逻辑处理模块的控制，所述逻辑处理模块包括微控制器，所述电机驱动模块包括驱动所述上U形架运动的驱动器，所述辅助瞄准模块包括控制所述瞄准器的电路，所述触发引爆模块包括控制聚能射流弹的电路。 [0011] 所述触发引爆模块包括与所述逻辑处理模块连接的触发保护电路。 [0013] 设置在所述下箱体上的开关是两个相互串联的开关。 [0014] 本发明所提供的非接触式排爆系统使用聚能射流弹，因此可对带有较厚金属防护层的大当量爆炸物(如哑弹)进行有效排除。而且，由于控制芯片通过触发保护电路和电雷管来引爆聚能射流弹，提高了控制可靠性。通过采用固定协议格式，结合有限状态机和超时机制，提高系统的实时性，通信可靠性以及执行效率。附图说明 [0015] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。 [0016] 图1为本发明所提供的非接触式排爆系统的整体组成示意图； [0017] 图2为非接触式排爆系统的机械结构示意图； [0018] 图3为非接触式排爆系统中，聚能射流弹夹的结构示意图； [0019] 图4为非接触式排爆系统的电路结构框图； [0020] 图5(a)为24伏电源的电路原理图； [0021] 图5(b)为5伏电源的电路原理图； [0022] 图5(c)为3.3伏电源的电路原理图； [0023] 图6为图1中的电雷管的继电器保护示意图； [0026] 图9为非接触式排爆系统的控制过程流程图； [0027] 图10为非接触式排爆系统的控制过程中，接收状态的转移示意图。 具体实施方式[0028] 如图1所示，本发明所提供的非接触式排爆系统在上位机系统的制下工作。上位机系统通过无线数传模块与非接触式排爆系统内的无线数传模块进行通信，以控制非接触式排爆系统。非接触式排爆系统的控制电路主要包括逻辑处理模块、电机驱动模块、辅助瞄准模块以及触发引爆模块。逻辑处理模块对瞄准模块、辅助瞄准模块以及触发引爆模块进行控制。 [0029] 逻辑处理模块包括微控制器以及通过串行通信与微控制器相连接的无线数传模块。微控制器用于进行运算处理，无线数传模块用于接收上位机的控制信号。电机驱动模块用于控制聚能射流弹夹具的方向，以瞄准目标。辅助瞄准模块具有驱动放大电路和小型激光器，用于利用激光器来辅助将聚能射流弹瞄准目标。触发引爆模块具有触发保护电路、电雷管和聚能射流弹，用于准确地引发聚能射流弹。 [0030] 如图2所示，本非接触式排爆系统的机械部分从上向下包括聚能射流弹夹具1、激光瞄准器9、上U形架2、下盖3、具有钥匙开关4和按钮开关5的下箱体7，以及安装在下箱体7上的支撑腿6和天线8。上U形架2设置在下箱体7上，下盖3设置在上U形架2与下箱体7之间。可以理解，前述上U形架并不限于“U”形，也可以根据需要改变为其他形状，例如三角形支架。此外，激光瞄准器也可以是以红外或其他无线方式瞄准的瞄准器。 [0031] 在上U形架2上安装有聚能射流弹夹具1及瞄准激光器9。具体如图3所示，本实施例中，聚能射流弹夹具1具有一个聚能射流弹安装孔10和两个激光器安装孔11。激光器安装孔11设置在聚能射流弹安装孔10的外侧(与聚能射流弹安装孔10的圆周相切)，并且左右对称。这样，对目标爆炸物的瞄准可以使用两个小型激光器9。两个激光器9的轴线和聚能射流弹的轴线共面，对称并且成一定夹角。通过两个激光器的激光点的汇合点来瞄准目标物体。可根据聚能射流弹的有效摧毁距离而方便地调整两个激光器9的轴线与聚能射流弹的轴线所成夹角的大小。本实施例中，该夹角为3.8°，聚能射流弹的发射装置与排爆点的距离保持0.6m左右。目标爆炸物在距离排爆点前后0.2m内均可以被聚能射流弹准确引爆。 [0032] 如图4所示，本非接触式排爆系统的电气部分包括电源、中央处理器、数传通信模块、电机驱动模块、瞄准激光控制模块和触发保护模块。控制电路板及电池安装在下箱体7的内部。本实施例采用DSP芯片作为控制芯片安装在控制电路板上，采用一块12V，容量是2000mAh的锂电池对控制芯片供电。从图4可以看出整个系统控制装置共有三种电源存在，分别是12V、5V、3.3V。因此需要多种电源模块将12V输入电压转换成所需要的三种电压。 [0033] 一、24V电源电路(参考图5(a)) [0034] 由于引爆聚能射流弹需要24V电压，因此需要一个12V宽压输入，24V稳压输出的电源模块。本实施例采用金升阳电源模块，型号是VRB-1224D-10W。为了确保电路高效可靠的工作，在输出端需要并联一个外加电容，除了规定最大负载(即满负载)，同时也规定了一个最小负载。在使用时，要确保在整个输入电压范围内，其输出最小负载不能小于满负载的10％。若实际的电路中负载长期较低，需要在输出端并联一定数量的适当阻值的电阻以增加负载。 [0035] 二、5V电源电路(参考图5(b)) [0036] 如图4所示，瞄准激光控制模块、稳态电路、光电隔离、驱动电路，都需要使用5V供电。同时，3.3V的电源也间接由5V电源提供。本实施例采用LM76系列开关稳压集成电路，其是线性三端稳压器件的替代品，具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为MCU的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。 [0037] 三、3.3V电源电路(参考图5(c)) [0038] 本实施例在3.3V电源电路中使用了开关电源芯片TPS733Q。TPS7333Q是美国TI公司生产的微功耗，低压差电源管理芯片，具有节电关断模式与输出电压监控功能，极低的静态电流而且不随负载变化；集成延时微处理器复位功能，能保证系统的正常工作；具有完善的保护电路，包括过热、过流以及电压反接保护。利用该电源芯片，只需要极少的外围器件就可以构成高效、稳压电路。 [0039] 为了保证本非接触式排爆系统的安全可靠性，在结构上使用了两个相互串联的开关作为排爆系统的电源开关，以严格限制排爆系统的加电时间，两个开关的配置如下：钥匙开关4作为主电源开关，由操作人员人工打开，带自锁功能的按钮开关5由机器人触发打开，只有当两个开关同时打开以后，电源才会给系统上电。 [0040] 在触发引爆模块中增加了触发保护电路，以增加可靠性。即，通过在DSP和继电器之间加入双稳态电路的方法来保证触发的可靠性。这是因为微处理器在加电复位期间其IO管脚电平不确定，在微控制器和触发控制输入中间加入JK触发器稳态电路，就能确保触发控制输入在系统上电瞬间就处于一个确定的电平。 [0041] 在本非接触式排爆系统中，微控制器控制触发保护电路，通过电雷管引爆聚能射流弹。如图6所示，在微处理器通过继电器(电雷管)给聚能射流弹加电时，同时使用了常开常闭开关。电雷管引脚同时与常开、常闭开关连接。在正常情况下，常闭开关闭合，电雷管两根引线扭绞在一起，确保安全可靠；在加电时，常闭开关打开，常开开关闭合，电雷管加电起爆。 [0042] 在电机驱动模块中，通过两个驱动电机的直接全驱动，聚能射流弹发射装置具有俯仰和偏转两个自由度。本实施例采用通过光电耦合器与微控制器连接的智能功放集成芯片LMD18245作为驱动电路。LMD18245是美国国家半导体公司生产的DMOS全桥电机驱动芯片，非常适合用作中小功率直流电机或步进电机的驱动。 [0043] 下面具体说明本非接触式排爆系统的具体控制过程。 [0044] 由于无线数传模块在应用中固有的不可靠特性，本非接触式排爆系统使用应用层通讯协议，包括三个方面的内容：数据帧格式、数据帧同步方法、数据帧校验方法及通信过程。 [0045] 由于排爆工作危险性极大，因此控制指令的准确性、可靠性一定要得到保证。为了实现控制指令的可靠通信，本软件系统指定了固定的协议格式，如图7所示，数据帧格式采用5个字节，分别是帧头、校验和、命令字、数据字、帧尾。其中，帧头用于帧同步，是一个固定的字节OXAA，CMD为通信的指令类型，DATA为指令数据，CRC是对CMD和DATA的校验和。帧尾用于标识数据帧结束，为一个固定字节OXBB。在数据帧的同步方法上，综合采用了基于有限状态机和超时机制的数据帧同步方法。数据帧的校验采用了CRC-16的校验方法，通信过程采用了发送应答的方式，基本过程类似于停等协议。 [0046] 如图8所示，控制流程主要包括6个模块，分别是：初始化模块、SCI通信模块、伺服控制模块、数据采集模块、数据处理模块、中断处理模块。如图9所示，系统上电以后，控制器首先执行初始化程序，包括数据、状态初始化和看门狗初始化。初始化完成之后，在串口等待控制指令的到达，接收到正确的指令数据之后，执行相应的动作。例如，控制电机的俯仰与旋转、调整激光瞄准、发射聚能射流弹等。 [0047] 发送协议采用的方法是，主机发送了一帧数据之后，必须停下来等待从机对这一帧数据的确认，直到收到正确的应答帧之后，再发送下一帧数据。与此同时，在发送协议中引入了超时机制，主机开始发送数据帧时，启动超时计时器，数据帧发送完毕之后，开始等待从机的应答帧。如果在规定的时间内，主机没有收到从机的应答帧，超时计时器将会溢出，从而出现超时中断。主机在超时中断中，重新发送上次发送的数据帧，从而开始新一轮的数据发送周期。 [0048] 如图10所示，通信双方的接收协议使用了有限状态机的方法，该方法将数据帧的接收过程分为五个状态，分别是帧头状态、命令状态、数据状态、帧尾状态。系统程序初始化时将接收状态初始化为帧头状态，各个状态之间的状态转移图如图10所示。通信中的数据帧结构为5个字节，当从机的接收状态处于DATA或者是CRC校验和状态时，由于主机或者是信道问题，数据帧丢失了一个字节，导致从机不能够接收到正常的帧尾而死锁在DATA状态或者是CRC校验和状态。为了有效避免这个问题的发生，在接收协议中引入了超时接收机制。接收方在收到帧头之后，开始启动接收超时定时器，进入帧尾状态之后，接收超时定时器停止并清零，以准备接收下一个数据帧。接收方周期性的检查接收超时定时器，一旦发现接收超时定时器溢出，程序将进入帧头状态，开始等待下一个指令帧的接收，从而避免了程序的死锁。 [0049] 在本非接触式排爆系统的控制过程中采用了CRC-16校验机制。该校验机制速度快，但是占用较大的内存空间，很适合在有足够存储空间的基础上应用。 [0050] 本非接触式排爆系统使用聚能射流弹，因此可对带有较厚金属防护层的大当量爆炸物(如哑弹)进行有效排除。而且，由于控制芯片通过触发保护电路和电雷管来引爆聚能射流弹，提高了控制可靠性。通过采用固定协议格式，结合有限状态机和超时机制，提高系统的实时性，通信可靠性以及执行效率。 [0051] 以上对本发明所提供的基于聚能射流的非接触式排爆系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。 |
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