一种移动射击平台上火炮振动状态的定量描述方法

1.本发明涉及火炮振动分析领域，具体涉及一种移动射击平台上火炮振动状态的定量描述方法。


背景技术：

2.火炮炮口的振动是影响射击精度的重要因素，但由于路面不平度或舰船运动等外部随机激励以及火炮系统中间隙、柔性等非线性因素的影响，车载炮、舰炮等移动射击平台上火炮的振动往往呈现为一种强随机现象。以车载炮为例，即使在同一条件下，例如同一行驶速度、同一行驶时间等，炮口的振动也不是完全确定的。现有研究，如《高速机动条件下坦克行进间火炮非线性振动动力学研究》中一般以稳定精度(振幅的算术平均值)作为车载炮振动的评价指标，但是其并不能完整的描述车辆行进过程中火炮的随机振动状态，同时，基于此，研究行驶速度、路面不平度、构件间间隙、稳定器等因素对火炮振动状态的影响也受到极大的限制，往往仅能进行简单的定性描述，无法更为精确的反映火炮振动状态。


技术实现要素：

3.发明目的：为了解决目前移动射击平台上火炮随机振动状态无法准确、定量描述，限制火炮振动状态影响因素分析、射击精度评估等研究的问题，提供一种移动射击平台上火炮振动状态的定量描述方法。
4.技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种移动射击平台上火炮振动状态的定量描述方法，将移动射击平台上火炮振动看作各态历经的平稳随机过程，利用统计理论描述移动射击平台上火炮振动的统计规律及特性，其具体包括如下步骤：
5.s1：建立移动射击平台上火炮的动力学模型，确定火炮的工作条件，选择火炮上的某一定点a，通过动力学仿真得到该工作条件下移动射击平台上火炮振动状态的样本点，并构成样本空间；
6.s2：采用直方图对步骤s1获取的火炮振动状态样本空间内的数据进行可视化处理；
7.s3：选择不同的概率分布函数拟合直方图，得到定点a振动状态的概率分布函数p(x)，用以描述该工作条件下移动射击平台上火炮振动的统计规律；
8.s4：改变火炮的工作条件，重复步骤s1
‑
s3，得到不同工作条件下定点a振动状态的概率分布函数；
9.s5：对比不同工作条件下定点a振动状态的概率分布函数，得到工作条件对移动射击平台上火炮振动状态的影响规律。
10.所述步骤s1中火炮的工作条件包括射击平台基础振动状态参数和火炮构件间间隙量等影响火炮状态的参量，其可根据分析需求动态选定。
11.进一步的，所述步骤s1中该工作条件下移动射击平台上火炮振动状态的样本点也可通过试验测试获得。
12.进一步的，所述步骤s1中该工作条件下移动射击平台上火炮振动状态的样本点的获得方法为：
13.a1：基于仿真计算或试验测试，得到某一时间跨度t内，火炮上定点a的振动位移或速度随时间的变化曲线x(t)；
14.a2：选定时间间隔δt，在时间跨度t内，可得到t1,t2,t3,...,t
n
共n个采样点，以各采样点处定点a的振动位移或速度x(t1),x(t2),x(t3),...,x(t
n
)作为样本点，用以描述该工作条件下移动射击平台上火炮振动的随机特性。
15.进一步的，所述步骤s2中采用直方图对该工作条件下火炮振动状态样本空间内的数据进行可视化的步骤包括：
16.b1：根据振动位移或速度的数值大小，将振动位移或速度均分为n个区间，统计每个区间的频数；
17.b2：计算每个区间的频率，绘制振动位移或速度的频率直方图。
18.进一步的，所述步骤s3中拟合直方图，得到定点a振动状态的概率分布函数的步骤包括：
19.c1：取直方图中每个区间的中心x
i
和高度p(x
i
)，得到振动位移或速度x的概率分布点集(p(x
i
),x
i
)；
20.c2：根据点集的大概趋势，选择不同的概率分布函数进行拟合，采用均方根误差(rmse)和决定系数r2等指标评价并选择最好的拟合函数作为定点a振动位移或速度x的概率分布函数p(x)。
21.进一步的，所述步骤c2中不同的概率分布函数包括高斯分布函数、普阿松分布函数及二项分布函数等。均方根误差(rmse)表示拟合值与真值之间的差异程度，其值越小表示拟合精度越高；决定系数r2位于[0,1]区间，r2越趋近于1，表示拟合精度越高。所述均方根误差(rmse)和决定系数r2的表达式为：
[0022][0023][0024]
其中，sse、sst分别为方差总和、均方差总和，n为样本点数。
[0025]
有益效果：本发明与现有技术相比，将移动射击平台上火炮振动看作各态历经的平稳随机过程，利用统计理论描述移动射击平台上火炮振动的统计规律及特性，能够准确、定量的描述移动射击平台上火炮振动特性，可为火炮振动状态影响因素分析、射击精度评估等问题的研究提供可靠基础。
附图说明
[0026]
图1为一种移动射击平台上火炮振动状态的定量描述方法的实施流程图；
[0027]
图2为建立的移动射击平台上火炮的动力学模型；
[0028]
图3为仿真得到的火炮炮口垂向振动角位移曲线；
[0029]
图4为火炮炮口垂向振动角位移频率直方图及拟合的概率分布曲线。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
[0031]
本发明提供一种移动射击平台上火炮振动状态的定量描述方法，将移动射击平台上火炮振动看作各态历经的平稳随机过程，利用统计理论描述移动射击平台上火炮振动的统计规律及特性，参照图1，其包括以下步骤：
[0032]
步骤1：建立移动射击平台上火炮的动力学模型，确定火炮的工作条件，选择火炮上的某一定点a，基于仿真计算或试验测试的方式，得到某一时间跨度t内，火炮上定点a的振动位移或速度随时间的变化曲线x(t)；选定时间间隔δt，在时间跨度t内，可得到t1,t2,t3,...,t
n
共n个采样点，以各采样点处定点a的振动位移或速度x(t1),x(t2),x(t3),...,x(t
n
)作为样本点，并构成样本空间，用以描述该工作条件下移动射击平台上火炮振动的随机特性。
[0033]
步骤2：根据样本空间中振动位移或速度的数值大小，将振动位移或速度均分为n个区间，统计每个区间的频数，并计算每个区间的频率，绘制振动位移或速度的频率直方图，从而实现对该工作条件下火炮振动状态样本空间内数据的可视化。
[0034]
步骤3：取直方图中每个区间的中心x
i
和高度p(x
i
)，得到振动位移或速度x的概率分布点集(p(x
i
),x
i
)；同时，根据点集的大概趋势，选择不同的概率分布函数进行拟合(如高斯分布函数)，采用均方根误差(rmse)和决定系数r2等指标评价并选择最好的拟合函数作为定点a振动位移或速度x的概率分布函数p(x)。
[0035]
均方根误差(rmse)和决定系数r2的表达式为：
[0036][0037][0038]
其中，sse、sst分别为方差总和、均方差总和，n为样本点数。
[0039]
步骤4：改变火炮的工作条件，重复步骤1
‑
3，即可得到不同工作条件下定点a振动状态的概率分布函数。
[0040]
步骤5：对比不同工作条件下定点a振动状态的概率分布函数，得到工作条件对移动射击平台上火炮振动状态的影响。
[0041]
基于上述方案，为了验证该方案的效果，本实施例将上述移动射击平台上火炮振动状态的定量描述方法进行实例应用，如图2所示，在recurdyn中建立坦克炮的行进间发射动力学模型，选择炮口中心点的振动来描述坦克炮的振动特性。
[0042]
如图3所示，通过仿真计算得到坦克炮炮口中心点的垂向振动角位移曲线，其中坦克行驶速度为20km/h，路面等级为d级。选择采样的时间跨度为10s
–
70s，采样的时间间隔为0.001s，则共可得到60001个样本点。
[0043]
如图4所示，绘制坦克炮炮口中心点垂向振动角位移的频率直方图，根据观察，坦克炮炮口中心点垂向振动角位移大致服从高斯分布，基于高斯分布函数进行拟合得到的坦克炮炮口中心点垂向振动角位移概率分布函数p(x)，可表示为：
[0044][0045]
图4中所示曲线即为拟合得到的坦克炮炮口中心点垂向振动角位移概率分布函数p(x)。