0 引　言

传感器作为控制系统感知外界搭建桥梁，控制系统利用传感器信息获取自身状态、被控对象状态、周围环境状态，就像人通过眼睛看、耳朵听、皮肤触摸一样。随着智能控制技术的发展，智能传感器也有了越来越多的应用，国家“十四五”规划对智能传感器产业发展指出了明确方向。智能传感器在民用领域已有了一定应用基础，例如，日常生活中常见的智能家电、带有自动驾驶功能的汽车、有自动巡航功能的无人机、无人化智慧工厂等。

舰炮作为海军舰艇常规装备，至今仍有着不可替代的作用，其主要使命任务包括对岸打击和火力支援、近程末端防空反导、应对低强度海上冲突等^[1]，舰炮智能化也成为近年来的一大研究热点。文献[2-5]对舰炮智能化发展、无人舰炮作战等做了研究，对智能化舰炮作战架构、作战需求进行了较为全面的探讨；文献[6]对舰炮健康管理的总体方案和技术途径进行了阐述，其中，舰炮信息获取及智能信息融合至关重要；文献[7-11]通过仿真和实际案例，分析了舰炮振动对其性能的影响，如果能准确获取这些振动信息，对舰炮可靠性和作战性能都会提供帮助。从这些研究中可看出，随着装备智能化控制的需求越来越强烈，舰炮系统也面临着向智能化方向发展的趋势，现有舰炮系统智能化水平有限，使用的传感器绝大多数均为传统传感器。传统传感器的缺点主要有：1）无自诊断能力；2）传输信号种类单一；3）无通信和计算能力等。

针对目前现有舰炮系统使用传感器存在的问题，本文提出了智能传感器的解决方案，并对智能传感器在舰炮系统故障诊断、智能供弹、健康管理、数字孪生等领域的应用进行探讨。

1 智能传感器功能及特点 1.1 智能传感器功能

智能传感器（Intelligent Sensor）是具有信息处理功能的传感器，据Honeywell工业测量与控制部产品经理Tom Griffiths的定义：“一个良好的‘智能传感器’是由微处理器驱动的传感器与仪表套装，并且具有通信与板载诊断等功能，为监控系统和/或操作员提供相关信息，以提高工作效率及减少维护成本。”常规的智能传感器结构如图1所示。

智能传感器可具有以下功能：

自校正、自补偿功能。针对基础传感器常见的问题，主要包括传感器特性随时间、环境温度的漂移，传感器的非线性特性，以及响应时间滞后等，智能传感器可自动进行补偿，来恢复传感器被测信号，达到软件补偿硬件缺陷的目的。

自校准功能。智能传感器可通过软件将某一个量值设置为标准测量值，并且定期或在有需要时自动在线校准传感器。

自诊断功能。智能传感器可将常见故障信息和历史故障信息做成电子故障字典，或通过故障诊断算法，以此实现故障预测、故障检测和故障定位的功能。

自计算和数据处理功能。智能传感器的微处理器可自动对采集到的数据进行处理、统计，根据滤波算法剔除异常的测量值，并且可利用处理的数据计算出一些无法直接测量的量值。

自学习、自适应功能。智能传感器可通过内部认知算法对被测量进行自学习，并可自适应的对内部算法和参数进行优化。

双向通信功能。智能传感器的微处理器可控制基础传感器的测量过程，并接收、处理基础传感器的反馈信息，两者之间形成了一个闭环的通信链路。

信息存储和记忆功能。智能传感器内部拥有一定量的数据存储空间，可对智能传感器工作期间产生的历史数据和数据的处理结果进行存储，以便需要时进行查询。

数据输出功能。智能传感器能提供模拟量输出、数字量输出或同时提供2种输出，将所需信息传输至外部控制系统或有信息通信及处理能力的其他设备。

复合敏感功能。一个智能传感器可包含多个基础传感器，使其可测量多种不同的量，并能够给出全面反映如复合力学性能等物质变化规律的信息。

断电数据保护功能。智能传感器内装有备用电源, 当主电源意外失电时，备用电源自动接通，可确保内部数据和重要信息不会丢失。

1.2 智能传感器特点

相比使用基础传感器构成的控制系统，智能传感器有以下特点：

1）提高了传感器的精度

智能传感器利用其自校正、自补偿、自校准等功能，对基础传感器误差进行修正，并且可有效降低传感器信号噪声和干扰，大大提高传感器精度。

2）提高了传感器的可靠性

智能传感器通过优化内部电路，可消除某些不稳定因素，其特有的自诊断功能，可实时的进行故障监测、故障预警，能大幅提高整个系统的可靠性。

3）促成了传感器多功能化

智能传感器利用其复合敏感功能，收集被测物体多方面的信息，通过自学习、自适应功能发现检测对象的变化，对测量参数进行调整，并通过模拟或数字通信接口功能，直接将数据传输至远端控制系统进行处理，多种数据输出形式可使其良好地适配各种不同的应用系统。

4）提高了传感器的性能价格比

在相同应用环境的需求下，多功能智能传感器与单一功能的传统传感器相比，性能价格比明显提高，其高可靠性的特点也会降低后期维护的成本。

2 传统传感器在舰炮系统应用中存在的问题

现有舰炮系统所用主要传感器种类及作用如下：

行程开关、接近开关等接触式或非接触式传感器，其主要作用是检测舰炮机构动作是否到位，以及检测某些特定位置是否存在弹药或其他机构；

自整角机等价位信息传感器，其一般安装在方向机和高低机上，主要作用是反馈舰炮实时的高低和方位价位信息；

旋变传感器和编码器，其一般用于需要得到旋转位置反馈的场合，例如，伺服电机的运动反馈以及一些旋转机构的运动反馈；

压力传感器，主要作用是监测水压或油压是否满足使用要求。

这些传感器在使用时，主要存在以下问题：

传感器自身没有故障自诊断能力，当传感器发生故障后，故障现象一般都是信号异常，控制系统无法直接进行故障定位；

传感器传输的为电压信号、电流信号等模拟量信号，模拟量信号抗干扰能力不强，并且传输距离也有限制；

传感器使用的信号类型多样化，使控制系统在采集这些信号的时候需设计不同的采集电路，增加了系统接口的复杂程度，不利于系统维护及保障；

传感器的连接线路存在虚焊、开路、短路等情况时，这些异常通常无法被有效检测，从而导致系统误报故障或者无法发现故障；

传感器的安装位置调整如果处于临界状态，可能会导致机构运动到位时，传感器无法可靠地被接通或断开，导致误报故障；

在一些无法安装或不便安装传感器的机构中，只能通过其他传感器来间接判断机构运动情况，判断逻辑较复杂，且误警率较高。

3 智能传感器在舰炮系统的应用 3.1 故障诊断应用 3.1.1 机构运动故障

舰炮机械结构复杂，机构运动时序要求高，有些关键部位的传感器要求其接通时间不能过长或过短。传感器接通时间过长可能造成以下2个问题：影响整体机构运动时序，超过允许的最长时间后会被控制系统判断为故障；对于接触式传感器而言造成接通时间过长的原因可能因压量过大，久而久之容易造成传感器损坏。传感器接通时间过短可能导致某些情况传感器信号无法被有效识别。传感器接通过程中信号出现较多尖峰干扰电压、信号出现断续或不稳定的情况，可能会导致信号采集时出现异常，尖峰干扰电压还可能会损坏采集电路中抗干扰能力较差的元器件。

智能传感器可有效避免因传感器故障所导致的机构运动故障误判，通过识别接触式或非接触式开关信号的持续时间、信号质量，来判断传感器工作状态、调整状态以及机构运动状态，同时结合视觉传感器可实现准确的机构运动故障定位。

用于机构运动故障诊断的智能传感器结构如图2所示。

其中，接触式或非接触式开关用以检测机构运动到位信号，视觉传感器用以获取机构运动影响信息，微处理器负责将采集到的信息进行整合，并根据内部算法判断传感器自身及机构是否工作正常。

其故障诊断原理如下：微处理器实时采集传感器信号和视觉传感器信息，通过检测电路监控传感器信号品质，发现传感器信号出现断续、毛刺、持续时间超差等异常情况，结合视觉传感器信息，综合判断机构是否运行正常，并将故障信息传输至远程控制系统，最终由控制系统根据全炮信息提供故障处理建议。

3.1.2 机械部件故障

机械部件（如齿轮箱等）在正常工作时，其所发出的声音和产生的振动有一定规律，经验老道的师傅可通过听声音来判断一些机械部件的工作状态。智能传感器也可通过对机械部件声音和振动信息的收集，来实现机械部件的故障诊断。

用于机械部件故障诊断的智能传感器结构如图3所示。

其中，声传感器阵列负责收集机械部件工作时发出的声音，振动传感器用以获取机械部件工作时的振动信息，微处理器负责将采集到的信息进行整合，并根据内部算法判断传感器自身及机械部件是否工作正常。

其故障诊断原理如下：声传感器和振动传感器的自诊断原理一致，通过对阵列中所有传感器收集到的信息的解析，来互相印证传感器采集到的信息是否正常；在确定传感器工作正常的前提下，通过声信号滤波、解析、识别，来发现机械部件工作中出现的异常响声，并进行本地存储记录，机械部件工作时发出的异常声响一般来说可能由异常的机构碰撞产生，如恰好在异常声出现时也出现了异常振动，则表示机械机构内部可能存在异常，智能传感器将故障信息汇总后，传输至远程控制系统，最终由控制系统根据全炮信息提供故障处理建议。

3.1.3 伺服系统故障

舰炮伺服系统故障除了元器件故障外，较为常见的故障现象还有伺服系统运行不平稳、运行有抖动，造成这种现象的原因有很多，比如位置反馈传感器反馈信息异常、外界干扰、电机反馈异常等。其中，外界干扰来自很多方面，通过系统的电磁兼容性设计可最大限度的避免干扰对系统造成影响，电机反馈异常可通过伺服驱动器进行故障识别和处理。智能传感器的应用则可有效解决位置反馈传感器信息异常的问题，智能传感器中微处理器利用内部数据处理算法，发现并剔除异常数据，并对传感器本身状态进行监控，发现故障及时将故障信息传输至远程控制系统。

3.2 智能供弹 3.2.1 机械手供弹

常见的中大口径舰炮供弹系统动作主要分为扬、供、输三步，由机械机构动作完成，未来舰炮智能化供弹的实现，离不开机械手的应用^[12]。智能传感器在机械手上的应用，有助于机械手更高效更可靠的工作。供弹机械手结构如图4所示。

其中，视觉感知和机械臂运动控制的反馈，由感知智能传感器来完成；弹药的抓取、松开动作感知，由压控智能传感器来完成；机械臂姿态的获取，由姿态智能传感器来完成。

感知智能传感器中，视觉感知用于获取机械手输送弹药时弹药接口周围的图像，为机械手精准运动控制提供现场图像信息，机械臂运动位置反馈数据通过处理器的处理后，和图像信息一并传输给机械手控制器，机械手控制器通过对这些信息的整合处理，控制机械臂动作，从而实现将弹药准确输送进弹药接口的功能。

压控智能传感器主要感知抓取弹药时的抓取力以及机械手动作反馈，微处理器通过接收各个压力传感器数据，数据处理后通过内部算法，判断抓取弹药时抓取动作是否牢靠、平稳，在机械手将弹药输送至弹药接口后，判断是否已完全松开，机械手运动位置反馈数据通过处理器的处理后，和抓取判断结论一起，传输给机械手控制器，机械手控制器通过对这些信息的整合处理，控制机械手，实现弹药的精确抓取控制。

姿态智能传感器主要用以感知机械臂姿态，由于舰船在海上航行时必然会有摇摆，实时获取机械臂姿态对精准的输弹动作必不可少，微处理器将收集到的陀螺仪等传感器数据处理后，得出机械臂在参考坐标系中姿态参数，并传输给机械手控制器，由机械手控制器来实现运动控制补偿，消除舰船摇摆造成的不利影响。

3.2.2 智能弹库

弹库作为舰炮储存弹药以及进行快速弹药补给的设备，为舰炮完成作战任务提供有力的保障和支持，随着舰炮弹药种类不断增加以及高效弹药管理需求，发展智能弹库势在必行。智能弹库可分为两类，一类是弹库中有储弹装置，储弹装置自身可储存部分弹药，其余弹药储存在弹药舱指定位置中，储弹装置与舰炮有弹药交接接口；一类是弹库中没有储弹装置，通过扬弹机将弹药从弹库输送至舰炮，此类弹库需人工搬运弹药，并完成装弹、卸弹操作，智能化设计可采用带有移动和导航功能的机械手。智能视觉传感器可用于第一类弹库的智能化设计，为弹药管理和识别技术提供帮助。该智能传感器结构原理如图5所示。

其中，视觉传感器的布置要保证每个弹位至少有一个视觉传感器能获取到其图像信息，微处理器将所有视觉传感器的图像信息汇总处理后，得到弹库中所有的弹位信息，并传输给弹库控制系统。智能传感器可将一部分信息处理任务从控制系统中分离出来，使控制系统能更专一地完成弹药管理功能。

3.3 健康管理应用

舰炮健康管理对舰炮维护保障以及无人舰炮来讲意义重大，智能传感器的应用将有助于舰炮健康管理的实现。控制系统作为舰炮健康管理的医生，需通过看、听、触摸来感知舰炮各部件的健康状况。基于智能传感器的舰炮健康管理系统结构如图6所示。

智能视觉传感器负责“望”，即通过视觉传感器获取舰炮各运动部件的图像信息，除了上文中所述的可协助完成故障诊断之外，智能视觉传感器还可发现机械部件外表面出现的早期缺陷，如裂纹、腐蚀等，这些缺陷可能在一段时间内都不会造成故障，但量变会引起质变，智能传感器在发现这些缺陷后及时将信息传输给控制系统，有助于提醒操作者以便防患于未然。对于液压系统而言，可使用光传感器来监测液压油的品质，当液压油中出现较多杂质时，接收器接收到的光信号就会减弱，可对液压油污染作出早期提醒。

智能听觉传感器负责“闻”，即通过声传感器或声传感器阵列获取舰炮在运行使用过程中的声音信息，对于一个状态良好的运动机构（如齿轮机构、轴与轴承等）来说，其运行时所发出的声音是有一定规律的，当运动机构出现过度磨损、润滑不良、调整不当时，其运行时所发出的声音相比状态良好时会有所不同，且一般来说会出现一些异响，智能听觉传感器在识别到这些异响后，经过声音识别和定位，会将可能存在隐患的部件信息传输至控制系统。

智能触觉传感器负责“切”，即通过振动传感器、速度传感器等直接接触机械机构的传感器，获取舰炮机构动作时的振动振幅、频率，运动速度等信息，从而计算出一些衍生数据，比如机构运动加速度、受力情况等，以便控制系统评估机构的运动状态。

而“问”作为一个医患之间交互的过程，需由智能传感器和控制系统协作完成。当某智能传感器传输了可能表征机构异常的数据后，控制系统可能会请求该智能传感器或其它智能传感器提供更多的信息，然后再结合这些信息进行综合评估，才能确定舰炮系统是否可能存在健康隐患。

3.4 数字孪生

数字孪生最早于2003年由Grieves教授提出，目前在生产制造、智慧城市领域有所应用，在舰炮研究领域，偶见相关理论提出。就数字孪生技术而言，在舰炮研究领域有可观的应用前景，要建立舰炮实体和虚拟模型之间的连接，需各种数据来反映舰炮当前的状态，这就需要很多的传感器来获取这些数据，相比普通传感器，智能传感器可进行数据处理，这会大大降低舰炮控制系统对数据处理和数据融合的工作量，同时因智能传感器采用数字传输通道与控制系统相连，可减少传感器至控制系统的连线，有利于简化整个舰炮系统设计。

4 应用技术难点 4.1 复杂环境条件下的适应性

舰炮工作环境条件较为复杂，首先，舰炮安装在舰船的甲板上，属于舱室外设备，其工作的环境温度范围要求较高，并且舰船在海上航行时，所处环境是高盐雾、高湿度环境，整体环境条件较为复杂；其次，舰炮在射击时会产生较大的振动和瞬时冲击，并且在进行连发射击时情况会更加恶劣；最后舰炮一般安装在远离舰船质心的前甲板，在舰船航行时，尤其是在高海况的情况下，前甲板的摇摆相比于其他部位要显得剧烈得多。这就要求智能传感器整体要具有较强的抗振动和冲击的能力，并具有较好的环境适应能力，同时要求在有姿态控制需求的场合，能够抵消舰船摇摆造成的不利影响，这将会是智能传感器应用于舰炮系统的难点。

4.2 多传感器信息融合及处理

智能传感器中一个处理器要连接多个传感器，将多传感器的信息融合后，才能得到完整的机构运动或机构状态的参数表征，同时多传感器的信息处理也十分重要，它需要识别并剔除异常信号，对传感器误差进行补偿，并将融合后的传感器信息通过内部算法，计算得到控制系统所需的信息和数据，同时还要与控制系统进行信息交互，完成控制系统的特定指令，这将会是智能传感器应用于舰炮系统的难点。

5 结　语

智能传感器产业的发展已经纳入国家计划，其应用领域也将越来越广，舰炮作为一类舰载武器装备，其作用无可替代，随着近些年一些新技术的应用，舰炮系统的效能也得到大幅提高，智能传感器在舰炮系统中虽尚无应用先例，但其独特的功能和特点可为舰炮系统向智能化方向发展提供有力支持，有着很好的应用前景。