[發明專利]自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統及方法

有效

• 申請號: 201010105271.5
• 申請日: 2010-02-04
• 公開（公告）號: CN102145738A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: 薄煜明;鄒衛軍;杜國平;陳帥;吳盤龍;張捷;朱建良;王向民;洪廣平;朱巖;王筱莉;趙高鵬;陳益;劉娣
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B63B59/00
• 分類號: B63B59/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

1.一種自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統，其特征在于由目標坐標測定儀、含沙高壓水炮、控制手柄和大視場望遠式光學搜索鏡組成，并布置于船只甲板的防御區域；其中，目標坐標測定儀由控制主機和控制箱組成，控制主機包括高低伺服驅動模塊[1]、方位伺服驅動模塊[2]、伺服計算機[3]、可見光CCD和紅外熱像儀組成的觀瞄鏡[4]、變焦驅動模塊[5]和激光測距模塊[6]，控制箱包括圖像融合及取差模塊、主控計算機、顯示屏、嵌入式鍵盤和通信模塊；在目標坐標測定儀內部，通信模塊、變焦驅動模塊、圖像融合和取差模塊、伺服計算機、激光測距模塊和主控計算機通過CAN總線連接，控制手柄和光學搜索鏡作為外部設備通過CAN總線連接主控計算機；觀瞄鏡[4]采集的視頻信息由主控計算機轉換為控制箱顯示屏要求的視頻格式，發送給顯示屏顯示；控制箱通信模塊通過MODEM連接含沙高壓水炮；

數字光學搜索鏡作為目標導引裝置，由操作手手持觀瞄，搜索可疑目標，在發現目標后實施人工跟蹤，使目標影像始終保持在搜索鏡視場內，并通過搜索鏡配置的微型三軸陀螺儀實時輸出搜索鏡姿態角信息，發送給目標坐標測定儀的主控計算機接收；

控制手柄搖動時輸出的位置信息發送給目標坐標測定儀的主控計算機，主控計算機將其轉發給伺服計算機[3]接收，完成對目標坐標測定儀的控制；

主控計算機根據目標坐標測定儀姿態信息和搜索鏡姿態角信息，在顯示屏上生成目標引導標識；操作手根據引導標識，利用控制手柄發送控制命令給主控計算機，主控計算機將控制命令轉發給伺服計算機[3]，以控制方位/高低伺服模塊驅動觀瞄鏡[4]隨動于數字光學搜索鏡，將目標影像導入觀瞄鏡視場并穩定于視場中心；同時操作手通過控制手柄的變焦按鈕發送控制命令給主控計算機，主控計算機控制變焦驅動模塊[5]使目標影像清晰和顯示位置理想；此時通過控制手柄的鎖定按鈕發出目標鎖定指令，即進入自動跟蹤；目標坐標測定儀的圖像融合模塊對可見光CCD和紅外熱像儀采集的兩路視頻信息進行融合，圖像取差模塊實現目標與背景的分離，提取目標信息并計算目標與觀瞄鏡分劃中心的偏差值；

目標坐標測定儀的伺服計算機根據控制算法驅動高低[1]/方位[2]伺服模塊不斷隨動以補償此偏差值，使觀瞄鏡[4]分劃中心緊跟目標影像；同時操作手按下控制手柄的測距按鈕，發送控制命令給主控計算機，該主控計算機發出測距邏輯，控制激光測距模塊[6]量測與目標距離；

自動跟蹤時，主控計算機根據圖像取差信息、伺服模塊反饋信息和激光測距信息，實時解算目標位置和速度，建立目標航路諸元，并通過通信模塊將諸元信息發送給含沙高壓水炮。

2.根據權利要求1所述的自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統，其特征在于含沙高壓水炮為一門或一門以上組成多節點的分布式系統，各含沙高壓水炮包括水炮[7]、沙漏[8]及其控制裝置[9]、入水管[10]、工作平臺[11]和基座[15]，沙漏[8]及其控制裝置[9]安裝于入水管[10]上，該入水管[10]與水炮[7]相通，并固定安裝在工作平臺[11]上，工作平臺[11]安裝于基座[15]之上，基座[15]包含高低/方位伺服控制裝置；高低/方位伺服控制裝置通過通信模塊與目標坐標測定儀形成多節點的分布式連接防御網，各門水炮的伺服計算機通過MODEM接收目標坐標測定儀下達的目標航路諸元信息，結合水炮[7]的位置、姿態信息，計算最佳射擊諸元，待收到目標坐標測定儀下達的攻擊命令，即展開對目標的單門獨立攻擊或多門聯合攻擊。

3.一種自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統的方法，其特征在于在含沙高壓水炮的伺服計算機[14]中，針對船體作為水炮載體在晃動情況下穩定控制的過程如下：

(1)載體坐標系O_v-X_vY_vZ_v，V系：原點O_v在船體質心，x_v軸沿船體艏艉向并指向艏部，y_v軸指向船體左側，z_v軸垂直于甲板平面指向天頂，在實際使用時，常將O_v移至水炮環架坐標系原點O_f處；

(2)環架坐標系O_f-X_fY_fZ_f，即F系：原點O_f取為水炮隨動環架結構的支承中心，X_f軸指向水炮軸線方向，Y_fO_fZ_f平面垂直于X_f軸；

依據水炮環架牽連運動次序，將F系與V系的旋轉變換過程表示為：

其中，O_a-X_aY_aZ_a為方位環架坐標系，即A系，O_f-X_fY_fZ_f為俯仰環架坐標系；θ_a、θ_e分別為炮軸的方位角與俯仰角。

依據剛體運動學原理，當V系有角速度時，將通過轉臺的幾何約束和摩擦約束向內環架軸系耦合；設V系角速度矢量為w＝[w_x?w_y?w_z]^T，耦合后A系沿其三個坐標軸的角速度矢量為w_a＝[w_ax?w_ay?w_az]^T，則：

waxwaywaz=Rvawxwywz+00θ·a]]>

式中：為方位環自身回轉角速度；R_v^a為V系到A系的旋轉矩陣：

Rva=cosθasinθa0-sinθacosθa0001]]>

類似的，設w_a耦合至F系后沿坐標軸的角速度矢量為w_f＝[w_fx?w_fy?w_fz]^T，可得：

wfxwfywfz=Rafwaxwaywaz+0θ·e0]]>

式中：為俯仰環自身回轉角速度；R_a^f為A系到F系的旋轉矩陣：

Raf=cosθe0-sinθe010sinθe0cosθe]]>

若要實現水炮軸在慣性空間內的穩定，即是要使F系中的y_f軸和z_f軸感受到的擾動角速率為零，亦即：

wfy=0wfz=0]]>

將上述各式加以整理，得出：

θ·a=-secθe(wxcosθasinθe+wysinθasinθe+wzcosθe)θ·e=wxsinθa-wycosθa]]>

控制水炮的伺服系統，令其按上式的耦合角速度量做等值反向運動，即可隔離船體晃動對水炮軸的影響，從而實現對水炮的高精度控制。