[發明專利]一種槍械自動瞄準系統及其工作方法

有效

• 申請號: 201410225667.1
• 申請日: 2014-05-26
• 公開（公告）號: CN104132586A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 樊炳輝;王昌;孫石興;盧文棟;王傳江;孟樂;郭倩何;吳玉華
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: F41G1/00
• 分類號: F41G1/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 段毅凡

1.一種槍械自動瞄準系統，其特征在于，它由云臺運動模塊，控制器模塊，視頻傳輸模塊和遙控器模塊四部分組成，其中：

所述的云臺運動模塊，是在基座兩端對稱安裝有兩個云臺，分別稱為引導云臺和瞄準云臺，其中：每個云臺都包括一個固定在基座上的云臺座，云臺座內固定有立式電機，立式電機軸上安裝有水平旋轉云臺架，在水平旋轉云臺架上還安裝有臥式電機，臥式電機上安裝有仰俯旋轉云臺架；在引導云臺的仰俯旋轉云臺架上安裝有激光測距傳感器和視頻傳輸模塊的攝像頭；在瞄準云臺的仰俯旋轉云臺架上搭載有槍械；通過引導云臺的的立式電機和臥式電機的驅動，分別實現引導云臺的兩個云臺架的轉動，以對現場情況進行實時視頻監控和對目標的激光測距，并將所測得的距離信息發送至控制器模塊；通過瞄準云臺的立式電機和臥式電機的驅動，分別實現瞄準云臺的兩個云臺架的轉動，從而帶動其上搭載的槍械的轉動，用以實現槍械對目標的自動瞄準；

所述的控制器模塊由無線接收模塊、嵌入式微控制器、串口通訊模塊和供電電源模塊組成，信號傳輸關系是：一方面經無線接收模塊接收遙控器模塊發來的控制信號，再經嵌入式微控制器對控制信號進行檢測，然后經串口通訊模塊向引導云臺的引導俯仰旋轉驅動電機和引導水平旋轉驅動電機發送運動命令；一方面經串口通訊模塊接收引導俯仰旋轉驅動電機和引導水平旋轉驅動電機反饋回的旋轉角度信息和激光測距傳感器探測到的目標距離信息，再通過嵌入式微控制器進行云臺關節空間坐標關系的正逆解計算，得出瞄準云臺的瞄準俯仰旋轉驅動電機和瞄準水平旋轉驅動電機應該運動的旋轉角度信息，再經串口通訊模塊向瞄準俯仰旋轉驅動電機和瞄準水平旋轉驅動電機發送相應的運動指令，以實現瞄準云臺上的槍械對目標的自動瞄準；

所述的視頻傳輸模塊由攝像頭、無線視頻傳輸模塊和顯示終端組成，攝像頭搭載在引導云臺上，用以采集現場圖像，并通過無線視頻傳輸模塊發送至顯示終端，以實現操作人員對現場的實時監控；

所述的遙控器模塊由操作模塊、處理器和無線發送模塊組成，操作模塊將作業人員的操作動作轉換成電信號傳輸至處理器，經過處理器對操作信號進行處理，再通過無線發送模塊發送至控制器模塊，實現無線遙控功能。

2.一種如權利要求1所述的槍械自動瞄準系統的工作方法，其特征在于，

步驟一、通過視頻傳輸模塊的攝像頭采集現場圖像，并經過無線視頻模塊將圖像發送至顯示終端；

步驟二、操作者通過顯示終端的圖像，觀察測距激光束是否指向打擊目標，若是，轉向步驟五，若否，繼續步驟三；

步驟三、操作者通過遙控器模塊的操作模塊發出引導云臺相應關節的轉動操作信號，以去調整激光測距傳感器的測距激光束指向目標，操作信號經處理器處理后，通過無線發送模塊發送給控制器模塊；

步驟四、控制器模塊通過其無線接收模塊接受遙控器模塊的無線發送模塊發來的操作信號，經嵌入式微控制器處理后，由串口通訊模塊發送指令給云臺運動模塊，去驅動引導云臺的立式電機和臥式電機進行相應轉動，以將激光測距傳感器的測距激光束對準目標并實時測量目標距離；

步驟五、控制器模塊的串口通訊模塊采集引導云臺的立式電機和臥式電機的旋轉角度信息及激光測距傳感器測量的目標距離信息，并將這些信息傳回嵌入式微控制器；

步驟六、控制器模塊的嵌入式微控制器根據傳回的電機旋轉角度信息及目標距離信息進行云臺關節空間坐標關系的正逆解計算，得到瞄準云臺的立式電機轉角β₁、臥式電機轉角β₂以及槍械瞄準具到目標間的瞄準線長度Rx₃數值；

步驟七、控制器模塊的嵌入式微控制器將云臺關節空間坐標關系的正逆解計算結果，轉換成對瞄準云臺的立式電機和臥式電機的控制指令，再經串口通訊模塊發送給云臺運動模塊，去驅動瞄準云臺的立式電機和臥式電機進行相應轉動，以將槍械的瞄準線自動對準目標，實現本次瞄準任務；

步驟八、操作者判斷瞄準系統是否需要繼續工作，若是，則轉向步驟一，若否，則退出工作關機；

上述步驟六中正逆解計算方法包含如下步驟:

步驟6.1、在引導云臺上分別建立O₀-X₀Y₀Z₀坐標系，O₁-X₁Y₁Z₁坐標系，O₂-X₂Y₂Z₂坐標系和O₃-X₃Y₃Z₃坐標系，分別簡稱為O₀、O₁、O₂、O₃坐標系，初始時，各個坐標系的X軸方向朝向正前方，Y軸方向朝向左方，Z軸方向朝向正上方，構成一個右手系，其中：

O₀坐標系建在引導云臺的水平旋轉關節的底端中心平面上，為引導云臺的基礎坐標系；

O₁坐標系建在引導云臺水平旋轉關節軸線的正上方，綁定在引導云臺的水平旋轉云臺架上,其原點正好在引導云臺的水平旋轉關節軸線與俯仰運動關節軸線交叉點上，O₁坐標系跟隨著引導云臺的水平旋轉云臺架的轉動而轉動，其轉角用θ₁表示；

O₂坐標系綁定在引導云臺的俯仰旋轉云臺架上，其原點與O₁坐標系原點重合，O₂坐標系不僅跟隨著引導云臺的水平旋轉云臺架的水平轉動而轉動，還跟隨著引導云臺的俯仰旋轉云臺架的俯仰轉動而轉動，其隨引導云臺的俯仰旋轉云臺架俯仰轉動的轉角用θ₂表示；

O₃坐標系建在O₂坐標系的Z₂軸方向某高度上，與激光測距傳感器綁定在一起，且激光測距傳感器的測距激光束方向與X₃軸的方向重合，O₃同O₂一樣，隨著引導云臺的水平旋轉云臺架和引導云臺的俯仰旋轉云臺架的轉動而做兩個方向的轉動，O₃坐標系與O₂坐標系保持平動關系，用來表示激光測距傳感器的測距激光束所指向的目標在O₂坐標系中的矢量描述。

步驟6.2、進行云臺關節空間坐標關系的正解計算：

將O₀坐標系對瞄準云臺的基礎坐標系O’₀的平動關系用A₀描述，將O₁坐標系對O₀坐標系的水平旋轉關系用A₁描述，將O₂坐標系對O₁坐標系的俯仰旋轉關系用A₂描述，將激光測距傳感器所指目標相對O₂坐標系的矢量關系用A₃描述，那么，可將激光測距傳感器所指目標在瞄準云臺的基礎坐標系O₀’中的矢量描述表示為T，則有：

T＝A₀·A₁·A₂·A₃??????????(1)

根據前述描述得如下系列矩陣：

A0=1000010Py00100001A1=cosθ1-sinθ100sinθ1cosθ100001Pz10001A2=cosθ20sinθ200100-sinθ20cosθ200001A3=Px3Py3Pz31TT=Px0Py0Pz01T---(2)]]>

其中：

Py為引導云臺與瞄準云臺之間的中心距離，為已知

Pz₁為O₁坐標系相對O₀坐標系的高度，為已知

θ₁為引導云臺的立式電機的轉角，從上方看，逆時針為正，順時針為負，可以實時測量得到；

θ₂為引導云臺的臥式電機的轉角，從側面看，下俯為正，上仰為負，可以實時測量得到；

Px₃為激光測距傳感器所指目標的測量距離，通過實時測量得到；

Py₃＝0；

Pz₃為激光測距傳感器在Z₂軸上方的高度描述，為已知；

Px₀，Py₀，Pz₀分別為目標在瞄準云臺的基礎坐標系O’₀中的三維坐標計算值；

對T的求解過程就是云臺關節空間坐標關系的正解計算，這是通過所測得的引導云臺的立式電機轉角θ₁，引導云臺的水平旋轉驅動電機轉角θ₂以及激光測距傳感器測得的目標距離Px₃的數值，來定位目標在瞄準云臺的基礎坐標系O₀’中位置的過程；

步驟6.3、在瞄準云臺上分別建立O’₀-X’₀Y’₀Z’₀坐標系，O’₁-X’₁Y’₁Z’₁坐標系，O’₂-X’₂Y’₂Z’₂坐標系和O’₃-X’₃Y’₃Z’₃坐標系，分別簡稱為O’₀、O’₁、O’₂、O’₃坐標系，初始時，各個坐標系的X軸方向朝向正前方，Y軸方向朝向左方，Z軸方向朝向正上方，構成一個右手系，其中：

O’₀坐標系建在瞄準云臺的水平旋轉關節的底端中心平面上，為瞄準云臺的基礎坐標系；

O’₁坐標系建在瞄準云臺的水平旋轉關節軸線的正上方，綁定在瞄準水平旋轉云臺架上，其原點正好在瞄準云臺的水平旋轉關節軸線與俯仰運動關節軸線交叉點上，O’₁坐標系跟隨著瞄準云臺的水平旋轉云臺架的轉動而轉動，其轉角用β₁表示；

O’₂坐標系綁定在瞄準云臺的俯仰旋轉云臺架上，其原點與O’₁坐標系原點重合，O’₂坐標系不僅跟隨著瞄準云臺的水平旋轉云臺架的水平轉動而轉動，還跟隨著瞄準云臺的俯仰旋轉云臺架的俯仰轉動而轉動，其隨著瞄準云臺的俯仰旋轉云臺架俯仰轉動的轉角用β₂表示；

O’₃坐標系建在O’₂坐標系的Z’₂軸方向某高度上，與槍械綁定在一起，且槍械的瞄準具瞄準線的方向與X’₃軸的方向重合，O’₃和O’₂一樣，隨著瞄準水平旋轉云臺架和瞄準俯仰旋轉云臺架的轉動而做兩個方向的轉動，O’₃坐標系與O’₂坐標系保持平動關系，用來表示槍械的瞄準線所指向的目標在O’₂坐標系中的矢量描述；

步驟6.4、進行云臺關節空間坐標關系的逆解計算：

將O’₁坐標系對瞄準云臺的基礎坐標系O’₀的水平旋轉關系用B₁描述，將O’₂坐標系對O’₁坐標系的俯仰旋轉關系用B₂表述，將槍械的瞄準線所指目標相對O’₂坐標系的矢量關系用B₃描述，那么，可以將槍械的瞄準線所指目標在瞄準云臺的基礎坐標系O’₀中的矢量描述表示為S，則有：

S＝B₁·B₂·B₃???????????(3)

因為激光測距傳感器所指目標與槍械的瞄準線所指目標是同一個點，所以有：

S＝T??????????????(4)

而且根據前述描述可得如下系列矩陣：

B1=cosβ1-sinβ100sinβ1cosβ100001Rz10001B2=cosβ20sinβ200100-sinβ20cosβ200001B3=Rx3Ry3,Rz3,1T---(5)]]>

其中：Rz₁為O’₁坐標系相對O’₀坐標系的高度，為已知

β₁為瞄準云臺的立式電機的轉角，從上方看，逆時針為正，順時針為負，是需求解量

β₂為瞄準云臺的臥式電機的轉角，從側面看，下俯為正，上仰為負，是需求解量

Rx₃為槍械瞄準具到目標間的瞄準線長度，是需求解量

Ry₃＝0

Rz₃為槍械瞄準具在Z’₂軸上方的高度描述，為已知

通過前述公式(1)-(5)及已知條件推導獲得：

β1=arctanPy0Px0β2=±arctRz3r2-Rz32+arctanRz1-Pz0cosβ1·Px0+sinβ1·Py0Rx3=cosβ2(cosβ1·Px0+sinβ1·Py0)-sinβ2*(Pz0-Rz1)---(6)]]>

其中：r=(Rz1-Pz0)2+(cosβ1·Px0+sinβ1·Py0)2---(7)]]>

上述公式(6)、(7)即為對云臺關節空間坐標關系的逆解計算，這是通過目標在瞄準云臺的基礎坐標系O’₀中位置，來求導出瞄準云臺的臥式電機轉角β₂，瞄準云臺的立式電機轉角β₁以及槍械瞄準具到目標間的瞄準線長度Rx₃數值，是落實如何調整槍口去對準目標的過程。