[发明专利]一种枪械自动瞄准系统及其工作方法

权利要求书

1.一种枪械自动瞄准系统，其特征在于，它由云台运动模块，控制器模块，视频传输模块和遥控器模块四部分组成，其中：

所述的云台运动模块，是在基座两端对称安装有两个云台，分别称为引导云台和瞄准云台，其中：每个云台都包括一个固定在基座上的云台座，云台座内固定有立式电机，立式电机轴上安装有水平旋转云台架，在水平旋转云台架上还安装有卧式电机，卧式电机上安装有仰俯旋转云台架；在引导云台的仰俯旋转云台架上安装有激光测距传感器和视频传输模块的摄像头；在瞄准云台的仰俯旋转云台架上搭载有枪械；通过引导云台的的立式电机和卧式电机的驱动，分别实现引导云台的两个云台架的转动，以对现场情况进行实时视频监控和对目标的激光测距，并将所测得的距离信息发送至控制器模块；通过瞄准云台的立式电机和卧式电机的驱动，分别实现瞄准云台的两个云台架的转动，从而带动其上搭载的枪械的转动，用以实现枪械对目标的自动瞄准；

所述的控制器模块由无线接收模块、嵌入式微控制器、串口通讯模块和供电电源模块组成，信号传输关系是：一方面经无线接收模块接收遥控器模块发来的控制信号，再经嵌入式微控制器对控制信号进行检测，然后经串口通讯模块向引导云台的引导俯仰旋转驱动电机和引导水平旋转驱动电机发送运动命令；一方面经串口通讯模块接收引导俯仰旋转驱动电机和引导水平旋转驱动电机反馈回的旋转角度信息和激光测距传感器探测到的目标距离信息，再通过嵌入式微控制器进行云台关节空间坐标关系的正逆解计算，得出瞄准云台的瞄准俯仰旋转驱动电机和瞄准水平旋转驱动电机应该运动的旋转角度信息，再经串口通讯模块向瞄准俯仰旋转驱动电机和瞄准水平旋转驱动电机发送相应的运动指令，以实现瞄准云台上的枪械对目标的自动瞄准；

所述的视频传输模块由摄像头、无线视频传输模块和显示终端组成，摄像头搭载在引导云台上，用以采集现场图像，并通过无线视频传输模块发送至显示终端，以实现操作人员对现场的实时监控；

所述的遥控器模块由操作模块、处理器和无线发送模块组成，操作模块将作业人员的操作动作转换成电信号传输至处理器，经过处理器对操作信号进行处理，再通过无线发送模块发送至控制器模块，实现无线遥控功能。

2.一种如权利要求1所述的枪械自动瞄准系统的工作方法，其特征在于，

步骤一、通过视频传输模块的摄像头采集现场图像，并经过无线视频模块将图像发送至显示终端；

步骤二、操作者通过显示终端的图像，观察测距激光束是否指向打击目标，若是，转向步骤五，若否，继续步骤三；

步骤三、操作者通过遥控器模块的操作模块发出引导云台相应关节的转动操作信号，以去调整激光测距传感器的测距激光束指向目标，操作信号经处理器处理后，通过无线发送模块发送给控制器模块；

步骤四、控制器模块通过其无线接收模块接受遥控器模块的无线发送模块发来的操作信号，经嵌入式微控制器处理后，由串口通讯模块发送指令给云台运动模块，去驱动引导云台的立式电机和卧式电机进行相应转动，以将激光测距传感器的测距激光束对准目标并实时测量目标距离；

步骤五、控制器模块的串口通讯模块采集引导云台的立式电机和卧式电机的旋转角度信息及激光测距传感器测量的目标距离信息，并将这些信息传回嵌入式微控制器；

步骤六、控制器模块的嵌入式微控制器根据传回的电机旋转角度信息及目标距离信息进行云台关节空间坐标关系的正逆解计算，得到瞄准云台的立式电机转角β₁、卧式电机转角β₂以及枪械瞄准具到目标间的瞄准线长度Rx₃数值；

步骤七、控制器模块的嵌入式微控制器将云台关节空间坐标关系的正逆解计算结果，转换成对瞄准云台的立式电机和卧式电机的控制指令，再经串口通讯模块发送给云台运动模块，去驱动瞄准云台的立式电机和卧式电机进行相应转动，以将枪械的瞄准线自动对准目标，实现本次瞄准任务；

步骤八、操作者判断瞄准系统是否需要继续工作，若是，则转向步骤一，若否，则退出工作关机；

上述步骤六中正逆解计算方法包含如下步骤:

步骤6.1、在引导云台上分别建立O₀-X₀Y₀Z₀坐标系，O₁-X₁Y₁Z₁坐标系，O₂-X₂Y₂Z₂坐标系和O₃-X₃Y₃Z₃坐标系，分别简称为O₀、O₁、O₂、O₃坐标系，初始时，各个坐标系的X轴方向朝向正前方，Y轴方向朝向左方，Z轴方向朝向正上方，构成一个右手系，其中：

O₀坐标系建在引导云台的水平旋转关节的底端中心平面上，为引导云台的基础坐标系；

O₁坐标系建在引导云台水平旋转关节轴线的正上方，绑定在引导云台的水平旋转云台架上,其原点正好在引导云台的水平旋转关节轴线与俯仰运动关节轴线交叉点上，O₁坐标系跟随着引导云台的水平旋转云台架的转动而转动，其转角用θ₁表示；

O₂坐标系绑定在引导云台的俯仰旋转云台架上，其原点与O₁坐标系原点重合，O₂坐标系不仅跟随着引导云台的水平旋转云台架的水平转动而转动，还跟随着引导云台的俯仰旋转云台架的俯仰转动而转动，其随引导云台的俯仰旋转云台架俯仰转动的转角用θ₂表示；

O₃坐标系建在O₂坐标系的Z₂轴方向某高度上，与激光测距传感器绑定在一起，且激光测距传感器的测距激光束方向与X₃轴的方向重合，O₃同O₂一样，随着引导云台的水平旋转云台架和引导云台的俯仰旋转云台架的转动而做两个方向的转动，O₃坐标系与O₂坐标系保持平动关系，用来表示激光测距传感器的测距激光束所指向的目标在O₂坐标系中的矢量描述。

步骤6.2、进行云台关节空间坐标关系的正解计算：

将O₀坐标系对瞄准云台的基础坐标系O’₀的平动关系用A₀描述，将O₁坐标系对O₀坐标系的水平旋转关系用A₁描述，将O₂坐标系对O₁坐标系的俯仰旋转关系用A₂描述，将激光测距传感器所指目标相对O₂坐标系的矢量关系用A₃描述，那么，可将激光测距传感器所指目标在瞄准云台的基础坐标系O₀’中的矢量描述表示为T，则有：

T＝A₀·A₁·A₂·A₃          (1)

根据前述描述得如下系列矩阵：

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

其中：

Py为引导云台与瞄准云台之间的中心距离，为已知

Pz₁为O₁坐标系相对O₀坐标系的高度，为已知

θ₁为引导云台的立式电机的转角，从上方看，逆时针为正，顺时针为负，可以实时测量得到；

θ₂为引导云台的卧式电机的转角，从侧面看，下俯为正，上仰为负，可以实时测量得到；

Px₃为激光测距传感器所指目标的测量距离，通过实时测量得到；

Py₃＝0；

Pz₃为激光测距传感器在Z₂轴上方的高度描述，为已知；

Px₀，Py₀，Pz₀分别为目标在瞄准云台的基础坐标系O’₀中的三维坐标计算值；

对T的求解过程就是云台关节空间坐标关系的正解计算，这是通过所测得的引导云台的立式电机转角θ₁，引导云台的水平旋转驱动电机转角θ₂以及激光测距传感器测得的目标距离Px₃的数值，来定位目标在瞄准云台的基础坐标系O₀’中位置的过程；

步骤6.3、在瞄准云台上分别建立O’₀-X’₀Y’₀Z’₀坐标系，O’₁-X’₁Y’₁Z’₁坐标系，O’₂-X’₂Y’₂Z’₂坐标系和O’₃-X’₃Y’₃Z’₃坐标系，分别简称为O’₀、O’₁、O’₂、O’₃坐标系，初始时，各个坐标系的X轴方向朝向正前方，Y轴方向朝向左方，Z轴方向朝向正上方，构成一个右手系，其中：

O’₀坐标系建在瞄准云台的水平旋转关节的底端中心平面上，为瞄准云台的基础坐标系；

O’₁坐标系建在瞄准云台的水平旋转关节轴线的正上方，绑定在瞄准水平旋转云台架上，其原点正好在瞄准云台的水平旋转关节轴线与俯仰运动关节轴线交叉点上，O’₁坐标系跟随着瞄准云台的水平旋转云台架的转动而转动，其转角用β₁表示；

O’₂坐标系绑定在瞄准云台的俯仰旋转云台架上，其原点与O’₁坐标系原点重合，O’₂坐标系不仅跟随着瞄准云台的水平旋转云台架的水平转动而转动，还跟随着瞄准云台的俯仰旋转云台架的俯仰转动而转动，其随着瞄准云台的俯仰旋转云台架俯仰转动的转角用β₂表示；

O’₃坐标系建在O’₂坐标系的Z’₂轴方向某高度上，与枪械绑定在一起，且枪械的瞄准具瞄准线的方向与X’₃轴的方向重合，O’₃和O’₂一样，随着瞄准水平旋转云台架和瞄准俯仰旋转云台架的转动而做两个方向的转动，O’₃坐标系与O’₂坐标系保持平动关系，用来表示枪械的瞄准线所指向的目标在O’₂坐标系中的矢量描述；

步骤6.4、进行云台关节空间坐标关系的逆解计算：

将O’₁坐标系对瞄准云台的基础坐标系O’₀的水平旋转关系用B₁描述，将O’₂坐标系对O’₁坐标系的俯仰旋转关系用B₂表述，将枪械的瞄准线所指目标相对O’₂坐标系的矢量关系用B₃描述，那么，可以将枪械的瞄准线所指目标在瞄准云台的基础坐标系O’₀中的矢量描述表示为S，则有：

S＝B₁·B₂·B₃           (3)

因为激光测距传感器所指目标与枪械的瞄准线所指目标是同一个点，所以有：

S＝T              (4)

而且根据前述描述可得如下系列矩阵：

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

其中：Rz₁为O’₁坐标系相对O’₀坐标系的高度，为已知

β₁为瞄准云台的立式电机的转角，从上方看，逆时针为正，顺时针为负，是需求解量

β₂为瞄准云台的卧式电机的转角，从侧面看，下俯为正，上仰为负，是需求解量

Rx₃为枪械瞄准具到目标间的瞄准线长度，是需求解量

Ry₃＝0

Rz₃为枪械瞄准具在Z’₂轴上方的高度描述，为已知

通过前述公式(1)-(5)及已知条件推导获得：

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)即为对云台关节空间坐标关系的逆解计算，这是通过目标在瞄准云台的基础坐标系O’₀中位置，来求导出瞄准云台的卧式电机转角β₂，瞄准云台的立式电机转角β₁以及枪械瞄准具到目标间的瞄准线长度Rx₃数值，是落实如何调整枪口去对准目标的过程。