CN103322856A - 一种基于偏振光/mimu的射击定姿与微动测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于偏振光/MIMU的射击定姿与微动测量系统，本发明由偏振光发生器、偏振光接收器、MIMU、无线数据发射模块、无线数据接收模块和计算机六部分组成。偏振光发生器安装在靶标上方，其镜头与靶标平面平行；偏振光接收器安装在枪械瞄准镜上方，其镜头与枪械瞄准镜头平行。MIMU固联安装于枪械弹匣下方，MIMU测量坐标系与枪械本体坐标系重合。偏振光接收器和MIMU的测量数据通过无线数据发射模块和无线数据接收模块传输到计算机中，计算机运行偏振光/MIMU鲁棒实时融合算法，得到射击过程中枪械的三维姿态数据，进而参考专家系统数据库匹配相似射击动作。本发明具有精度高、体积小、重量轻、成本低的特点，可大幅度提高射击训练效率。

Description

一种基于偏振光/MIMU的射击定姿与微动测量系统
技术领域
本发明涉及一种基于偏振光/MIMU(MEMS Inertial measurement unit，微惯性测量单元)的射击定姿与微动测量系统，主要用于测量并记录警察射击时枪械角位置、角速度和线加速度的微小变化，通过与专家系统数据库对比，纠正警察的不良射击动作，提升射击水平。该系统也可用于士兵、特种兵等射击训练中。 
背景技术
目前用于射击训练微动测量的主要系统如下：(1)激光与红外线瞄准仪：可以提供枪械的射击目标点，但不能测量枪械的微小线运动及姿态变化；(2)高速录像分析仪：可以慢放直观观察摄像平面内的每一帧动作，但难以捕获枪械三维空间姿态变化，特别是微小动作，而且价格极高；(3)惯性传感器测量仪：可以测量三维空间的微小运动，但测量误差随时间积累，特别是受枪械体积重量限制，只能采用小型陀螺仪，误差随机漂移非常严重。由于高水平射击动作的精准度和一致性要求非常强，现有的技术手段难以准确测量射击过程中枪械三维空间角位置、角速度和线加速度的微小变化。 
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有射击定姿与微动测量系统难测量、精度差、价格高等缺点，解决射击训练中枪械三维空间微小运动的精确测量问题，从而分析射击动作，提高射击水平。 
本发明的技术解决方案：一种基于偏振光/MIMU的射击定姿与微动测量系统包括偏振光发生器、偏振光接收器、MIMU、无线数据发射模块、无线数据接收模块和计算机六个组成部分。偏振光发生器安装在靶标上方且镜头与靶标平面平行，偏振光接收器安装在枪械瞄准镜上方且镜头与枪械瞄准 镜头平行。MIMU固联安装于枪械弹匣下方且MIMU测量坐标系与枪械本体坐标系重合。偏振光接收器和MIMU的测量数据通过无线数据发射模块和无线数据接收模块传输到计算机中，计算机运行偏振光/MIMU鲁棒实时融合算法，得到射击过程中枪械的三维姿态数据，进而参考专家系统数据库匹配相似射击动作，得出具有针对性的训练参考方案，显示告知射击训练人员。 
本发明的原理：如图1所示，标靶上方的偏振光发射器(1)发出特定频率、特定偏振方向的偏振光，安装在枪械瞄准镜上方的偏振光接收器(2)通过滤光、检偏和解调步骤，计算出枪械相对于当前地理坐标系下的横滚角、俯仰角、方位角(统称为角位置)；安装在枪械弹匣下方的MIMU(3)测量出枪械相对于本体坐标系三个轴向(X轴，Y轴，Z轴)的角速度和线加速度；数据通过无线数据发射模块(4)和无线数据接收模块(5)传输到计算机中。计算机运行偏振光/MIMU鲁棒实时融合算法(算法流程如图2所示)，通过建立枪械运动学系统模型，将三个轴向的角位置、角速度和线加速度数据进行融合滤波，得到高精度的枪械姿态信息，并修正MIMU的累积性误差；将融合后的数据与专家系统数据库进行对比，得出具有针对性的训练参考方案。 
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明将偏振光精密测角单元与微惯性测量单元巧妙结合用于射击训练中微小动作的测量。偏振光精密测角单元可提供长时间高精度的角位置信息，通过设计偏振光/MIMU鲁棒实时融合算法，可估计并消除MIMU的累积性随机误差，获得枪械三维高精度角位置、角速度和线加速度的量测信息。 
附图说明
图1为本发明的安装位置示意图； 
图2为本发明数据融合算法流程图； 
图3为本发明MIMU微动测量系统数据对比图，其中上图为MIMU输 出俯仰角与MIMU/偏振光数据融合输出俯仰角对比图；中图为MIMU输出横滚角与MIMU/偏振光数据融合输出横滚角对比图；下图为MIMU输出方位角与MIMU/偏振光数据融合输出方位角对比图； 
具体实施方式
如图1所示，偏振光发射器(1)安装在靶标上方，保持镜头与靶标平面平行，并使其本体坐标系与当地地理坐标系重合，使发出的特定频率、特定偏振方向的偏振光垂直于靶标射向枪械所在方向；偏振光接收器(2)安装在枪械瞄准镜上方且镜头与枪械瞄准镜头平行，并使其本体坐标系与枪械本体坐标系重合。接收到偏振光发射器(1)发出的偏振光后，通过滤光、检偏、解调三个步骤，可计算出偏振光接收器(2)相对于当前地理坐标系的角位置(与枪械相对于当前地理坐标系的角位置相同)。MIMU(3)固联安装于枪械弹匣下方，使其本体坐标系与枪械本体坐标系重合。MIMU(3)可测量出枪械相对于当地地理坐标系的角速度与线加速度。无线数据发射模块(4)安装在MIMU下方，将偏振光接收器(2)和MIMU(3)的测量数据发射到无线数据接收模块(5)。无线数据接收模块(5)将接收到的数据输送到计算机(6)。 
计算机(6)运行偏振光/MIMU鲁棒实时融合算法，算法流程如图3所示。首先将MIMU测量枪械的三轴角速度ωx，ωy，ωz和三轴线加速度ax，ay，az，进行捷联解算，得到枪械的三轴姿态角θ″(俯仰角)、γ″(横滚角)、
Figure BSA00000861135100031
(方位角)；然后设计基于抗干扰观测器的鲁棒滤波器，将偏振光接收器测量的枪械三轴角位置θ′，γ′，
Figure BSA00000861135100032
和捷联解算得到的θ″，γ″，
Figure BSA00000861135100033
进行数据融合，得到高精度的枪械三轴姿态θ，γ，
Figure BSA00000861135100034
并估计出MIMU三轴角速度误差
Figure BSA00000861135100035
和三轴线加速度误差
Figure BSA00000861135100036
将三轴角速度误差和三轴线加速度误差
Figure BSA00000861135100038
补偿到MIMU测量数据ωx，ωy，ωz和ax，ay，az中，修正MIMU的积累性随机误差。计算得到枪械三维姿态数据θ，γ，
Figure BSA00000861135100039
通过参考专家系统数据库匹配相似射击动作，得出具有针对性的训练参考方案。 
本发明相比仅具有MIMU的微动测量系统，测量的三维姿态数据θ，γ，
Figure BSA000008611351000310
消除了MIMU的累积性随机误差，且姿态测量精度有了大幅提高。 

Claims (2)

1.一种基于偏振光/MIMU的射击定姿与微动测量系统，其特征在于：由偏振光发生器(1)、偏振光接收器(2)、MIMU(3)、无线数据发射模块(4)、无线数据接收模块(5)和计算机(6)六部分组成。偏振光发生器(1)安装在靶标上方且镜头与靶标平面平行，偏振光接收器(2)安装在枪械瞄准镜上方且镜头与枪械瞄准镜头平行。MIMU(3)固联安装于枪械弹匣下方且MIMU(3)测量坐标系与枪械本体坐标系重合。偏振光接收器(2)和MIMU(3)的测量数据通过无线数据发射模块(4)和无线数据接收模块(5)传输到计算机(6)中，计算机(6)运行偏振光/MIMU鲁棒实时融合算法，得到射击过程中枪械的三维姿态数据，进而参考专家系统数据库匹配相似射击动作，得出具有针对性的训练参考方案，显示告知射击训练人员。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振光/MIMU的射击定姿与微动测量系统，其特征在于：所述的偏振光/MIMU鲁棒实时融合算法，算法流程为首先将MIMU测量枪械的三轴角速度ωx，ωy，ωz和三轴线加速度ax，ay，az，进行捷联解算，得到枪械的三轴姿态角θ″(俯仰角)、γ″(横滚角)、
Figure FSA00000861135000011
(方位角)；然后设计基于抗干扰观测器的鲁棒滤波器，将偏振光接收器测量的枪械三轴角位置θ′，γ′，和捷联解算得到的θ″，γ″，
Figure FSA00000861135000013
进行数据融合，得到高精度的枪械三轴姿态θ，γ，
Figure FSA00000861135000014
并估计出MIMU三轴角速度误差
Figure FSA00000861135000015
和三轴线加速度误差
Figure FSA00000861135000016
将三轴角速度误差和三轴线加速度误差
Figure FSA00000861135000018
补偿到MIMU测量数据ωx，ωy，ωz和ax，ay，az中，修正MIMU的积累性随机误差。
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