CN106767548A - 空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置及方法 - Google Patents

Abstract

空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置及方法属于火炮动态参数测量技术领域，装置包括计算机、光学位移传感器、光学位移传感器支架、红外发射标识点、红外光源、气浮隔振平台、冲击波防护罩。气浮隔振平台和冲击波防护罩有效缓解了火炮射击所引起的剧烈振动和对地面产生的冲击波，提高了测量的稳定性和准确性。本发明通过实时获取事先在火炮身管放置的可发射红外光源的刚体标识点的三维空间坐标，同时通过系统匹配软件对测量结果进行数值分析处理，从而实现对火炮身管指向状态进行较为全面的检测，其优点是测量精度高、抗干扰能力强、测量过程简单易行、非接触、速度快并且适合射击现场使用。

Description

空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置及方法

技术领域

本发明属于火炮动态参数测量技术领域，特别涉及一种采用空间三坐标测量技术测量火炮在射击过程中火炮身管指向性的装置及方法。

背景技术

火炮是常见的地面打击武器系统，具有射程远、密集度高、威力大、机动性好等特点，在现代战争中发挥着巨大作用。火炮在射击状态下身管指向性即高低角和方位角，是火炮的一项非常重要的技术参数，将影响到整个武器系统的打击精度，火炮武器系统的定型试验必须对其进行测量，从而对火炮性能作出综合评价。目前，传统的身管指向测量是通过对其随动控制系统中传动装置的测量，依靠角度传感器得到结果，测量对象并非火炮身管本身，因此没有形成对火控系统各环节的闭环测量。同时也有一些试验现场采用GPS方法和基于高精度经纬仪的身管指向测量系统，这些方法安装调试过程复杂、精度不高，不适用于高动态、大范围运动情况下火炮系统动态精度测试。除此之外，火炮在射击过程中处在强颠簸、强振动、大角加速度运动中，加之射击现场多烟雾、多沙尘，这些因素也会对火炮身管指向性测量带来严重的影响。所以火炮身管指向性测量是火炮试验的一个难题。

因此，本领域亟需一种新的测量技术来解决现存的这些问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置及方法用来解决传统的身管指向测量方法没有形成对火控系统各环节的闭环测量，测量系统安装调试过程复杂、精度不高，火炮在射击过程中强颠簸、强振动、大角加速度运动等多种因素影响测量精度的技术问题。

空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置，包括计算机、光学位移传感器、光学位移传感器支架、红外发射标识点、红外光源、气浮隔振平台、冲击波防护罩，所述气浮隔振平台的上部固定安装有光学位移传感器支架；所述光学位移传感器固定安装在光学位移传感器支架的上部，光学位移传感器上设置有三个CCD探头；所述计算机与光学位移传感器信号连接；所述冲击波防护罩套装在光学位移传感器、光学位移传感器支架以及浮隔振平台的外部；所述红外发射标识点设置在火炮身管的外部，红外发射标识点上设置有红外光源。

所述红外发射标识点为刚体标识点。

空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性方法，利用所述的空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、检测系统布设

①、测量位置规划

将空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置放置在待测火炮侧后方，空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置与待测火炮的垂直距离为1.5m～7m；

②、安装空间三坐标测量系统

在待测火炮的火炮身管上取两处位置固定放置红外发射标识点，将光学位移传感器、计算机和红外发射标识点进行连接安装，形成空间三坐标测量系统；

步骤二、测量空间工作坐标系建立

在光学位移传感器的有效测量范围内选取三个红外反射标识点，三个红外反射标识点位于待测火炮身管上或者位于地面上，位于地面上的红外反射标识点与待测火炮身管的距离为0.5m～3m，运行空间三坐标测量系统时测量这三个反红外标识点，以此红外反射标识点轴确定的空间为测量工作空间坐标系，后面的测量基于此坐标空间进行结算处理，

其中光学位移传感器的有效测量范围为空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置在距离火炮身管1.5m处测量的有效面积为0.5m×0.9m，空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置在距离火炮身管7m处测量的有效面积是3.0m×4.2m；

步骤三、火炮身管指向性初始位置标定

选定待测火炮身管未射击静止状态时刻t₀，通过空间三坐标测量系统捕获并读取待测火炮身管上两个红外发射标识点的空间坐标分别为O₁(x_o0,y_o0,z_o0)、P₁(x_p0,y_p0,z_p0)，把该时刻红外发射标识点的坐标信息作为火炮身管指向性测量的初始位置，把待测火炮身管看作空间直线，获得空间向量

步骤四、射击过程中火炮身管指向性空间角变化量的测量

在火炮射击过程中选取t_i时刻，其中，i为自然数，通过空间三坐标测量系统捕获火炮身管在射击状态下两个所述红外发射标识点的空间坐标分别为O₂(x_oi,y_oi,z_oi)、P₂(x_pi,y_pi,z_pi)，获得空间坐标向量

设定和两向量之间的夹角为θ，由空间向量与角度之间的数学关系公式：

由反三角函数关系可得：

由上述公式获得的测量值以待测火炮身管的未射击静止状态为基准，由公式、通过计算机中的API软件数据处理系统获得火炮身管在射击状态下空间角的变化量Δθ＝θ_n+i-θ_n，其中θ_n+i表示火炮在射击过程中选取t_n+i时刻火炮身管的空间角，θ_n表示火炮在射击过程中选取t_n时刻火炮身管的空间角，n为自然数，火炮身管射击状态下指向性检测完成。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

本发明中空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置基于先进的非接触红外测量技术，选用的红外发射标识点为刚体标识点，是与程控软件相匹配的能够发射近红外光的无线标识点，便于远程控制和操作同时在测量过程中可降低人为因素所引起的误差。红外光线对烟雾的穿透能力比可见光强，能够有效减小由于火炮射击所引起的沙尘、烟雾等因素对测量结果的干扰。

空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置在光学位移传感器支架底部安装有气浮隔振平台，在整个测量装置外部套有透红外冲击波防护罩，有效缓解了火炮射击所引起的剧烈振动和对地面产生的冲击波，减小了射击现场高动态、强颠簸等外力因素对空间三坐标测量系统自身的干扰，从而提高了测量的稳定性和准确性。

本发明通过实时获取事先在火炮身管放置的可发射红外光源的刚体标识点的三维空间坐标，同时通过系统匹配软件对测量结果进行数值分析处理，从而实现对火炮身管指向状态进行较为全面的检测。

本发明利用空间三维坐标测量技术实现对火炮身管指向性的测量，其优点是测量精度高、抗干扰能力强、测量过程简单易行、非接触、速度快并且适合射击现场使用。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明中一种空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置的结构示意图。

图2为本发明中一种空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性方法的原理示意图。

图中1-计算机、2-光学位移传感器、3-光学位移传感器支架、4-红外发射标识点、5-红外光源、6-气浮隔振平台、7-冲击波防护罩、8-火炮身管、9-CCD探头。

具体实施方式

如图所示，空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置，包括计算机1、光学位移传感器2、光学位移传感器支架3、红外发射标识点4、红外光源5、气浮隔振平台6、冲击波防护罩7，所述气浮隔振平台6的上部固定安装有光学位移传感器支架3；所述光学位移传感器2固定安装在光学位移传感器支架3的上部，光学位移传感器2上设置有三个CCD探头9；所述计算机1与光学位移传感器2信号连接；所述冲击波防护罩7套装在光学位移传感器2、光学位移传感器支架3以及浮隔振平台6的外部；所述红外发射标识点4固定安装在火炮身管8的外部，红外发射标识点4上设置有红外光源5。

所述红外发射标识点4为刚体标识点。

本发明选取某一火炮身管8作为待测目标，在该火炮身管8上固定放置红外发射标识点4，该红外发射标识点4是与测量系统相配套的能够发射红外光源5的无线通信标识点。整个测量过程中主要是通过光学位移传感器2的三个CCD探头9捕捉火炮身管上固定的红外发射标识点4发射的红外光源5，并在红外光源5交点处测量标识点精确的位置信息即实现三维坐标数据扫描获取，获得的测量值通过计算机1的API软件数据处理系统解算处理，可将火炮身管8位置信息实时显示。

空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性方法，利用所述的空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、检测系统布设

①、测量位置规划

将空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置放置在待测火炮侧后方，空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置与待测火炮的垂直距离为1.5m～7m，但从安全角度出发，优选火炮身管射击状态下指向性装置与待测火炮的垂直距离范围是5m～7m；

②、安装空间三坐标测量系统

在待测火炮的火炮身管8上取两处位置固定放置红外发射标识点4，将光学位移传感器2、计算机1和红外发射标识点4按照空间三坐标测量系统说明进行连接安装，形成空间三坐标测量系统；

步骤二、测量空间工作坐标系建立

在光学位移传感器2的有效测量范围内选取三个红外反射标识点，三个红外反射标识点位于待测火炮身管8上或者位于地面上，位于地面上的红外反射标识点与待测火炮身管8的距离为0.5m～3m，运行空间三坐标测量系统时测量这三个反红外标识点，以此红外反射标识点轴确定的空间为测量工作空间坐标系，后面的测量基于此坐标空间进行结算处理，

其中光学位移传感器2的有效测量范围为空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置与火炮身管8的距离为1.5m处测量的有效面积为0.5m×0.9m，空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置与火炮身管8的距离为7m处测量的有效面积是3.0m×4.2m；

步骤三、火炮身管指向性初始位置标定

选定待测火炮身管8未射击静止状态时刻t₀，通过空间三坐标测量系统捕获并读取待测火炮身管8上两个红外发射标识点4的空间坐标分别为O₁(x_o0,y_o0,z_o0)、P₁(x_p0,y_p0,z_p0)，把该时刻红外发射标识点4的坐标信息作为火炮身管指向性测量的初始位置，把待测火炮身管8看作空间直线，获得空间向量

步骤四、射击过程中火炮身管指向性空间角变化量的测量

在火炮射击过程中选取t_i时刻，其中，i为自然数，通过空间三坐标测量系统捕获火炮身管在射击状态下两个所述红外发射标识点4的空间坐标分别为O₂(x_oi,y_oi,z_oi)、P₂(x_pi,y_pi,z_pi)，获得空间坐标向量

设定和两向量之间的夹角为θ，由空间向量与角度之间的数学关系公式：

由反三角函数关系可得：

由上述公式获得的测量值以待测火炮身管8的未射击静止状态为基准，由公式(1)、(2)通过计算机1中的API软件数据处理系统获得火炮身管8在射击状态下空间角的变化量Δθ＝θ_n+i-θ_n，其中θ_n+i表示火炮在射击过程中任选t_n+i时刻下火炮身管的空间角，θ_n表示火炮在射击过程中任选t_n时刻下火炮身管的空间角，n为自然数，n＝1,2,3......，火炮身管射击状态下指向性检测完成。

Claims (3)

1.空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置，其特征是：包括计算机(1)、光学位移传感器(2)、光学位移传感器支架(3)、红外发射标识点(4)、红外光源(5)、气浮隔振平台(6)、冲击波防护罩(7)，所述气浮隔振平台(6)的上部固定安装有光学位移传感器支架(3)；所述光学位移传感器(2)固定安装在光学位移传感器支架(3)的上部，光学位移传感器(2)上设置有三个CCD探头(9)；所述计算机(1)与光学位移传感器(2)信号连接；所述冲击波防护罩(7)套装在光学位移传感器(2)、光学位移传感器支架(3)以及浮隔振平台(6)的外部；所述红外发射标识点(4)固定安装在火炮身管(8)的外部，红外发射标识点(4)上设置有红外光源(5)。

2.根据权利要求1所述的空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置，其特征是：所述红外发射标识点(4)为刚体标识点。

3.空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性方法，利用如权利要求1所述的空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、检测系统布设

①、测量位置规划

将空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置放置在待测火炮侧后方，空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置与待测火炮的垂直距离为1.5m～7m；

②、安装空间三坐标测量系统

在待测火炮的火炮身管(8)上取两处位置固定放置红外发射标识点(4)，将光学位移传感器(2)、计算机(1)和红外发射标识点(4)进行连接安装，形成空间三坐标测量系统；

步骤二、测量空间工作坐标系建立

在光学位移传感器(2)的有效测量范围内选取三个红外反射标识点，三个红外反射标识点位于待测火炮身管(8)上或者位于地面上，位于地面上的红外反射标识点与待测火炮身管(8)的距离为0.5m～3m，运行空间三坐标测量系统时测量这三个反红外标识点，以此红外反射标识点轴确定的空间为测量工作空间坐标系，后面的测量基于此坐标空间进行结算处理，

其中光学位移传感器(2)的有效测量范围为空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置在距离火炮身管(8)1.5m处测量的有效面积为0.5m×0.9m，空间三坐标法检测火炮身管射击状态下指向性装置在距离火炮身管(8)7m处测量的有效面积是3.0m×4.2m；

步骤三、火炮身管指向性初始位置标定

选定待测火炮身管(8)未射击静止状态时刻t₀，通过空间三坐标测量系统捕获并读取待测火炮身管(8)上两个红外发射标识点(4)的空间坐标分别为O₁(x_o0,y_o0,z_o0)、P₁(x_p0,y_p0,z_p0)，把该时刻红外发射标识点(4)的坐标信息作为火炮身管指向性测量的初始位置，把待测火炮身管(8)看作空间直线，获得空间向量

步骤四、射击过程中火炮身管指向性空间角变化量的测量

在火炮射击过程中选取t_i时刻，其中，i为自然数，通过空间三坐标测量系统捕获火炮身管在射击状态下两个所述红外发射标识点(4)的空间坐标分别为O₂(x_oi,y_oi,z_oi)、P₂(x_pi,y_pi,z_pi)，获得空间坐标向量

$\stackrel{\→}{n}=P_2-O_2=(x_{pi}-x_{oi},y_{pi}-y_{oi},z_{pi}-z_{oi})=(x_i,y_i,z_i);$

设定和两向量之间的夹角为θ，由空间向量与角度之间的数学关系公式：

$cos\mathrm{\θ}=\frac{|\stackrel{\→}{m}\·\stackrel{\→}{n}|}{\left|\stackrel{\→}{m}\right|\left|\stackrel{\→}{n}\right|}=\frac{|x_0{x}_i+y_0{y}_i+z_0{z}_i|}{\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\·\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}}---\left(1\right)$

由反三角函数关系可得：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{|x_0{x}_i+y_0{y}_i+z_0{z}_i|}{\sqrt{x_0^2+y_0^2+z_0^2}\·\sqrt{x_i^2+y_i^2+z_i^2}}---\left(2\right)$

由上述公式获得的测量值以待测火炮身管(8)的未射击静止状态为基准，由公式(1)、(2)通过计算机(1)中的API软件数据处理系统获得火炮身管(8)在射击状态下空间角的变化量Δθ＝θ_n+i-θ_n，其中θ_n+i表示火炮在射击过程中选取的t_n+i时刻火炮身管的空间角，θ_n表示火炮在射击过程中选取的t_n时刻火炮身管的空间角，n为自然数，火炮身管射击状态下指向性检测完成。