CN108646588A - 一种基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其包括：传感器仿真模块，基于各种电视制导武器引导头相机成像模型，根据当前武器的飞行姿态计算成像结果；武器仿真模块，根据电视制导武器动力学模型计算当前飞行位置姿态；武器操作员交互终端，用来形成电视制导武器操控界面，并提供人机交互界面以修正电视制导武器飞行方向；传感器仿真模块和武器仿真模块向用户提供模型参数定制接口，仿真模块之间以服务方式进行数据交互和功能调用，整个仿真回路按用户意图灵活配置。本发明具有结构简单、易实现、应用范围广、操作简便等优点。

Description

一种基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器

技术领域

本发明主要涉及到仿真系统领域，特指一种基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器。

背景技术

在作战仿真系统中，为了实现仿真效果的真实性，武器仿真一直是重点仿真内容。电视制导武器作为精确制导武器，有着命中率高、可引入人的主观判断的特点。对于电视制导武器的仿真，由于有人在回路进行操控，一般的系统中都会采用复杂的交互仿真席位来对其进行模拟。采用这种方式的电视制导武器仿真器存在成本较高、体积庞大、仿真能力相对固化的缺陷，特别针对大型仿真需要多个电视制导武器发射席位时，会增大系统的复杂度。

因此需要一种灵巧可配置的电视制导武器仿真器，通过简单设置后，可以快速部署并接入仿真系统，实现电视制导武器仿真功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、易实现、应用范围广、操作简便的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其包括：

传感器仿真模块，基于各种电视制导武器引导头相机成像模型，根据当前武器的飞行姿态计算成像结果；

武器仿真模块，根据电视制导武器动力学模型计算当前飞行位置姿态；

武器操作员交互终端，用来形成电视制导武器操控界面，并提供人机交互界面以修正电视制导武器飞行方向；

传感器仿真模块和武器仿真模块向用户提供模型参数定制接口，仿真模块之间以服务方式进行数据交互和功能调用，整个仿真回路按用户意图灵活配置。

作为本发明的进一步改进：所述传感器仿真模块基于武器平台的位置、姿态，按当前传感器的成像角度、焦距，模拟生成传感器图像。

作为本发明的进一步改进：所述武器仿真模块基于武器平台动力学模型，模拟生成平台的实时位置、姿态信息，通过服务总线发布到仿真系统中，送入传感器仿真模块作为计算依据，同时作为武器打击效果的计算数据来源。

作为本发明的进一步改进：所述武器操作员交互终端，用来向武器操作员展示弹载传感器画面，同时接收操作员输入的飞行方向修正指令。

作为本发明的进一步改进：所述武器操作员交互终端为基于便携式平板的终端，通过有线或无线网络接入仿真系统。

作为本发明的进一步改进：所述仿真器中包括SOA总线，所述SOA总线用来实现前段操作界面与后端图像传感器仿真模块与武器仿真模块之间的信息传输与数据交互，该总线包含两部分：一是传输触发式调用的服务总线，一是传输周期性实时数据的数据总线。

作为本发明的进一步改进：所述服务总线采用基于Rest采用开源库RestBed建立Restful进行服务化，采用http协议进行远程调用。

作为本发明的进一步改进：通过http协议将所需回传的图像参数发送至图像传感器服务器，服务器接收到请求后，将仿真图像信息发送至用户界面。

作为本发明的进一步改进：所述数据总线用于仿真服务模块与其他仿真模块/系统的实时信息交互，包括一个话题服务节点、一个配置服务节和若干数据服务节点，所述话题服务节点进行话题的管理以及数据节点的维护，所述配置服务节点用于对RCS所用的配置信息进行维护，所述数据服务节点进行数据的收发。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，结构简单、易实现、应用范围广，基于各种电视制导武器引导头相机成像模型，可以快速、方便的实现整个仿真回路按用户意图可灵活配置，通过交互操作就能够修正电视制导武器飞行方向，快速形成用户所需的电视制导武器仿真功能。

附图说明

图1是本发明仿真器的框架原理示意图。

图2是本发明在具体应用实例中数据总线的框架原理示意图。

图3是相机的基本成像模型示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，包括：

传感器仿真模块，基于各种电视制导武器引导头相机成像模型，根据当前武器的飞行姿态计算成像结果；

武器仿真模块，根据电视制导武器动力学模型计算当前飞行位置姿态；

武器操作员交互终端，用来形成电视制导武器操控界面，如，以便携平板电脑为载体，以手势交互方式提供人机交互界面以修正电视制导武器飞行方向；

传感器仿真模块和武器仿真模块向用户提供模型参数定制接口，仿真模块之间以服务方式进行数据交互和功能调用，实现了整个仿真回路按用户意图可灵活配置，快速形成用户所需的电视制导武器仿真功能。

在具体应用实例中，传感器仿真模块基于武器平台的位置、姿态，按当前传感器的成像角度、焦距，模拟生成传感器图像，其中计算依据的模型如下：

1、相机成像模型；

参见图3，相机成像的理论模型是小孔成像模型，根据这个模型，空间任一点P由光心坐标系向图像坐标系的转换过程符合中心射影或透视投影理论。OCP为空间点P与光心OC的连线，其与图像平面的交点p为点P在图像上的投影。设p点在图像坐标系O₀-uv中的坐标为(u,v)^T，对应其次坐标为(u,v,1)^T，在相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c中的坐标为(X_c,Y_c,Z_c)^T。根据三角形相似原理，可有如下关系式：

相机坐标系Oc-XcYcZc与世界坐标系OW-XWYWZw之间的关系可以可以用旋转R和平移t的叠加进行描述。空间中任意一点P，设其在世界坐标系下的坐标为(XW,YW,ZW)T，对应齐次坐标为(XW,YW,ZW,1)T，在摄像机坐标系下的坐标为(Xc,Yc,Zc)T,对应的齐次坐标为(Xc,Yc,Zc,1)T,则存在如下关系：

其中，R为3*3正交单位矩阵，t为三维平移向量；0＝(0,0,0)T。若摄像机光心在世界坐标系中的位置记为齐次坐标C，则满足t＝-RC。

无人机携带POS系统能够实现空中三角测量，可计算得到图像中任意像素点对应的世界坐标，联立公式(1)、(2)可得：

令则有：

其中K被称为摄像机内参数(Camera Intrinsic Parameters),由摄像机焦距、镜头纵横比、图像中心坐标等摄像机内部结构决定。[R|t]为摄像机外参数(CameraExtrinsic Parameters)，由摄像机相对于世界坐标系的方位决定。

由于POS系统的天线在安装过程中，天线相位中心不可能与摄像机的中心完全重合，它们之间总存在着一个空间偏移，通常称为偏心分量。若A在世界坐标系OW-XWYWZW中的坐标为(XWA,YWA,ZWA)T，偏心分量为(UW,VW,WW)T,则有：

2、相机运动模型；

由于运动的相对性，由相机运动而导致拍摄到的场景图像变化，可以看作相机位置不变由场景运动而引起的图像变化。假设拍摄过程中焦距不发生变化，设图像I1的相机坐标系与世界坐标系重合，取图像I1为基准图像。相机经过某一运动Rc、tc后，拍摄图像I2。空间中一点P在两个相机坐标系下，对应坐标分别记为(Xc,Yc,Zc)T和(Xc’,Yc’,Zc’)T。则有：

其中为Rc摄像机旋转矩阵，由相机绕三个坐标轴的旋转得到，旋转角度分别为ωx、ωy、ωz，根据运动的分解迭加性，有Rc＝RcxRcyRcz。tc＝(Tcx,Tcy,Tcz)T为平移向量设摄像机拍摄焦距为f保持不变，设空间点P点在两幅图像中的像点分别记为(u,v)T和(u’,v’)T，根据相的基本成像模型可得出摄像机的运动模型，如下所示：

在具体应用实例中，武器飞行仿真模块基于武器平台动力学模型，模拟生成平台的实时位置、姿态信息，通过服务总线发布到仿真系统中，一方面也作为传感器仿真模块的计算依据，一方面也是武器打击效果的计算数据来源。

在略去弹体震动和变形的条件下，电视制导武器的运动可以看成包含六个自由度的刚体运动，包括三个线运动(前后、上下、左右)和三个角运动(滚转、俯仰与偏航)，其动力学和运动学特性可由12个一阶非线性微分方程来进行描述。该模型的理论依据是系统的状态空间描述，其描述方程形式下式：

其中，状态量X＝[β,η,φ,β_w,η_w,φ_w,v_U,v_V,v_W,X_e,Y_e,H]^T分别表示滚转角、俯仰角、偏航角、滚转角速率、俯仰角速率、偏航角速率、机体坐标轴上的速度分量、纵向位移、侧向位移、高度；u＝[δ_e,δ_a,δ_r,δ_T]^T，分别表示升降舵偏角、副翼偏角、方向舵偏角、发动机油门开度；t为时间。采用系数冻结法，可以基于12个微分方程得到常系数线性化微分方程。将所有的微分方程按纵向和侧向分类，简化飞行控制系统的阶数，可以得到纵向常系数微分方程式和侧向的常系数微分方程式。无人机的横侧向小扰动状态空间方程如下：

其中ε为侧滑角，ω_x，ω_y分别为无人机三轴姿态向飞机X轴和Y轴的投影。

由于弹体的飞行控制相对简单，因此可以将其状态向量简化为X＝[x y z φ ηv]^T。其连续时间运动学模型如下：

其中x(t)、y(t)、z(t)为三维位置，v(t)表示弹体速度。受运动学约束有v(t)∈[v_min v_max]。u^φ(t)、u^η(t)、u^ν(t)对应上述三个变量的控制输入，受平台的动力学约束，有|u^φ(t)|≤u^φ _max，|u^η(t)|≤u^η _max，|u^v(t)|≤u^v _max。

不失一般性，假定武器飞行在固定高度H，即z(t)＝H，η(t)＝0，可得如下的2维连续时间运动模型：

在具体应用实例中，武器操作员交互终端，主要负责向武器操作员展示弹载传感器画面，同时接收操作员输入的飞行方向修正指令，为了提高在仿真系统中部署的便捷性，该终端基于便携式平板开发，通过有线或无线网络接入仿真系统。在具体应用实例中，交互终端为操作员提供了触摸手势输入的交互机制。

在具体应用实例中，仿真器中的SOA总线主要用来实现前段操作界面与后端图像传感器仿真模块与武器仿真模块之间的信息传输与数据交互，该总线包含两部分：一是传输触发式调用的服务总线，一是传输周期性实时数据的数据总线。

服务总线采用基于Rest采用开源库RestBed建立Restful进行服务化，建立一套符合Rest标准的服务定义、服务发布、服务调用等函数，采用http协议进行远程调用，提高了仿真器各模块的部署灵活性。

以用户操控界面查询制导武器图像回传为例，通过http协议将所需回传的图像参数发送至图像传感器服务器，服务器接收到请求后，将仿真图像信息发送至用户界面。

本发明的仿真器基于共享内存的数据访问方式，建立保证数据传输可靠性、时效性、安全性的QoS机制，提供了配置数据的等级和安全性的参数设置，以“订阅与分发”的方式实现高速实时数据传递。数据总线实现了仿真服务模块与其他仿真模块/系统的实时信息交互，主要框架如图2所示。一个完整的数据总线由一个话题服务节点，一个配置服务节和若干数据服务节点组成，话题服务节点进行话题的管理以及数据节点的维护，配置服务节点负责对RCS所用的配置信息进行维护，数据节点进行数据的收发。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其特征在于，包括：

传感器仿真模块，基于各种电视制导武器引导头相机成像模型，根据当前武器的飞行姿态计算成像结果；

武器仿真模块，根据电视制导武器动力学模型计算当前飞行位置姿态；

武器操作员交互终端，用来形成电视制导武器操控界面，并提供人机交互界面以修正电视制导武器飞行方向；

传感器仿真模块和武器仿真模块向用户提供模型参数定制接口，仿真模块之间以服务方式进行数据交互和功能调用，整个仿真回路按用户意图灵活配置。

2.根据权利要求1所述的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其特征在于，所述传感器仿真模块基于武器平台的位置、姿态，按当前传感器的成像角度、焦距，模拟生成传感器图像。

3.根据权利要求1所述的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其特征在于，所述武器仿真模块基于武器平台动力学模型，模拟生成平台的实时位置、姿态信息，通过服务总线发布到仿真系统中，送入传感器仿真模块作为计算依据，同时作为武器打击效果的计算数据来源。

4.根据权利要求1所述的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其特征在于，所述武器操作员交互终端，用来向武器操作员展示弹载传感器画面，同时接收操作员输入的飞行方向修正指令。

5.根据权利要求4所述的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其特征在于，所述武器操作员交互终端为基于便携式平板的终端，通过有线或无线网络接入仿真系统。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其特征在于，所述仿真器中包括SOA总线，所述SOA总线用来实现前段操作界面与后端图像传感器仿真模块与武器仿真模块之间的信息传输与数据交互，该总线包含两部分：一是传输触发式调用的服务总线，一是传输周期性实时数据的数据总线。

7.根据权利要求5所述的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其特征在于，所述服务总线采用基于Rest采用开源库RestBed建立Restful进行服务化，采用http协议进行远程调用。

8.根据权利要求7所述的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其特征在于，通过http协议将所需回传的图像参数发送至图像传感器服务器，服务器接收到请求后，将仿真图像信息发送至用户界面。

9.根据权利要求5所述的基于传感器图像生成模型的电视制导武器仿真器，其特征在于，所述数据总线用于仿真服务模块与其他仿真模块/系统的实时信息交互，包括一个话题服务节点、一个配置服务节和若干数据服务节点，所述话题服务节点进行话题的管理以及数据节点的维护，所述配置服务节点用于对RCS所用的配置信息进行维护，所述数据服务节点进行数据的收发。