CN111721258B - 激光接收器、激光入射角度测量系统和方法及姿态、运动状况测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光接收器，包括多方向激光信号采集模块、激光信号处理模块、控制处理模块、通信模块和六轴或九轴传感器；多方向激光信号采集模块用于采集不同方向的激光信号；激光信号处理模块用于处理激光信号；六轴或九轴传感器用于测量激光接收器相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度、相对于地球地磁场正北的角度或三个轴的角运动数据；控制处理模块用于解析激光信号和六轴或九轴传感器获得的数据。通信模块用于向外部传输经控制处理模块处理后的数据。本发明能准确地测量激光入射角度，提高人体或装备毁伤计算精度。本发明还提供了一种激光入射角度测量系统和方法及姿态、运动状况测量方法。

Description

激光接收器、激光入射角度测量系统和方法及姿态、运动状况 测量方法

技术领域

本发明涉及一种信号接收器，具体讲一种能够精确计算出人体或装备被毁伤情况的激光接收器、激光入射角度测量系统和方法及姿态、运动状况测量方法，属于军事训练器材领域。

背景技术

目前实兵对抗训练正朝着智能化的方向在发展，通常以激光代替弹药进行实兵对抗训练。具体方法是在武器上加装激光发射机，在人员、装备上安装激光接收器。对抗训练时武器发射编码激光束，人员、装备上安装的激光接收器如果接收到编码激光束，则被判为被命中。

2019年2月19日，中国发明专利CN109357567A公开了一种激光对抗中控制直瞄武器有效射程的方法,其提出了在武器发射的编码激光束中包含地理坐标信息，人员、装备上安装的激光接收器接收到编码激光束后，根据人员、装备自身的地理坐标和编码激光束中包含地理坐标信息，计算出人员、装备与武器之间的距离，实现控制直瞄武器有效射程，提高对抗训练的实战化效果。

但是由于目前激光接收器的激光接收角度很大，通常能达到120°，虽然上述专利已经能够计算出激光束在地理坐标中的距离和角度，并通过能够通过安装在相应部位的激光接收器确定于人员、装备的被命中的具体部位，但是由于人员、装备自身的姿态不能确定，无法确定激光命中人员、装备时的入射角度。

而在实战中，弹药命中人员、装备的入射角对人员、装备的毁伤效果有很大影响，如果缺少入射角信息将严重影响毁伤模型的计算精度。例如1发激光模拟子弹命中心脏部位的激光接收器，如果为正入射，心脏被击中，人员将立即死亡；如果入射角度为向外偏60度，只是肋骨和肺的边缘被命中，可能只是中度伤。因此这种不精确的毁伤计算结果将严重影响对抗训练的实战化效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能准确地测量激光入射角度，提高人体或装备毁伤计算精度的激光接收器、激光入射角度测量系统和方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的激光接收器包括多方向激光信号采集模块、激光信号处理模块、控制处理模块、通信模块和六轴或九轴传感器；

所述多方向激光信号采集模块经激光信号处理模块连接控制处理模块；六轴或九轴传感器连接控制处理模块；

所述多方向激光信号采集模块用于采集激光信号；

所述激光信号处理模块用于处理激光信号；

所述六轴用于测量所述激光接收器相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度、相对于地球地磁场正北的角度；所述九轴传感器用于测量所述激光接收器相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度、相对于地球地磁场正北的角度、三个轴的角运动数据；

所述控制处理模块用于解析经激光信号处理模块处理后的激光信号和六轴或九轴传感器获得的数据；

所述通信模块与控制处理模块连接，用于向外部传输经控制处理模块处理后的数据。

在本发明中，所述多方向激光信号采集模块上至少设有1个激光接收窗口。

在本发明中，所述述激光接收窗口后面设有激光接收电路和信号放大电路，所述激光接收电路连接信号放大电路,激光接收电路为光电二极管或光电池。

本发明提供了一种激光入射角度测量系统，包括若干个前述激光接收器和控制部件、定位模块，激光接收器、控制部件和定位模块均装配在可移动物体上；

所述控制部件接收激光接收器发出的激光编码数据和角度数据、角运动数据；

所述定位模块用于测量出可移动物体的地理坐标并发送给控制部件。

本发明提供了一种激光入射角度测量方法，采用上述的激光入射角度测量系统，包括如下步骤：

1)装配在可移动物体上的激光接收器对接收到的带有武器装备模拟器地理坐标数据的编码激光束进行解析，并将解析出的激光编码数据、当前激光接收器相对于地球重力方向的角度数据和相对于地球地磁场正北的角度数据发送给控制部件；

2)控制部件接收定位模块测量出的可移动物体地理坐标；

3)控制部件根据可移动物体的地理坐标数据和发射编码激光束的武器装备模拟器的地理坐标数据，计算出编码激光束在地理坐标系中的角度；

4)控制部件将激光接收器相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度数据、相对于地球地磁场正北的角度数据，结合定位模块测量出的可移动物体的地理坐标数据，计算出激光接收器相互垂直的三个轴在地理坐标系中的角度；

5)控制部件将编码激光束在地理坐标系中的角度与激光接收器相互垂直的三个轴在地理坐标系中的角度进行计算，即可得到激光接收器的各激光接收窗口的激光入射角度。

本发明还提供了一种可移动物体的姿态和运动状况测量方法，采用上述的激光入射角度测量系统，所述传感器采用九轴传感器，包括如下步骤：

1)控制部件根据可移动物体各种姿态特征和运动特征与各关节或活动部件相对于地理坐标系的角度数据和角运动数据的关系，建立可移动物体的姿态和运动模型；

2)控制部件实时获取各激光接收器发送的其相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度数据、相对于地球地磁场正北的角度数据和三个轴的角运动数据，并其转换到地理坐标系中，实时获取可移动物体的各关节或活动部件相对于地理坐标系的角度数据和角运动数据；

3)控制部件根据定位模块测量出的可移动物体地理坐标，获得可移动物体的运动轨迹；

4)控制部件根据可移动物体的姿态和运动模型，实时计算出可移动物体在地理坐标系中的姿态和运动状况。

本发明的有益效果在于：(1)激光接收器安装在可移动物体(通常为人体或装备)的相应部位上,在实兵对抗训练时,既能接收武器模拟器发射的编码激光束,实现命中部位的精确识别,又能能够根据编码激光束中时射击方的地理坐标信息和人体或装备自身的地理坐标信息、以及被命中部位激光接收器的姿态信息，计算出人体或装备被编码激光束命中的精确入射角度,提高了毁伤模型的计算精度，有效解决了现有激光接收器由于接收激光入射角度大，无法测量激光入射角，从而导致人体或装备毁伤计算不精确的问题。

(2)通过安装在在人体或装备上与关节相关的活动部位或活动部件上激光接收器，可实时获取人体或装备的各关节或活动部件相对于地理坐标系的角度数据和角运动数据，根据人体或装备姿态模型和运动模型，可以实时计算出人体或装备在地理坐标系中的姿态和运动状况，该方法可有效解决实兵对抗训练时对战士战术动作和姿态的实时采集问题，结合交战结果，用以进行精细化的考核、分析和评估。

(3)本发明能大大提高对抗训练的实战化效果，提高对抗训练的精细化的考核、分析和评估。

附图说明

图1为本发明激光接收器整体结构示意图；

图2为本发明激光接收器内部结构示意图；

图3为本发明激光接收器的电路连接框图；

图4为本发明激光入射角度测量系统的示意图；

图5为激光入射角度测量时激光接收器和编码激光束在地理坐标系中的示意图；

其中：1-壳体，2-底盖，3-滤光片，4-激光接收窗口，5-光电二极管，6-信号放大电路，7-单片机，8-电池，9-通信芯片，10-九轴传感器，11-激光接收器，12-控制部件，13-定位模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当了解，附图中所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其并不构成对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本发明的保护范围之内。

如图1所示，本实施例中提供的激光接收器11的外壳部分包含壳体1和底盖2两个部分，底盖2固定在壳体1上。壳体1顶面和四侧开设激光接收窗口4，激光接收窗口4用于接收武器装备模拟器发射的编码激光束。

每个激光接收窗口4均设有滤光片3，滤光片3固定在激光接收窗口4上。滤光片3用于滤除编码激光束中的干扰光。

如图2所示，光电二极管5、信号放大电路6、单片机7、电池8、通信芯片9和九轴传感器10均安装在壳体1内部。

单片机7采用STM32F4系列ARM芯片或Luminary的lm3s3651ARM芯片等。

通信芯片9可以采用ZigBee、或蓝牙等无线通信芯片，也可以采用RS232、RS485或CAN等有线通信芯片。

光电二极管5分别安装于滤光片3后面，光电二极管5用于把光信号转换成电信号。信号放大电路6用于对经转换后的电信号进行放大，属于现有技术中常见的电路结构，故本技术方案中不再展开描述。

编码激光束进入激光接收窗口，通过滤光片后，被光电传感器接收，进行光电转换，转换后的信号经放大器放大后，由单片机进行解码。

本实施例中，九轴传感器10采用LSM9DS1等芯片，包含三轴陀螺仪、三轴加速度传感器和三轴磁感应传感器。其中，三轴加速度传感器能够测量出激光接收器11相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度，三轴磁感应传感器能够测量出激光接收器11相互垂直的三个轴相对于地球地磁场正北的角度和三个轴的角运动数据。

本实施例中采用九轴传感器对本技术方案进行详细描述，需要说明的是在实际使用过程中也可采用六轴传感器来实现本发明的技术。六轴传感器与九轴传感器11相比,仅包含了三轴加速度传感器和三轴磁感应传感器。

如图3所示，光电二极管5经信号放大电路6连接单片机7。通信芯片9和九轴传感器10分别连接单片机7。电池8为光电二极管5、信号放大电路6、单片机7、通信芯片9和九轴传感器10供电。

光电二极管5将接收到的编码激光信号转换为电信号，经信号放大电路6放大后传送至单片机7，单片机7对转换后的电信号进行解码。九轴传感器10用于测量激光接收器11相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度、相对于地球地磁场正北的角度和三个轴的角运动数据，九轴传感器10的测量数据传送至单片机7后，单片机7将解析出的激光编码数据、以及测量出的激光接收器相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度数据、相对于地球地磁场正北的角度数据和三个轴的角运动数据，通过通信芯片9发送出去。

本发明提供的激光入射角度测量系统，包括激光接收器11、控制部件12和定位模块13，激光接收器11、控制部件12和定位模块13均装配在人体或武器装备上，激光接收器11的装配数量和位置可以根据需要进行自由选择。

定位模块13为GPS或北斗定位模块。

控制部件12中包含通信芯片和微处理器，其中的通信芯片用于接收激光接收器11和定位模块13的数据；其中的微处理器可采用ARM芯片，用于根据激光接收器11和定位模块13的数据计算出激光入射角度、人体的姿态和运动状况。

定位模块13用于测量出人体或武器装备的地理坐标并发送给控制部件12。控制部件12与激光接收器11中的通信芯片9通信。

另外，需要说明的是在本技术方案中，武器装备模拟器发射的编码激光束中包含所述武器装备模拟器的地理坐标数据。

如图5所示，本实施例中假设地理坐标的三个轴分别为地球表面正北(N轴)、地球表面正东(E轴)和地球表面垂直高度方向(H轴)。由于武器发射的激光作用距离只有几公里，因此可以将地球的局部球面看作是一个平面。原点O为进行对抗训练的某一个地点，该地点的经度、纬度和高度坐标是已知的。

地理坐标的转换方法是：将北斗或GPS定位模块测量出的点的经度减去原点O的经度，以地球半径作为r，根据弧长公式可以得到该点在地理坐标系中E轴方向的值；将北斗或GPS定位模块测量出的点的纬度减去原点O的纬度，以地球半径作为r，根据弧长公式可以得到该点在地理坐标系中N轴方向的值；将北斗或GPS定位模块测量出的点的高度度减去原点O的高度，可以得到该点在地理坐标系中H轴方向的值。假设激光接收窗口4在激光接收器11顶面上，与激光接收器11的Z轴垂直，与X轴和X轴平行。

本发明通过上述激光入射角度测量系统来测量武器装备模拟器的激光入射角度，具体过程如下描述：

(1)安装在人体或装备上的某个激光接收器11接收到武器装备模拟器发射的编码激光束后,单片机7对包含武器装备模拟器地理坐标数据的编码激光束进行解析；激光接收器11通过九轴传感器10获取当前激光接收器11相对于地球重力方向的角度数据和相对于地球地磁场正北的角度数据。之后，单片机7将解析出的激光编码数据和当前激光接收器11相对于地球重力方向的角度数据和相对于地球地磁场正北的角度数据通过通信芯片9发送给控制部件12。

(2)控制部件12接收定位模块13测量出的人体或装备的地理坐标。

(3)已知三维坐标系中两个点的坐标，即可计算出通过两个点的直线相对于三维坐标系的三个轴的角度。因此，控制部件12根据人体或装备的地理坐标数据和发射编码激光束的武器装备模拟器的地理坐标数据，即可计算出编码激光束在地理坐标系中相对于ON、OE、OH三个轴的角度。

(4)控制部件12将激光接收器11相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度转换为相对于地球表面垂直高度方向(H轴)的角度，将激光接收器相互垂直的三个轴相对于地球地磁场正北的角度转换为在NOE平面上相对于地球表面正北(N轴)的角度，可以获得激光接收器11相互垂直的三个轴在地理坐标系中相对于ON、OE、OH三个轴的角度。

(5)控制部件12将编码激光束在地理坐标系中相对于ON、OE、OH三个轴的角度与激光接收器11相互垂直的三个轴在地理坐标系中相对于ON、OE、OH三个轴的角度进行相加运算，可得到激光接收器11相互垂直的三个轴相对于激光束的角度。由于激光接收窗口4在激光接收器11顶面上，与激光接收器11的Z轴垂直，与X轴和X轴平行，因此可以得到激光接收窗口4的激光入射角。

在另一个人体的姿态和运动状况测量方法的实施例中，如图4所示，将多个激光接收器11分别安装在人体头部、躯干以及手部、腿部等活动部位上。

(1)根据人体各种姿态特征、人体各种运动特征与人体头部、躯干以及手部、腿部等活动部位相对于地理坐标系的角度数据和角运动数据的关系，在控制部件12中建立人体姿态模型和运动模型。

(2)控制部件12实时获取各激光接收器11发送的其相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度数据、相对于地球地磁场正北的角度数据和三个轴的角运动数据，将获得的上述数据进行磁偏角修正，即可实时获取人体头部、躯干以及手部、腿部等活动部位相对于地理坐标系ON、OE、OH三个轴的角度数据和角运动数据。

(3)控制部件12根据定位模块13的地理坐标信息，获得人体的空间运动轨迹。

(4)控制部件12将人体头部、躯干以及手部、腿部等活动部位相对于地理坐标系的角度数据和角运动数据与人体姿态模型和运动模型中的姿态特征和运动特征进行匹配运算，即可实时获取人体在地理坐标系中的姿态和运动状况。

以上对本发明的一些较佳的实施方式进行了具体描述。在此基础上，本领域技术人员可以进行显而易见的修改、变型以及不同实施例中的各种特征的组合，这些都在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种激光接收器,其特征在于：包括多方向激光信号采集模块、激光信号处理模块、控制处理模块、通信模块和六轴或九轴传感器；

所述多方向激光信号采集模块经激光信号处理模块连接控制处理模块；六轴或九轴传感器连接控制处理模块；

所述多方向激光信号采集模块用于采集激光信号；

所述激光信号处理模块用于处理激光信号；

所述六轴传感器用于测量所述激光接收器相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度、相对于地球地磁场正北的角度；所述九轴传感器用于测量所述激光接收器相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度、相对于地球地磁场正北的角度、三个轴的角运动数据；

所述控制处理模块用于解析经激光信号处理模块处理后的激光信号和六轴或九轴传感器获得的数据；

所述通信模块与控制处理模块连接，用于向外部传输经控制处理模块处理后的数据。

2.根据权利要求1所述的激光接收器,其特征在于：所述多方向激光信号采集模块上至少设有1个激光接收窗口。

3.根据权利要求2所述的激光接收器,其特征在于：所述激光接收窗口后面设有激光接收电路和信号放大电路，所述激光接收电路连接信号放大电路。

4.一种激光入射角度测量系统，其特征在于：包括若干个权利要求1至3任一项所述的激光接收器、控制部件和定位模块，激光接收器、控制部件和定位模块均装配在可移动物体上；

所述控制部件接收激光接收器发出的激光编码数据和角度数据、角运动数据；

所述定位模块用于测量出可移动物体的地理坐标并发送给控制部件。

5.一种激光入射角度测量方法，其特征在于：采用权利要求4所述的激光入射角度测量系统，包括如下步骤：

1)装配在可移动物体上的激光接收器对接收到的带有武器装备模拟器地理坐标数据的编码激光束进行解析，并将解析出的激光编码数据、当前激光接收器相对于地球重力方向的角度数据和相对于地球地磁场正北的角度数据发送给控制部件；

2)控制部件接收定位模块测量出的可移动物体地理坐标；

3)控制部件根据可移动物体的地理坐标数据和发射编码激光束的武器装备模拟器的地理坐标数据，计算出编码激光束在地理坐标系中的角度；

4)控制部件将激光接收器相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度数据、相对于地球地磁场正北的角度数据，结合定位模块测量出的可移动物体的地理坐标数据，计算出激光接收器相互垂直的三个轴在地理坐标系中的角度；

5)控制部件将编码激光束在地理坐标系中的角度与激光接收器相互垂直的三个轴在地理坐标系中的角度进行计算，即可得到激光接收器各激光接收窗口的激光入射角度。

6.一种可移动物体的姿态和运动状况测量方法，其特征在于：采用权利要求4所述的激光入射角度测量系统，所述传感器采用九轴传感器，包括如下步骤：

1)控制部件根据可移动物体各种姿态特征和运动特征与各关节或活动部件相对于地理坐标系的角度数据和角运动数据的关系，建立可移动物体的姿态和运动模型；

2)控制部件实时获取各激光接收器发送的其相互垂直的三个轴相对于地球重力方向的角度数据、相对于地球地磁场正北的角度数据和三个轴的角运动数据，并其转换到地理坐标系中，实时获取可移动物体的各关节或活动部件相对于地理坐标系的角度数据和角运动数据；

3)控制部件根据定位模块测量出的可移动物体地理坐标，获得可移动物体的运动轨迹；

4)控制部件根据可移动物体的姿态和运动模型，实时计算出可移动物体在地理坐标系中的姿态和运动状况。

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