CN114035186B - 一种目标方位跟踪指示系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种目标方位跟踪指示系统及方法，包括目标定位设备、上位机和瞄准设备，目标定位设备获取目标的位置信息，通过上位机传输至瞄准设备，瞄准设备根据自身的位置信息、目标的位置信息和瞄准设备的目标指向信息，确定目标相对于瞄准设备的角速度，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角，并基于此确定瞄准设备的旋转电机控制策略并使得瞄准设备最终指向并跟随目标，不管目标是在目视范围内还是目视范围以外，均可以准确地跟踪目标并瞄准目标。

Description

一种目标方位跟踪指示系统及方法
技术领域
本发明涉及目标跟踪技术领域，特别是涉及一种目标方位跟踪指示系统及方法。
背景技术
现有技术中用于目标瞄准的便携式设备上没有目标方位指示，无法准确知道所要瞄准的目标的方位，并且在目标距离便携式设备超过500米时，目标在目视范围内中就会变得很小或者超出目视范围，更无法瞄准目标。同时，现有瞄准手段在应对移动目标时，特别是应对无规律运动的目标时，其瞄准效果较差，很难兼顾对准与跟随。
发明内容
本发明的目的是提供一种目标方位跟踪指示系统及方法，以实现目标的准确跟踪。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种目标方位跟踪指示系统，系统包括：目标定位设备、上位机和瞄准设备；
所述目标定位设备与所述上位机连接，所述目标定位设备用于获取目标的位置信息，并将所述目标的位置信息传输至所述上位机；
所述瞄准设备与所述上位机连接；所述上位机用于将所述目标的位置信息传输至所述瞄准设备；所述瞄准设备用于根据自身的位置信息、所述目标的位置信息和瞄准设备的目标指向信息，确定目标相对于瞄准设备的角速度，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角，并基于此确定瞄准设备的旋转电机控制策略并使得瞄准设备最终指向并跟随目标。
优选地，所述瞄准设备上设置有GPS定位系统、单片机和电子罗盘；
所述GPS定位系统与所述单片机连接，用于获取瞄准设备自身的位置信息，并将所述自身的位置信息传输至所述单片机；
所述电子罗盘与所述单片机连接，用于获取瞄准设备的目标指向信息，并将所述瞄准设备的目标指向信息传输至所述单片机；
所述单片机还与所述上位机连接，所述单片机用于接收上位机传输的目标的位置信息，并根据所述自身的位置信息、所述目标的位置信息和瞄准设备的目标指向信息，确定目标相对于瞄准设备的角速度，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角，并在此基础上构建旋转电机控制数据库，并根据采集的数据进行关联性训练，得到旋转电机控制模型，并将该模型存储至单片机中，最后通过该模型分析目标与瞄准设备的相对运动关系，并确定瞄准设备的旋转电机控制策略，使得瞄准设备最终指向并跟随目标
优选地，所述单片机还用于对所述自身的位置信息进行降噪处理。
优选地，所述瞄准设备还包括：显示屏，其与所述单片机连接，用于显示所述单片机确定的目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角的变化过程。
优选地，所述瞄准设备为多个；多个所述瞄准设备均与所述上位机连接，所述上位机用于获取多个所述瞄准设备自身的位置信息，根据所述目标的位置信息，选取距离所述目标最近的一个瞄准设备，并将所述目标的位置信息传输至距离所述目标最近的一个瞄准设备。
优选地，所述目标定位设备为雷达或光电跟踪设备。
本发明还涉及一种目标方位跟踪指示方法，所述方法包括：
S1、获取瞄准设备自身的位置信息、目标的位置信息，将上述信息转换为投影坐标系下的二维坐标，并获得瞄准设备的目标指向信息；
S2、根据瞄准设备自身的位置信息和目标的初始位置信息，确定目标相对于瞄准设备的初始目标方位，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角；
S3、根据目标的位置信息的变化，确定目标相对于瞄准设备的角速度；
S4、建立旋转电机控制数据库，对旋转电机控制过程进行训练，构建旋转电机控制模型；
S5、通过旋转电机控制模型分析目标与瞄准设备的相对运动关系，并基于该模型确定相应的旋转电机控制策略，使得瞄准设备最终指向并跟随目标。
根据本发明提供的技术方案，本发明实现了以下技术效果：
本发明提供了一种目标方位跟踪指示系统及方法，通过对于目标和瞄准设备的位置和方向信息进行采集，进而转化为用于控制瞄准设备旋转的基本参数，并基于此建立旋转电机控制模型。在实际控制中通过该模型可以分析目标与瞄准设备的相对运动关系，并快速确定瞄准设备的旋转电机控制策略，不管目标是在目视范围内还是目视范围以外，均可以准确地跟踪目标并瞄准目标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种目标方位跟踪指示系统的结构图；
图2为本发明提供的一种目标方位跟踪指示方法的流程图；
图3为本发明提供的目标相对于瞄准设备的方位计算原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种目标方位跟踪指示系统及方法，以实现目标的准确跟踪。
如图1所示，一种目标方位跟踪指示系统，系统包括：目标定位设备、上位机和瞄准设备。
目标定位设备与上位机连接，目标定位设备用于获取目标的位置信息，并将目标的位置信息传输至上位机；
瞄准设备与上位机连接，上位机用于将目标的位置信息通过4g网络传输至瞄准设备；瞄准设备用于根据自身的位置信息、目标的位置信息和瞄准设备的目标指向信息，确定目标相对于瞄准设备的角速度，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角，并基于此确定瞄准设备的旋转电机控制策略并使得瞄准设备最终指向并跟随目标。
瞄准设备上设置有GPS定位系统、单片机和电子罗盘。
GPS定位系统与单片机连接，GPS定位系统用于获取瞄准设备自身的位置信息，并将自身的位置信息传输至单片机；
电子罗盘与单片机连接，电子罗盘用于获取瞄准设备的目标指向信息，并将瞄准设备的目标指向信息传输至单片机；
单片机还与上位机连接，单片机用于接收上位机传输的目标的位置信息，并根据自身的位置信息、目标的位置信息和瞄准设备的目标指向信息，确定目标相对于瞄准设备的角速度，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角。在此基础上构建旋转电机控制数据库，并针对不同的瞄准用时t，采取不同的瞄准设备的旋转加速度α，将采集到的数据进行标签化，根据采集的数据通过算法进行关联性训练，得到旋转电机控制模型，并将该模型存储至单片机中。最后通过该模型分析目标与瞄准设备的相对运动关系，并确定瞄准设备的旋转电机控制策略，使得瞄准设备最终指向并跟随目标。
瞄准设备还包括：显示屏，显示屏与单片机连接，用于显示单片机确定的目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角的变化过程。
单片机还用于对自身的位置信息进行降噪处理，使得在设备操作屏幕(显示屏)上可以实时显示设备与目标之间的夹角关系，让使用者更好的知晓瞄准设备与目视以外的目标物的对准关系。
除噪处理的算法为：对通过电子罗盘采集的自身方位数据进行实时检测和对比，过滤掉15°/s以上的动作信息，保证屏显的流畅性、增大抗干扰能力。
瞄准设备为多个时，多个瞄准设备均与上位机连接，上位机用于获取多个瞄准设备自身的位置信息，根据目标的位置信息，选取距离目标最近的一个瞄准设备，并将目标的位置信息传输至距离目标最近的一个瞄准设备。
图1中，瞄准设备还将各自设备的工作状态传输至上位机，上位机从设备工作状态处于工作的多个瞄准设备中选取其中一个。
图1中的显控操作系统属于上位机中的系统，显控操作系统用于在地图中显示目标的位置。
优选地，目标定位设备为雷达或光电跟踪设备。
本发明还提供了一种目标方位跟踪指示方法，如图2所示，该方法包括：
S1，获取瞄准设备自身的位置信息、目标的位置信息，将上述信息转换为投影坐标系下的二维坐标，并获得瞄准设备的目标指向信息。
通过目标定位设备获取目标的位置信息，并将其传输至上位机，上位机将目标的位置信息通过4g网络传输至瞄准设备的单片机；瞄准设备上的GPS定位系统用于获取瞄准设备自身的位置信息，并将自身的位置信息传输至单片机；单片机将瞄准设备自身的位置信息和目标的位置信息转换为投影坐标系下的二维坐标；瞄准设备上的电子罗盘用于获取瞄准设备的目标指向信息，并将瞄准设备的目标指向信息传输至单片机。
S2，根据瞄准设备自身的位置信息和目标的初始位置信息，确定目标相对于瞄准设备的初始目标方位，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角，具体包括：
根据瞄准设备自身的位置信息和目标的初始位置信息，确定目标相对于瞄准设备的初始目标方位β0，
β0＝90-arctan[((Y0-Ys))/((X0-Xs))](1)
其中，(Xs,Ys)为瞄准设备自身的位置坐标,(X0,Y0)为目标的初始位置坐标。
根据初始目标方位和瞄准设备的目标指向信息，确定初始目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角γ，
γ＝γ1-β0 (2)
其中，γ1为瞄准设备的目标指向角度，其是由电子罗盘获取的瞄准设备在北偏东方向的角度。
当γ>0时，说明瞄准设备的目标指向相对于目标偏右；当γ<0时，说明瞄准设备的目标指向相对于目标偏左；当γ＝0时，说明瞄准设备的目标指向正好正对着目标初始位置。
S3，根据目标的位置信息的变化，确定目标相对于瞄准设备的角速度。
由于目标有可能是移动的，所以其位置信息也可能是实时变化的。在时间间隔dt后，即t1时刻，重复获得目标的位置信息，并将其传输至上位机，上位机将目标的位置信息通过4g网络传输至瞄准设备的单片机，单片机基于上述数据计算目标相对于瞄准设备的角速度ωt，
Figure BDA0003307294580000061
其中，β1为t1时刻目标相对于瞄准设备的方向角，(X1,Y1)为目标t1时刻的位置坐标；通过该计算可以表征本时刻与上一时刻之间目标相对于瞄准设备的角速度ωt。
当ωt>0时，说明目标相对于瞄准设备顺时针旋转；当ωt<0时，说明目标相对于瞄准设备逆时针旋转；当ωt＝0时，说明目标相对于瞄准设备不旋转。
重复获取目标信息的间隔时间dt越短，则采集频率越高，当dt足够小时，则可以得到目标相对于瞄准设备的角速度ωt的实时变化数据，优选将其采集频率设置为10Hz。
S4，建立旋转电机控制数据库，对旋转电机控制过程进行训练，构建旋转电机控制模型。
对移动目标的瞄准过程其实分为两部分，分别是趋近和跟随，趋近是指使得目标方位和瞄准设备的目标指向的相对夹角趋近于0，即瞄准设备正好指向目标；而跟随是指使得瞄准设备与移动目标的转动角速度相同，保证对目标的跟踪。虽然瞄准过程分为两个部分，但是其实理想状态下两个过程是同时完成的。
对于趋近过程，
θ＝(ωs-ωt)·t (4)
其中，ω2为瞄准设备的转动角速度，而ωt为目标绕瞄准设备转动的角速度，t为瞄准用时；
对于跟随过程，
ωt＝α·t (5)
其中，α为瞄准设备的旋转加速度，t为瞄准用时；
通过上述公式(4)和(5)，单片机可以基于目标绕瞄准设备转动的角速度ωt，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角γ，通过对理想的瞄准用时t的设置，而得到瞄准设备的旋转加速度α，进而控制旋转电机达到预定的角速度。下面选取一种情况为例说明瞄准设备的旋转加速度α如何对旋转电机进行控制。
假设目标处于初始位置时，瞄准设备并不旋转。则当γ>0时，瞄准设备需要逆时针旋转，此时，假设目标绕瞄准设备转动的角速度ωt＝0时，不需要对瞄准设备的旋转进行补偿，单片机按照预设的程序对瞄准设备的旋转进行控制，经历加速-减速-停止的过程，直至其对准目标。
如果目标自身的ω>0，说明目标相对于瞄准设备的目标指向在相对运动，此时单片机根据目标绕瞄准设备转动的角速度ωt对于瞄准设备的旋转角速度进行补偿，此时的瞄准设备的旋转角速度相对于ωt＝0时有所减小，但是为了实现最后的目标跟随，需要为旋转电机提供反向旋转角速度，即瞄准设备的旋转经历加速-减速-停止-反向加速的过程，直至两者对准并保持同样的角速度；
如果目标自身ω<0，说明目标相对于瞄准设备的目标指向在进行逃离，此时单片机根据目标绕瞄准设备转动的角速度ωt对于瞄准设备的旋转角速度进行补偿，此时的瞄准设备的旋转角速度相对ωt＝0时有所增大，但是相对于ω>0的情况，此时无需为旋转电机提供反向旋转角速度，即瞄准设备的旋转仅经历加速-减速的过程，直至两者对准并保持同样的角速度。
实际瞄准控制过程要更加复杂，需要针对参数的实时变化不断调整旋转加速度α，以上仅是举例说明。
在上述理论基础上，采集不同的目标绕瞄准设备转动的角速度ωt，以及不同的目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角γ，建立旋转电机控制数据库。在此基础上，针对不同的瞄准用时t，采取不同的瞄准设备的旋转加速度α，将采集到的数据进行标签化，根据采集的数据通过算法进行关联性训练，得到旋转电机控制模型，并将该模型存储至单片机中。
S5，通过旋转电机控制模型分析目标与瞄准设备的相对运动关系，并基于该模型确定相应的旋转电机控制策略，使得瞄准设备最终指向并跟随目标。
单片机在实际控制过程中，通过对上述基本信息的采集，可以确定目标绕瞄准设备转动的角速度ωt，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角γ，将其带入到旋转电机控制模型中，通过对理想的瞄准用时t的设置，则可以得到瞄准设备的旋转所需要的参数α，进而控制旋转电机，最终使得瞄准设备指向并跟随目标。
本发明的目标定位设备通过获取目标以及瞄准设备本身的基本位置和指向信息，可以自适应调整瞄准设备的旋转电机，对目视范围以外的目标进行准确地跟踪和瞄准。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种目标方位跟踪指示系统，其特征在于，所述系统包括：目标定位设备、上位机和瞄准设备；
所述目标定位设备与所述上位机连接，所述目标定位设备用于获取目标的位置信息，并将所述目标的位置信息传输至所述上位机；
所述瞄准设备与所述上位机连接；所述上位机用于将所述目标的位置信息传输至所述瞄准设备；所述瞄准设备用于根据自身的位置信息、所述目标的位置信息和瞄准设备的目标指向信息，确定目标相对于瞄准设备的角速度，以及目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角，并基于此确定瞄准设备的旋转电机控制策略并使得瞄准设备最终指向并跟随目标；
所述瞄准设备上设置有GPS定位系统、单片机和电子罗盘；
所述GPS定位系统与所述单片机连接，用于获取瞄准设备自身的位置信息，并将所述自身的位置信息传输至所述单片机；
所述电子罗盘与所述单片机连接，用于获取瞄准设备的目标指向信息，并将所述瞄准设备的目标指向信息传输至所述单片机；
所述单片机还与所述上位机连接；
该目标方位跟踪指示系统应用以下方法，其包括：
S1、获取瞄准设备自身的位置信息、目标的位置信息，将上述信息转换为投影坐标系下的二维坐标，并获得瞄准设备的目标指向信息；
S2、根据瞄准设备自身的位置信息和目标的初始位置信息，确定目标相对于瞄准设备的初始目标方位β0，
β0＝90-arctan[((Y0-Ys))/((X0-Xs))]
其中，(Xs,Ys)为瞄准设备自身的位置坐标,(X0,Y0)为目标的初始位置坐标；
根据初始目标方位和瞄准设备的目标指向信息，确定初始目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角γ，
γ＝γ1-β0
其中，γ1为瞄准设备的目标指向角度，其是由电子罗盘获取的瞄准设备在北偏东方向的角度；
S3、在时间间隔dt后，即t1时刻，重复获得目标的位置信息，并将其传输至上位机，上位机将目标的位置信息通过4g网络传输至瞄准设备的单片机，单片机基于上述信息计算目标相对于瞄准设备的角速度ωt，
Figure FDA0003645197790000021
其中，β1为t1时刻目标相对于瞄准设备的方向角，(X1,Y1)为目标t1时刻的位置坐标；通过该计算可以表征本时刻与上一时刻之间目标相对于瞄准设备的角速度ωt；
S4、对移动目标的瞄准过程分为两部分，分别是趋近和跟随，两个部分是同时完成的；
对于趋近过程，
γ＝(ωs-ωt)·t
其中，ωs为瞄准设备的转动角速度，而ωt为目标绕瞄准设备转动的角速度，t为瞄准用时；
对于跟随过程，
ωt＝α·t
其中，α为瞄准设备的旋转加速度，t为瞄准用时；
当目标相对于瞄准设备的目标指向相对运动时，单片机根据目标绕瞄准设备转动的角速度对于瞄准设备的旋转角速度进行补偿，瞄准设备的旋转经历加速-减速-停止-反向加速的过程，直至两者对准并保持同样的角速度；当目标相对于瞄准设备的目标指向进行逃离时，瞄准设备的旋转经历加速-减速的过程，直至两者对准并保持同样的角速度；
基于上述原理，采集不同的目标绕瞄准设备转动的角速度，以及不同的目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角，建立旋转电机控制数据库；在此基础上，针对不同的瞄准用时，采取不同的瞄准设备的旋转加速度，将采集到的数据进行标签化，根据采集的数据通过算法进行关联性训练，得到旋转电机控制模型，并将该模型存储至单片机中；
S5、通过旋转电机控制模型分析目标与瞄准设备的相对运动关系，并基于该模型确定相应的旋转电机控制策略，使得瞄准设备最终指向并跟随目标。
2.根据权利要求1所述的目标方位跟踪指示系统，其特征在于，所述单片机还用于对所述自身的位置信息进行降噪处理。
3.根据权利要求1所述的目标方位跟踪指示系统，其特征在于，所述瞄准设备还包括：显示屏，其与所述单片机连接，用于显示所述单片机确定的目标方位与瞄准设备的目标指向的相对夹角的变化过程。
4.根据权利要求1所述的目标方位跟踪指示系统，其特征在于，所述瞄准设备为多个；
多个所述瞄准设备均与所述上位机连接，所述上位机用于获取多个所述瞄准设备自身的位置信息，根据所述目标的位置信息，选取距离所述目标最近的一个瞄准设备，并将所述目标的位置信息传输至距离所述目标最近的一个瞄准设备。
5.根据权利要求1所述的目标方位跟踪指示系统，其特征在于，所述目标定位设备为雷达或光电跟踪设备。
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