CN114459292A - 一种火控修正用弹道解算系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火控修正用弹道解算系统，具体包括机壳、激光测距单元、实时环境感知单元、信息处理与主控单元、导航按钮单元、电池组件、显示屏和通讯单元；通过实时环境感知单元和激光测距单元同时采集环境数据，基于狙击手与解算系统人机交互和内外弹道运动学模型做火控解算，通过黑箱抽象法规划火控修正一体化软件架构，运用非线性扩展卡尔曼滤波预测和人体射击核心关节动力学模型分析系统偏差，得出白光瞄具的火控修正参数值，辅助轻武器快速进行火力打击。本发明具有原理简单、操作方便、火控修正精度高、解算效率高等优点。

Description

一种火控修正用弹道解算系统

技术领域

本发明主要涉及轻武器火控修正解算技术领域，具体涉及一种火控修正用弹道解算系统。

背景技术

目前枪械瞄具主要以中低端光学瞄准具为主，其中白光瞄具在轻武器中的列装使用占大多数，白光瞄具的列装数量占比相对综合型瞄具数量要多。

白光瞄具使用过程中，需要通过射手现场由弹道公式心算射击相关诸元，再通过射手的个人经验进行判断，然后调整白光瞄具旋钮的修正值进行瞄准射击。但是在复杂外部环境中由于射手体力消耗、精神紧张等生理、心理因素，会造成射手的心算结果与真实值存在偏差。即便结果准确，心算的过程也需要花费不少时间，并且培训一名优秀射手熟练掌握弹道解算公式也需要一定的教学周期。在复杂环境中，合适的击发时机稍纵即逝，留给射手的准备时间会很短暂，以往的心算方式会延误最佳的击发时机，射击精度需要进一步提升。

所以，设计一款用于火控修正超轻型弹道解算仪，对有效降低白光瞄具使用时对射手经验的依赖、减少人为因素的干扰、大幅度提升白光瞄具在轻武器上使用的射击精度和应用场景具有重要意义。

目前，弹道解算设备由于可覆盖轻武器口径少、装备体积重量较大、解算精度不高等缺点，难以适应远距离、多口径轻武器的火控解算需求。而且传统的弹道解算设备没有考虑系统噪声特性、滞后特性和低采样率等造成瞄准线的偏差，可对实时实地环境参数感知的设备较少，针对弹道解算装置野外使用的便携快速测试和可进行误差补偿预测的装备较少。因此，解决野外环境下的多口径轻武器远距离实时快速解算、误差补偿和修正值预测、便携性等问题成为当前国内外研究的关键技术。

传统辅助白光瞄具射击的装置分为输入参数型计算装置、联网式解算装置和配备传感器解算装置三种弹道解算方法为主，具体如下：

输入参数型计算装置：需要狙击手手动输入环境变量然后进行解算，一定程度上加快了射击的速度。但是该方法不能自动获取参数，过程相对繁琐、精度差、效率低；

联网式解算装置：大多需要通过互联网获取城市的平均环境参数值进行解算，不能做到实时实地检测，因轻武器对射击当前的环境参数变量非常敏感，远距离射击时这种方法会造成射击精度降低，且受到互联网的限制，若在野外信号不好地区，会造成装置失灵；

配备传感器解算装置：利用传感器测量环境参数值进行自动解算，并将解算后的参数值显示在OLED显示屏上，该解算方法存在系统噪声特性、滞后特性和低采样率等造成瞄准线的偏差，会对狙击手射击造成一定影响，在远距离射击时这种偏差会累积放大使射击精度下降，且由于构成组件较多，该种解算装置重量体积较大。

综上所述，针对现有的弹道解算装置普遍存在解算精度低、过程繁琐、环境适应性较差等诸多缺陷，亟须一种能够同时兼顾解算精度和解算效率的高精度快速火控修正弹道解算系统。

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问题，本发明提供一种结构简单、解算效率高且准确性高的火控修正用弹道解算系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种火控修正用弹道解算系统，包括机壳、激光测距机、环境感知单元、环境感知电路板、主控电路板、电池组件、显示屏和通讯单元；所述激光测距机包括机芯和镜头，所述机芯位于机壳内部，所述镜头与所述机芯相连且位于机壳的前部；所述显示屏则位于机壳的后部；所述环境感知单元位于所述机壳上，且与所述环境感知电路相连，所述环境感知电路板则与所述主控电路板相连；所述电池组件分别与激光测距机、环境感知单元、环境感知电路板、主控电路板、显示屏和通讯单元相连，用于提供电源；所述环境感知电路板、主控电路板、电池组件和通讯单元均位于所述机壳内。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述环境感知电路板包括信号处理电路、陀螺仪和按键组件，所述信号处理电路安装于机壳顶部；按键组件通过机壳的上盖板的开口暴露在上盖板外面，按键组件上方覆盖一层防水硅胶套，硅胶套用钣金件通过螺钉拧紧在机壳上以实现防水功能；其中按键组件用于进行模式切换和信息输入，以及实现模式自由切换和输入环境参数和轻武器、弹药类型。

所述激光测距机和电池组件分别分布于机壳前部下方两侧；其中电池组件通过电池盖板将电池固定在机壳内部，电池盖板内侧设有导电铜片，通过电气互联实现供电。

所述通讯单元安装于机壳内部的下侧；所述主控电路板安装于机壳内部的中部。

所述通讯单元为蓝牙组件。

还包括手持终端，所述手持终端通过通讯单元与主控电路板通讯相连。

所述手持终端包括智能手机、智能平板或智能穿戴手表中的一种或多种。

所述环境感知单元包括气压传感器、温度传感器或湿度传感器中的一种或多种。

所述机壳的底部设有装夹连接结构。

本发明还公开了一种基于如上所述的火控修正用弹道解算系统的解算方法，包括步骤：

采用刚体与弹性铰链相结合的建模方法，建立人体射击过程动运动学模型，推导人体核心关节间欧拉动力学方程和运动耦合特性；

建立火控修正解算时间补偿的递推关系，在牛顿定律线性标准卡尔曼滤波方法的基础上，采用非线性扩展卡尔曼滤波预测模型对瞄准偏差进行误差补偿；

将人体射击过程的非线性模型离散化为雅可比行列式，推导K+1时刻状态空间的预测方程；

将滤波状态的雅可比行列式泰勒三阶展开，将非线性近似为线性处理，得到人枪协同的非线性EKF滤波预测算法，实现弹道解算。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明能够解决现有白光瞄具严重依赖射手经验、心算时间过长、射击精度偏差较大等问题；可实时感知当前环境参数、测量目标距离、手动输入风速、轻武器类型、弹药类型等，对目标的射击诸元进行快速解算，适用于对狙击步枪、高精度步枪、机枪、狙击榴弹发射器、自动榴弹发射器等多口径、多类型的轻武器进行快速火控解算，根据不同轻武器的外弹道特性和气象条件参数等进行数据分析和修正，获取的修正诸元均显示在OLED屏幕上，辅助射手对各类白光瞄准镜分划的快速调整，解算时间相比人工解算大大缩短，且解算准确性得到有效提升。

本发明的内部结构均采用高密度、轻量型组装装配设计，重量轻；内部接线满足高密度、低功耗电路电气互联设计，功耗低；上述整体结构便于加工、装配和携带，可实现降低白光瞄具对射手经验的依赖，降低人因心理、生理紧张导致计算不准确对射击造成的影响，提升射手使用白光瞄准具的射击精度。

本发明适配多种轻武器类型，可同时满足近距离射击、中距离射击和中远距离射击的使用要求，集数据采集、姿态监控、实时配置、人机交互、辅助决策应用于一体智能火控解算系统，实现基于模块可拓展的智能平台技术；可独立使用，也可以安装在轻武器皮卡导轨上配合白光瞄准镜使用。

附图说明

图1是本发明的系统在实施例的立体结构示意图。

图2是本发明的火控偏差修正和预测算法结构图

图3是本发明的系统在实施例的剖视结构示意图。

图4是本发明的系统在具体应用时的实施例图。

图5是本发明的火控修正一体化软件架构设计图

图6是本发明中的客户端APP软件的显示示意图。

图7是本发明的系统在具体应用时的方框结构图。

图例说明：1、第一网格窗口；2、上盖板；3、按键组件；4、硅胶套；5、开关机键；6、第二网格窗口；7、装夹连接结构；8、镜头；9、电池盖板；10、机壳；11、环境感知电路板；12、机芯；13、环境感知单元；14、主控电路板；15、电池组件；16、显示屏；17、后盖板；18、蓝牙组件；19、陀螺仪；20、智能手机；21、智能穿戴手表；22、客户端界面普通模式；23、客户端界面消影模式；24、人机交互端；25、内部工作模块；26、外设工作模块；27、开关机键内部机芯。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1和图3所示，本发明实施例的火控修正用弹道解算系统，包括机壳10、激光测距机、环境感知单元13、环境感知电路板11、主控电路板14、电池组件15、显示屏16和通讯单元；激光测距机包括机芯12和镜头8，机芯12位于机壳10内部，镜头8与机芯12相连且位于机壳10的前部；显示屏16则位于机壳10的后部；环境感知单元13位于机壳10上，且与环境感知电路板11相连，环境感知电路板11则与主控电路板14相连，用于采集环境气压、湿度、温度等环境参数并发送至主控电路板14；电池组件15分别与激光测距机、环境感知单元13、环境感知电路板11、主控电路板14、显示屏16和通讯单元相连，用于提供电源；环境感知电路板11、主控电路板14、电池组件15和通讯单元均位于机壳10内。具体地，机壳10起到保护、支撑和美观的作用；显示屏16为OLED显示屏，可显示当前环境参数值、武器和弹药选择菜单、火控修正结果；激光测距机镜头8裸露在机壳10前部，可实现激光测距并将测距值传输至主控电路板14处理。上述系统能实时快速地获取当下环境的射击参数，并立即给出白光瞄具的修正结果，可适配多种型号轻武器，在火控修正解算领域具有良好的发展前景。

在一具体实施例中，环境感知电路板11由信号处理电路、陀螺仪19和按键组件3构成。信号处理电路安装于机壳10顶部；按键组件3通过上盖板2方孔暴露在上盖板2外面，按键组件3上方覆盖一层防水硅胶套4，硅胶套4用钣金件通过螺钉拧紧在机壳10上以实现防水功能，按键组件3便于射手进行模式切换和信息输入；通过按键可实现模式自由切换和输入环境参数和轻武器、弹药等类型，机壳10侧面的电源按钮用于开关机。

在一具体实施例中，在机壳10的下方安装有装夹连接结构7，装夹连接结构7顶部通过螺钉与机壳10紧固，机壳10可以通过装夹连接结构7连接到轻武器的皮卡导轨上。

在一具体实施例中，环境感知单元13包括气压传感器、湿度传感器和温度传感器，安装在机壳10内部前端，且通过前端的第一网格窗口1感知外部环境。

如图4所示，在一具体实施例中，还包括手持终端，手持终端包括智能手机20、智能平板、智能穿戴手表21、18650电池充电器等，手持终端通过通讯单元(如蓝牙组件18)与主控电路板14通讯相连，可在穿戴设备、手持设备上实时显示环境参数和解算结果，也具备离线进行单独解算功能。其中蓝牙组件18安装于机壳10内部的下侧；主控电路板14安装于机壳10内部的中部。本发明具备手持设备和可穿戴设备，满足解算仪与智能手机20/平板、智能手表之间数据链通信正常工作，可在穿戴设备、手持设备上实时显示解算仪环境感知参数和修正解算结果，也具备离线单独解算功能，如图6所示。

在一具体实施例中，激光测距机和电池组件15分别分布于机壳10内部下方两侧的内壁。电池组件15通过电池盖板9将电池固定在机壳10内部，电池盖板9内侧有导电铜片，通过电气互联给主控电路板14、环境感知电路板11和各传感器供电。其中机壳10内部各电气件接线采用耐高温聚四氟乙烯绕包线，内部接线满足高密度、低功耗电路电气互联。

在一具体实施例中，激光测距机测距范围50m-1500m，激光波长0.905±0.025μm，测距精度2m，准测率>95％，测距光轴与瞄具零位一致性<0.1mil；OLED显示屏16用于显示交互界面和射击修正诸元；环境参数测量，包含气压、温度、湿度、枪身姿态、目标距离等；气压测量分辨率3Pa，范围260—1260kPa；气温测量分辨率0.01℃，范围-40℃-85℃；相对湿度测量精度3％，测量范围0-100％；蓝牙连接功能，能通过平板、手机、手表等手持终端或穿戴设备进行实时数据交互、显示和记录。

在一具体实施例中，本系统最长连续工作时间为3.5小时，由一节18650电池(3.7V)供电；内部均为高密度、轻量型组装装配，在满足正常功能的基础上大幅度减轻重量，在包括18650电池且安装装夹连结结构后，整体重量仅为394.2克；上述系统已做高、低温条件下环境模拟实验，分别在高温50℃环境下和低温-20℃环境下正常运行30分钟；整体结构已做防摔抗冲击实验，在15cm高度、地面为瓷砖或木质地板条件下做自由落体，落下后整体完好可以正常运行。

本发明能够解决现有白光瞄具严重依赖射手经验、心算时间过长、射击精度偏差较大等问题；可实时感知当前环境参数、测量目标距离、手动输入风速、轻武器类型、弹药类型等，对目标的射击诸元进行快速解算，适用于对狙击步枪、高精度步枪、机枪、狙击榴弹发射器、自动榴弹发射器等多口径、多类型的轻武器进行快速火控解算，根据不同轻武器的外弹道特性和气象条件参数等进行数据分析和修正，获取的修正诸元均显示在OLED屏幕上，辅助射手对各类白光瞄准镜分划的快速调整，解算时间相比人工解算大大缩短，且解算准确性得到有效提升。

本发明的内部结构均采用高密度、轻量型组装装配设计，重量轻；内部接线满足高密度、低功耗电路电气互联设计，功耗低；上述整体结构便于加工、装配和携带，可实现降低白光瞄具对射手经验的依赖，降低人因心理、生理紧张导致计算不准确对射击造成的影响，提升射手使用白光瞄准具的射击精度。

本发明适配多种轻武器类型，可同时满足近距离射击、中距离射击和中远距离射击的使用要求，集数据采集、姿态监控、实时配置、人机交互、辅助决策应用于一体智能火控解算系统，实现基于模块可拓展的智能平台技术；可独立使用，也可以安装在轻武器皮卡导轨上配合白光瞄准镜使用。

如图2所示，本发明实施例还提供了一种基于如上所述的火控修正用弹道解算系统的解算方法，具体为：

针对人枪相互作用影响狙击手射击精度的问题，分析轻武器卧姿有依托射击的动作特点，采用刚体与弹性铰链相结合的建模方法，建立人体射击过程动运动学模型，推导人体核心关节间欧拉动力学方程和运动耦合特性，为火控修正提供理论依据；

针对系统存在的噪声特性、滞后特性和低采样率等造成瞄准线的偏差，建立火控修正解算时间补偿的递推关系，在牛顿定律线性标准卡尔曼滤波方法的基础上，采用非线性扩展卡尔曼滤波预测模型对OLED显示屏测量滞后、击发装置延迟和传感器噪声三类误差造成的瞄准偏差进行误差补偿；

将人体射击过程的非线性模型离散化为雅可比行列式，推导K+1时刻状态空间的预测方程；

最后将滤波状态的雅可比行列式泰勒三阶展开，将非线性近似为线性处理，得到人枪协同的非线性EKF滤波预测算法，实现弹道的解算。

如图5所示，在设计火控修正一体化软件架构时，利用黑箱抽象顶层设计法归纳系统输入变量和输出变量，以参数获取、诸元解算、类型选择、数值输入四项核心功能为主要触发事件展开外围设计，分功能分别规划为温度测量、气压测量、温度测量、俯仰姿态、横滚姿态、测距、风速、风向、轻武器类型、弹型十个输入型子项，以及瞄线X和瞄线Y两个输出型子项，其中十二个分功能之间、分功能和四项核心功能之间可通过导航按钮单元实现系统状态转换，实现了火控修正弹道解算系统快速地、实时地感知环境参数和弹道解算修正，并且立即得出白光瞄具的修正值。

本发明通过实时环境感知单元13和激光测距机同时采集环境参数数据，基于狙击手与解算系统人机交互和内外弹道运动学模型做火控解算，通过黑箱抽象顶层设计法设计火控修正一体化软件架构和系统功能状态转换，运用非线性扩展卡尔曼滤波预测和人体射击运动核心关节动力学模型分析系统噪声特性、滞后特性和低采样率等造成瞄准线的偏差，得出白光瞄具的火控修正参数值，辅助轻武器快速进行火力打击。本发明具有原理简单、操作方便、火控修正精度高、解算效率高等优点。

使用方法如下：打开电源，火控仪显示启动界面，紧接着进入主菜单界面；

按照主菜单提示，可以通过左右按键进入参数界面和解算界面；

参数界面主要由自动检测参数、手动检测参数以及手动输入参数三部分组成，各部分之间可以通过上下键完成切换；

自动检测参数由解算仪自动实时获取，之后会自动参与解算仪的解算工作，无需人工干涉。手动检测参数则需要手动检测火控仪与目标物的距离后才会参与解算仪的解算工作(火控仪的测距机对准目标物时，按下确定键，此时如果在OLED显示屏16“距离”所在的行后面出现一个小对号，则表示完成测距)。手动输入参数则需要手动输入相关参数后参与解算工作，当某项参数输入完成后，在相应位置就会出现小对号，表示该项参数已完成输入；

当完整的输入火控仪解算所需的参数后，从主菜单界面进入解算界面，即可显示解算仪所解算的结果；

当火控解算仪完成一次测距任务后，在未进入解算界面前，将一直显示此次测距的结果；

火控解算仪在每次重新启动后，都需要重新输入相关参数；

在输入风向参数时，枪口以左表示风从左往右吹，枪口以右则表示风从右往左吹。

其中智能手持设备使用方法：打开手机或平板，在设置中开启蓝牙，并在手机中找到射击助手客户端APP软件；

由于该APP具有离线解算模式和在线显示模式，点击进入射击助手后，APP功能界面有两种选项：第一，点击该页面右上角扳手形状的按钮，即可进入离线解算模式，此时输入解算参数并点击解算按钮，即可完成离线解算工作；第二，找到解算仪蓝牙名称并点击该名称，即可进入在线显示模式，该模式下可将解算仪检测、输入的参数以及其计算的结果在手机端进行显示；

其中智能穿戴手表21使用方法：打开智能手表并开启蓝牙；

按下智能手表右侧的按钮，进入智能手表应用程序目录。在目录中找到射击助手APP软件并点击，即可进入蓝牙连接界面；

在该界面找到解算仪蓝牙名称并点击(如果未找到，即可点检搜索按钮，进行查找)，则可将解算仪检测、输入的参数以及其计算的结果在智能手表端进行显示；

本发明可测量高反射率的目标(例如高速公路路牌)，中反射率目标(例如建筑物墙面)，低反射率目标(例如树木、高尔夫旗杆、动物等)；当反射率降到一定程度后，量程会相应减小。在测量远距目标时，使用三脚架或其他装置进行固定，以减少测量过程中的抖动，从而获得更好的测量效果。

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 (10)

1.一种火控修正用弹道解算系统，其特征在于，包括机壳(10)、激光测距机、环境感知单元(13)、环境感知电路板(11)、主控电路板(14)、电池组件(15)、显示屏(16)和通讯单元；所述激光测距机包括机芯(12)和镜头(8)，所述机芯(12)位于机壳(10)内部，所述镜头(8)与所述机芯(12)相连且位于机壳(10)的前部；所述显示屏(16)则位于机壳(10)的后部；所述环境感知单元(13)位于所述机壳(10)上，且与所述环境感知电路相连，所述环境感知电路板(11)则与所述主控电路板(14)相连；所述电池组件(15)分别与激光测距机、环境感知单元(13)、环境感知电路板(11)、主控电路板(14)、显示屏(16)和通讯单元相连，用于提供电源；所述环境感知电路板(11)、主控电路板(14)、电池组件(15)和通讯单元均位于所述机壳(10)内。

2.根据权利要求1所述的火控修正用弹道解算系统，其特征在于，所述环境感知电路板(11)包括信号处理电路、陀螺仪(19)和按键组件(3)，所述信号处理电路安装于机壳(10)顶部；按键组件(3)通过机壳(10)的上盖板(2)的开口暴露在上盖板(2)外面，按键组件(3)上方覆盖一层防水硅胶套(4)，硅胶套(4)用钣金件通过螺钉拧紧在机壳(10)上以实现防水功能；其中按键组件(3)用于进行模式切换和信息输入，以及实现模式自由切换和输入环境参数和轻武器、弹药类型。

3.根据权利要求1所述的火控修正用弹道解算系统，其特征在于，所述激光测距机和电池组件(15)分别分布于机壳(10)前部下方两侧；其中电池组件(15)通过电池盖板(9)将电池固定在机壳(10)内部，电池盖板(9)内侧设有导电铜片，通过电气互联实现供电。

4.根据权利要求1或2或3所述的火控修正用弹道解算系统，其特征在于，所述通讯单元安装于机壳(10)内部的下侧；所述主控电路板(14)安装于机壳(10)内部的中部。

5.根据权利要求1或2或3所述的火控修正用弹道解算系统，其特征在于，所述通讯单元为蓝牙组件(18)。

6.根据权利要求1或2或3所述的火控修正用弹道解算系统，其特征在于，还包括手持终端，所述手持终端通过通讯单元与主控电路板(14)通讯相连。

7.根据权利要求6所述的火控修正用弹道解算系统，其特征在于，所述手持终端包括智能手机(20)、智能平板或智能穿戴手表(21)中的一种或多种。

8.根据权利要求1或2或3所述的火控修正用弹道解算系统，其特征在于，所述环境感知单元(13)包括气压传感器、温度传感器或湿度传感器中的一种或多种。

9.根据权利要求1或2或3所述的火控修正用弹道解算系统，其特征在于，所述机壳(10)的底部设有装夹连接结构(7)。

10.一种基于权利要求1～9中任意一项所述的火控修正用弹道解算系统的解算方法，其特征在于，包括步骤：

采用刚体与弹性铰链相结合的建模方法，建立人体射击过程动运动学模型，推导人体核心关节间欧拉动力学方程和运动耦合特性；

建立火控修正解算时间补偿的递推关系，在牛顿定律线性标准卡尔曼滤波方法的基础上，采用非线性扩展卡尔曼滤波预测模型对瞄准偏差进行误差补偿；

将人体射击过程的非线性模型离散化为雅可比行列式，推导K+1时刻状态空间的预测方程；

将滤波状态的雅可比行列式泰勒三阶展开，将非线性近似为线性处理，得到人枪协同的非线性EKF滤波预测算法，实现弹道解算。

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