CN114593635A - 一种智能化榴弹发射器瞄准装置 - Google Patents

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周浩
李知麟
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Abstract

本发明提供一种智能化榴弹发射器瞄准装置，技术方案是核心的智能化瞄准系统，包括激光测距模块、方位角测量模块、弹道解算模块、控制开关模块与指示灯阵模块。控制开关模块通过标定按钮，控制激光测距模块与方位角测量模块工作，并将测得信息发给弹道解算模块，通过给定的榴弹参数解算是否能被击中以及对应射角的范围，使用龙泽‑库塔法自启动，亚当姆斯预报矫正法计算后续弹道，求得外弹道微分方程的数值解，并通过二分法得出击中目标对应的射角，最终通过指示灯阵模块来指示士兵进行激发动作，使榴弹准确命中目标。

Description

一种智能化榴弹发射器瞄准装置
技术领域
本发明涉及榴弹发射领域，具体涉及榴弹发射器的辅助瞄准装置。
背景技术
这个组件初步名称为智能化榴弹发射器瞄准装置，是指通过智能计算来指示士兵精准命中目标。当前我国的榴弹发射器(以10式为例)配备有机械瞄准镜和白光瞄准镜两种瞄具，但这两种瞄具均不具备测距功能，士兵需要根据经验或通过其他设备测距，并手动调整表尺至对应刻度进行瞄准。这种瞄准方式需要时间长，且瞄准精度低；在山地等复杂地形中及夜晚环境下更是难以发挥作用。虽然目前我军已在狙击榴、自动榴弹发射器等大型特种作战武器中装备了具有弹道解算功能的测瞄一体瞄准镜，但由于成本问题，大多数榴弹发射器无法完成升级换装。本发明针对枪挂式榴弹发射器的升级问题提出一种低成本、智能化的瞄准辅助装置，通过结合激光测距模块、方位角测量模块、弹道解算模块、控制开关模块与指示模块，将集成测距、弹道解算、瞄准辅助等功能集于一体，不仅可以降低成本，还能实现对现有低精度瞄准装置大规模换装，提升作战效能，显著提高榴弹发射器的发射效率与命中精度。如果能够正式投入使用，将在短时间内大幅提高我军榴弹作战装备的作战效能，具有极大的应用前景。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种智能化榴弹发射器瞄准装置，本发明的技术方案是核心的智能化瞄准系统，包括激光测距模块、方位角测量模块、弹道解算模块、控制开关模块与指示灯阵模块。控制开关模块通过标定按钮，控制激光测距模块与方位角测量模块工作，并将测得信息发给弹道解算模块，通过给定的榴弹参数解算是否能被击中以及对应射角的范围，使用龙泽-库塔法自启动，亚当姆斯预报矫正法计算后续弹道，求得外弹道微分方程的数值解，并通过二分法得出击中目标对应的射角，最终通过指示灯阵模块来指示士兵进行激发动作，使榴弹准确命中目标。
作为本发明的进一步方案，所述外壳上具有相应的连接机构可以与各种类的榴弹枪连接。
作为本发明的进一步方案，所述外壳内部存在锂电池与稳压模块进行供电，其中锂电池可以拆卸更换与进行充电。
作为本发明的进一步方案，所述激光测距模块位于前部平台上使用螺丝固定。
作为本发明的进一步方案，所述方位角测量模块位于集成PCB板上固定。
作为本发明的进一步方案，所述弹道解算模块为一种可编程的芯片，样机中使用了arduino芯片。
作为本发明的进一步方案，该在使用时具体包括以下步骤：
步骤一：士兵发现目标后，利用枪支本身的瞄准系统即自带的机械式或光学瞄准镜对准目标，然后按下装置的标定按钮，激光测距模块与方位角测量模块工作并记录相应信息。
步骤二：完成目标标定后，弹道解算模块将根据接受的信息迅速进行弹道解算，从而计算出榴弹发射器击中目标所需的方向角等信息。
步骤三：解算完成后，装置中的瞄准辅助指示灯将提示士兵调整枪械的姿态，例如左测指示灯亮代表士兵需要向左调整枪口，士兵根据提示将枪械调整到合适姿态后，中间指示灯亮起，提示士兵进行击发动作，即可使榴弹准确命中目标。
本发明的优点及有益效果在于：不仅可以智能标定目标、解算弹道，利用灯光快速指示士兵在合适姿势击发，一键式设计，使用方便，可以提高战场作战效率和作战精度，而且成本低，易于生产，能通过改装安装座和修改程序参数加装在多种榴弹枪械上，可以较低成本对现有榴弹装备进行大规模升级。
附图说明
图1为本发明一种智能化榴弹发射器瞄准装置整体结构装配示意图。
图2为一种智能化榴弹发射器瞄准装置的壳体内部结构示意图。
图3为一种智能化榴弹发射器瞄准装置的整体三视图。
图中标号说明如下：
1、激光测距模块，2、背面安装板，3、控制模块安装板，4、控制开关模块，5、电池盒，6、电池组，7、电源模块盖板，8、指示灯阵，9、弹道解算模块，10、电源稳压模块，11、瞄准装置壳体，12、遮光罩，13、方位角测量模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
如图1-3所示，一种智能化榴弹发射器瞄准装置，包括瞄准装置壳体11，所述瞄准装置壳体的前端安装有激光测距模块1，后端安装有指示灯阵8与遮光罩12，内部水平放置方位角测量模块13与弹道解算模块9，内部靠前装有电源稳压模块10，侧面装有电池盒5，电池盒内装有电池组6，瞄准装置下部有控制开关模块4。使用者瞄准目标后，通过控制开关模块4标定目标，激光测距模块1与方位角测量模块开始采集数据，并有弹道解算模块进行数据解算，解算完毕后由指示灯阵8指示使用者进行枪械姿态的调整，并完成击发，完成击发后，使用者可通过控制开关模块4停止指示，并开始下一轮标定。使用过程中，装置由电池组6以及电源稳压模块10进行供电；
所述的背面安装板2、控制模块安装板3、电源模块盖板7通过相应尺寸的螺丝或螺栓完成安装，最后的瞄准装置并通过壳体11下端的安装座安装到榴弹发射器或榴弹发射器所在枪械；
所述控制开关模块4包含两个开关，使用者通过枪械瞄准目标后按下开关1可以实现目标的标定，此时激光测距模块1将记录目标与使用者之间的距离，方位角测量模块会记录此时枪械的偏航角和俯仰角，弹道解算模块会根据所述距离及角度信息自动解算出榴弹击中目标所需仰角，之后指示灯阵8将通过不同的灯光组合指示使用者调整枪的姿态。使用者完成射击后，通过按下控制开关模块4中的开关2可以结束指示，此后可以开始下一轮目标标定；
所述指示灯阵8由上下左右中五个灯组成，当上下左右四个灯都为灭，中间灯为亮时，表示枪械已达可击中目标姿态，此时可以击发；左右两灯可指示枪械左右偏转角，左灯亮、右灯灭时表示枪械需要向左偏转，右灯亮、左灯灭表示枪械需要向右偏转，两灯都灭，中间灯亮表示在偏差允许范围内枪械偏转方向已经可以击中目标；上下两灯可指示枪械上下俯仰角，上灯亮、下灯灭时表示枪械需要向上仰起，下灯亮、上灯灭表示枪械需要向下偏转，两灯都灭，中间灯亮表示在偏差允许范围内枪械俯仰角度已经可以击中目标；特别地，五个灯全部亮起时表示此时标定的目标超出射程，无法击中；
所述弹道解算模块可以由标定点的位置信息计算得出击中标定点所需的枪械姿态。本发明通过辅助程序生成两项参数，分别为“最大射角”，和“最大高度表”。
“最大高度表”是一个二维数组，其中每一项中分别存储了“x轴向距离”、“弹道在该距离可达到的最大高度”，以及“弹道达到此高度所需的射角”。对于一个给定的目标点，通过判断其是否低于相应x轴距离下“最大高度表”中的最大高度，判断其能否被击中；对于低于最大高度的目标点，如果该落点对应的高度低于射角为“最大射程所对应的射角”下该距离所达到的高度，那么程序可以在0到“最大射程所对应的射角”之间通过“二分法”求得对应射角；如果该落点对应的高度高于射角为“最大射程所对应的射角”下该距离所达到的高度，那么本发明所设计的算法将在“最大射程所对应的射角”与“最大高度表”中储存的对应距离打出最大高度的射角之间通过“二分法”求得对应射角；
本发明在实际应用过程中，电池采用3节18650可充电锂电池串联，3.7伏，容量7800毫瓦时，指示灯阵模块采用2.2伏发光二极管，方位角测量模块使用MPU6050陀螺仪加速度角度倾斜度传感器IIC/GY-25Z，弹道解算模块使用Mega2560 Pro开发板，激光测距模块使用了PTFS系列代室外型远距离激光雷达测距，工作电压3.3伏，功耗330毫瓦。
在测试中，使用的榴弹枪型号为M320，榴弹的型号为M406高爆弹，规格为40×46毫米，全长99毫米，质量为227克，最大射程400米，初速度为76米每秒。将榴弹视为质点，建立榴弹的外弹道方程。榴弹在飞行中的加速度可以通过以下公式计算：
a＝c×G×H(y)×V
式中c为榴弹的弹道系数，G为空气对弹道的影响，H(y)为空气密度对弹道的影响，使用
Figure BDA0003553482040000061
公式进行计算，式中ρ为榴弹所在高度空气的密度，ρon为标准空气密度。由于枪榴弹弹道中，高度变化引起的空气密度变化极小，可以忽略不计，近似认为H(y)＝1。将榴弹的加速度投影到笛卡尔坐标系下得到榴弹的外弹道微分方程组：
Figure BDA0003553482040000062
Figure BDA0003553482040000063
Figure BDA0003553482040000064
Figure BDA0003553482040000065
Figure BDA0003553482040000066
积分初始条件为：
t＝0
x＝y＝0
Vx＝v0 cosθ0
Vy＝v0 sinθ0
上式中V为榴弹的速度，Vx为榴弹速度在x方向的投影，Vy为榴弹速度在y方向的投影,g为重力加速度，t为榴弹射出后的时间，v0为榴弹射出的初速度，θ0为射角。运行辅助程序1计算榴弹的弹道系数c与空气对弹道的影响系数G，具体的计算公式如下：
Figure BDA0003553482040000071
G＝4.737×10-4Cxon(Ma)V
式中m为榴弹的质量，d为榴弹的直径，V为榴弹在空气中的飞行速度，Cxon(Ma)为低速情况下的影响系数。本示例中，计算得到参数c×H(y)×G＝0.5；
运行辅助程序2得到最大高度表，计算原理为遍历射角从0度到90度得到弹道曲线，将这些曲线的包络线称为极限曲线，极限曲线在程序中对应的射角，x值，y值进行打表得到最大高度表，此处由于表中数据过多，此处不再给出具体的表。辅助程序2还会得到最大射角的值，根据得到的弹道曲线找到一个转折点，当射角在最大射角以下时，射程随射角的增大而增大，大于最大射角后，射程随着射角的增大而减小，本示例中最终计算得到最大射角为38.1608度。
士兵发现斜上方的目标后，利用枪支本身的瞄准系统即自带的机械式或光学瞄准镜对准目标，然后按下装置的开关1，装置上电开始工作，激光测距模块测得士兵与目标之间距离为150米，方位角测量模块测得士兵与目标之间仰角15度。
所述弹道解算装置计算得到目标位于x方向距离144.89米位置，y方向距离38.82米位置，判断该位置位于极限曲线内，可以命中。代入最大射角38.1608度对应弹道曲线在x＝144.89时对应的y值为73.9856，判断目标位于最大射角对应高度以下，因此射角应该在0度到38.1608度之间，此时采用二分法进行计算，令射角为19.0804度。根据以上条件求解榴弹外弹道微分方程的数值解，
取步长h＝0.1s，首先使用龙格库塔法计算出前三点处的加速度f1，f2，f3
，公式如下
Figure BDA0003553482040000081
Figure BDA0003553482040000082
ki1＝hfi(tn，y1n，y2n，...ymn)
Figure BDA0003553482040000083
Figure BDA0003553482040000084
ki4＝hfi(tn+h，y1n+k13，y2n+k23，...ymn+km3)
式中i表示按照求解顺序以步长h进行分割，从前到后的第i个点；yi表示i点处的速度；fi表示i点处的加速度；ki1、ki2、ki3、ki4分别表示第i步中龙格-库塔法计算得出的参数，据此可以进行下一步求解；tn表示进行到第n步的时间。然后使用阿当姆斯预报校正法计算f4，并校核重新计算f4，公式如下：
Figure BDA0003553482040000085
Figure BDA0003553482040000086
迭代计算直到f4的误差足够小，在本示例中取0.01，继续使用阿当姆斯预报校正法向下计算，直到解出击中x＝144.89时对应的y值为23.87305。该值与38.82比较偏小，因此射角应该在19.0804到38.1608之间，令射角为28.6206度再次进行计算比较，不断重复上述的二分法，直到二分法角度精度达到0.5度左右，计算得到的射角为24.1690度。
所述指示灯阵模块根据求得的最终射角，按照一定的允许误差，本示例中取0.25度提示士兵调整枪支方向，例如士兵调整枪械仰角为20度时，向上指示灯点亮，提醒士兵向上抬枪瞄准，士兵调整为30度时，向下指示灯点亮，提醒士兵向下压枪，直到士兵调整枪械仰角到23.91度和24.41度之间，红色指示灯点亮，提醒士兵枪械姿态已经校准，士兵扣动扳机即可击中目标,在本示例中，最终士兵命中位置误差为0.76米，满足了战场精确性的要求。一次射击结束后，士兵按下开关2，电源断电进入待机状态，指示灯阵全部熄灭，瞄准装置结束本次工作。

Claims (10)

1.一种智能化榴弹发射器瞄准装置，其特征在于：包括激光测距模块、方位角测量模块、弹道解算模块、控制开关模块与指示灯阵模块；其中，瞄准装置壳体的前端安装有激光测距模块，后端安装有指示灯阵模块与遮光罩，瞄准装置内部水平放置方位角测量模块与弹道解算模块，内部靠前装有电源稳压模块，侧面装有电池盒，电池盒内装有电池组，瞄准装置下部装有控制开关模块。
2.根据权利要求1所述的一种智能化榴弹发射器瞄准装置，其特征在于：所述方位角测量模块位于集成PCB板上固定；所述弹道解算模块为一种可编程的芯片，使用了arduino芯片。
3.根据权利要求1所述的一种智能化榴弹发射器瞄准装置，其特征在于：所述瞄准装置外壳上具有相应的连接机构能与各种类的榴弹枪连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种智能化榴弹发射器瞄准装置，其特征在于：所述控制开关模块包含两个开关，使用者通过枪械瞄准目标后按下开关A实现目标的标定，此时激光测距模块将记录目标与使用者之间的距离，方位角测量模块会记录此时枪械的偏航角和俯仰角，弹道解算模块会根据所述距离及角度信息自动解算出榴弹击中目标所需仰角，之后指示灯阵将通过不同的灯光组合指示使用者调整枪的姿态；使用者完成射击后，通过按下控制开关模块中的开关B结束指示，此后开始下一轮目标标定。
5.根据权利要求4所述的一种智能化榴弹发射器瞄准装置，其特征在于：控制开关模块通过标定按钮，控制激光测距模块与方位角测量模块工作，并将测得信息发给弹道解算模块，通过给定的榴弹参数解算是否能被击中以及对应射角的范围，使用龙泽-库塔法自启动，亚当姆斯预报矫正法计算后续弹道，求得外弹道微分方程的数值解，并通过二分法得出击中目标对应的射角，最终通过指示灯阵模块来指示士兵进行激发动作，使榴弹准确命中目标。
6.根据权利要求1或5所述的一种智能化榴弹发射器瞄准装置，其特征在于：所述指示灯阵由上下左右中五个灯组成，当上下左右四个灯都为灭，中间灯为亮时，表示枪械已达可击中目标姿态，此时可以击发；左右两灯指示枪械左右偏转角，左灯亮、右灯灭时表示枪械需要向左偏转，右灯亮、左灯灭表示枪械需要向右偏转，两灯都灭，中间灯亮表示在偏差允许范围内枪械偏转方向已经可以击中目标；上下两灯指示枪械上下俯仰角，上灯亮、下灯灭时表示枪械需要向上仰起，下灯亮、上灯灭表示枪械需要向下偏转，两灯都灭，中间灯亮表示在偏差允许范围内枪械俯仰角度已经可以击中目标；五个灯全部亮起时表示此时标定的目标超出射程，无法击中。
7.根据权利要求1或5所述的一种智能化榴弹发射器瞄准装置，其特征在于：所述弹道解算模块由标定点的位置信息计算得出击中标定点所需的枪械姿态；通过辅助程序生成两项参数，分别为“最大射角”，和“最大高度表”；“最大高度表”是一个二维数组，其中每一项中分别存储了“x轴向距离”、“弹道在该距离可达到的最大高度”，以及“弹道达到此高度所需的射角”；对于一个给定的目标点，通过判断其是否低于相应x轴距离下“最大高度表”中的最大高度，判断其能否被击中；对于低于最大高度的目标点，如果该落点对应的高度低于射角为“最大射程所对应的射角”下该距离所达到的高度，那么程序在0到“最大射程所对应的射角”之间通过“二分法”求得对应射角；如果该落点对应的高度高于射角为“最大射程所对应的射角”下该距离所达到的高度，那么所设计的算法将在“最大射程所对应的射角”与“最大高度表”中储存的对应距离打出最大高度的射角之间通过“二分法”求得对应射角。
8.根据权利要求7所述的一种智能化榴弹发射器瞄准装置，其特征在于：
建立榴弹的外弹道方程；榴弹在飞行中的加速度通过以下公式计算：
a＝c×G×H(y)×V
式中c为榴弹的弹道系数，G为空气对弹道的影响，H(y)为空气密度对弹道的影响，使用
Figure FDA0003553482030000031
公式进行计算，式中ρ为榴弹所在高度空气的密度，ρon为标准空气密度；由于枪榴弹弹道中，高度变化引起的空气密度变化极小，忽略不计，近似认为H(y)＝1；将榴弹的加速度投影到笛卡尔坐标系下得到榴弹的外弹道微分方程组：
Figure FDA0003553482030000032
Figure FDA0003553482030000033
Figure FDA0003553482030000034
Figure FDA0003553482030000035
Figure FDA0003553482030000036
积分初始条件为：
t＝0
x＝y＝0
Vx＝v0 cos θ0
Vy＝v0 sin θ0
上式中V为榴弹的速度，Vx为榴弹速度在x方向的投影，Vy为榴弹速度在y方向的投影,g为重力加速度，t为榴弹射出后的时间，v0为榴弹射出的初速度，θ0为射角；运行辅助程序1计算榴弹的弹道系数c与空气对弹道的影响系数G，具体的计算公式如下：
Figure FDA0003553482030000041
G＝4.737×10-4Cxon(Ma)V
式中m为榴弹的质量，d为榴弹的直径，V为榴弹在空气中的飞行速度，Cxon(Ma)为低速情况下的影响系数。
9.根据权利要求1或5所述的一种智能化榴弹发射器瞄准装置，其特征在于：使用龙格-库塔法计算，公式如下：
Figure FDA0003553482030000042
Figure FDA0003553482030000043
ki1＝hfi(tn，y1n，y2n，...ymn)
Figure FDA0003553482030000044
Figure FDA0003553482030000045
ki4＝hfi(tn+h，y1n+k13，y2n+k23，...ymn+km3)
式中i表示按照求解顺序以步长h进行分割，从前到后的第i个点；yi表示i点处的速度；fi表示i点处的加速度；ki1、ki2、ki3、ki4分别表示第i步中龙格-库塔法计算得出的参数，进行下一步求解；tn表示进行到第n步的时间；然后使用阿当姆斯预报校正法计算f4，并校核重新计算f4，公式如下：
Figure FDA0003553482030000046
Figure FDA0003553482030000047
10.一种智能化榴弹发射器瞄准装置的使用方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一：士兵发现目标后，利用枪支本身的瞄准系统即自带的机械式或光学瞄准镜对准目标，然后按下标定按钮，激光测距模块与方位角测量模块工作并记录相应信息；
步骤二：完成目标标定后，弹道解算模块将根据接受的信息迅速进行弹道解算，从而计算出榴弹发射器击中目标所需的方向角信息；
步骤三：解算完成后，装置中的瞄准辅助指示灯将提示士兵调整枪械的姿态，士兵根据提示将枪械调整到合适姿态后，中间指示灯亮起，提示士兵进行击发动作，使榴弹准确命中目标。
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