CN114963898A - 一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统与方法，属于兵器靶场测试领域，单模旋转平台通过偏转驱动组件Ⅰ与无人机底部连接，偏转驱动组件Ⅰ驱动单模旋转平台水平转动；三模旋转平台通过偏转驱动组件Ⅱ与单模旋转平台底部连接，偏转驱动组件Ⅱ驱动三模旋转平台水平转动；单模光学设备设置在单模旋转平台上，三模光学设备设置在三模旋转平台上并能够绕水平轴旋转，控制系统用于接收地面标志物位置信息和多帧频图像信息，并将接收到的信息发送至地面显控系统，地面显控系统对接收到的信息进行处理获得弹丸炸点的位置信息和相对坐标信息。本发明结合测试装置主体的空间位置和姿态信息，以及地面标志物位置信息，测试范围大，测量精度高。

Description

一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统与方法

技术领域

本发明涉及兵器靶场测试领域，具体涉及一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统与方法。

背景技术

随着武器技术的发展，火炮武器射击弹丸在终点弹道落区的空间爆炸位置测试仍然是当前的研究热点。弹丸近炸引信是武器研制中的重要组成部分，弹丸近炸引信爆炸的控制受到射击环境的制约和攻击目标特性影响，使得弹丸近炸引信相对目标的爆炸位置形成一种随机不确定分布，给常规现有的测试方法带来了一定的困难。弹丸近炸引信形成的爆炸位置也是当前对地面目标毁伤效能评估的重要参数，由于弹丸近炸引信爆炸受到目标回波能量的制约，在不同环境中所形成的爆炸位置差异非常大，并且范围广，这也是导致了当前采用以地面固定位置成像原理或探测原理为机理的测试设备存在无法获取大范围测试区域的难题。

现有近炸引信位置的测试手段和方法主要有以地面为平台的被动声阵列测试方法、光电经纬仪测试方法和高速摄像测试方法等。被动声阵列测试方法主要采用声学原理，在地面布置多个声传感器形成平面多元阵列或立体多元阵列的布设结构，利用弹丸引信近炸形成的声信息作为基准，按照弹丸爆炸的声信息传递到地面布设的多元声传感器获得多元声传感器之间的时间差值，并按照声传感器布置的已知参数获得确定的弹丸引信爆炸的空间位置。采用以声传感器为基础的测试方法主要受测试环境的制约，例如：环境中风速、温度、湿度等因素的影响，导致了弹丸爆炸时延误差非常大，对大范围弹丸近炸引信炸点测试需求，声传感器需要布置更多的单元声基阵，由于声基阵数量多，不利于现场布置，并且声基阵传感器数量多使得输出信号之间的容错关系不明晰，很难实现快速对弹丸爆炸信息的处理。

光电经纬仪测试方法主要采用光电经纬仪自身的成像信息与现场地面标志物尺寸相结合的测试手段，以地面标志物的尺寸作为参照，通过光电经纬仪读取弹丸爆炸瞬间的炸点图像信息，获得弹丸爆炸位置的高度参数。在现有文献中也有采用以地面布设高速摄像机捕获弹丸爆炸图像的测试手段，这种方法与光电经纬仪近似，都需要在有效视场范围内放置已知参数的标志物，通过标志物尺寸与弹丸爆炸的成像空间信息计算出炸点的高度。为了获得弹丸爆炸的空间位置，也有采用两台高速摄像机交汇的测试方法获得弹丸爆炸的空间位置。也有文献采用四天幕靶加两个面阵相机的测试方法，计算出弹丸爆炸相对导弹目标的相对位置。这些方法采用光学成像机理受到地面布置的局限性和成像视场有限，所获得的弹丸炸点的区域相对较小，无法满足当前大范围弹丸炸点测试需求。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，包括：

无人机；

单模旋转平台，通过偏转驱动组件I与所述无人机底部连接，所述偏转驱动组件Ⅰ驱动所述单模旋转平台水平转动；

三模旋转平台，通过偏转驱动组件Ⅱ与所述单模旋转平台底部连接，所述偏转驱动组件Ⅱ驱动所述三模旋转平台水平转动；

单模光学设备，设置在所述单模旋转平台上，用于采集其它测试装置主体的位置信息；

三模光学设备，设置在所述三模旋转平台上并能够绕水平轴旋转，用于采集弹丸爆炸瞬间弹丸炸点的多帧频图像信息；

控制系统，用于接收地面标志物位置信息和多帧频图像信息，并将接收到的信息发送至地面显控系统，地面显控系统对接收到的信息进行处理获得弹丸炸点的位置信息和相对坐标信息。

优选地，所述无人机底部设置有转台连接件，所述偏转驱动组件Ⅰ通过减震连接件与所述转台连接件连接。

优选地，所述偏转驱动组件I包括：

单模基座，顶部通过减震连接件与所述转台连接件连接；

单模固定套筒，包括开口朝下的两个单模筒体，上方的所述单模筒体固定在所述单模基座底部，两个所述单模筒体通过螺栓连接，且二者之间具有间隙；

滚动轴承Ⅰ，其内圈与下方的所述单模筒体外圈连接；

环状平台Ⅰ，其内环与所述滚动轴承Ⅰ外圈连接，所述环状平台Ⅰ顶部设置有与所述环状平台Ⅰ同心的单模旋转套筒；所述单模旋转套筒内壁沿周向设置有齿圈Ⅰ，所述单模旋转平台固定在所述环状平台Ⅰ底部；

单模驱动元件，固定在上方的所述单模筒体顶部，其输出轴端部传动连接有与齿轮Ⅰ，所述齿轮Ⅰ穿过两个所述单模筒体之间的间隙并与所述齿圈Ⅰ啮合；

角度编码器Ⅰ，固定在上方的所述单模筒体顶部，其转轴穿过下方的所述单模筒体与所述单模旋转平台连接，所述控制系统接收所述角度编码器Ⅰ的信号，并控制所述单模驱动元件运行。

优选地，所述单模旋转平台的纵截面为矩形框，所述单模光学设备设置在所述单模旋转平台顶板底部，其光学镜头伸出所述单模旋转平台。

优选地，所述偏转驱动组件Ⅱ包括：

三模固定套筒，包括开口朝下的两个三模筒体，上方的所述三模筒体固定在所述单模旋转平台底部，两个所述三模筒体通过螺栓连接，且二者之间具有间隙；

滚动轴承Ⅱ，其内圈与下方的所述三模筒体外圈连接；

环状平台Ⅱ，其内环与所述滚动轴承Ⅱ外圈连接，所述环状平台Ⅱ顶部设置有与所述环状平台Ⅱ同心的三模旋转套筒；所述三模旋转套筒内壁沿周向设置有齿圈Ⅱ，所述三模旋转平台固定在所述环状平台Ⅱ底部；

三模驱动元件，固定在所述上方的所述三模筒体顶部，其输出轴端部传动连接有齿轮Ⅱ，所述齿轮Ⅱ穿过两个所述三模筒体之间的间隙并与所齿圈Ⅱ啮合；

角度编码器Ⅱ，固定在所述上方的所述三模筒体顶部，其转轴穿过下方的所述三模筒体与所述三模旋转平台连接，所述控制系统接收所述角度编码器Ⅱ的信号，并控制所述三模驱动元件运行。

优选地，所述三模旋转平台为倒U型结构，顶部与所述环状平台Ⅱ底部连接；

所述三模光学设备包括设置在所述三模旋转平台内的模块本体及设置在所述模块本体前侧的可见光相机、红外热成像相机、激光测距仪；所述三模旋转平台一侧设置有旋转驱动元件，另一侧设置有角度编码器III；所述旋转驱动元件的输出轴穿过所述三模旋转平台与所述模块本体的一侧连接，所述角度编码器III的转轴穿过所述三模旋转平台与所述模块本体的另一侧连接，所述控制系统接收所述角度编码器III的信号，并控制所述旋转驱动元件运行。

优选地，所述单模旋转平台底部远离所述三模固定套筒设置有限位伸缩杆(电动)，所述环状平台II上远离所述三模旋转套筒开设有与所述限位伸缩杆配合的限位孔，所述控制系统控制所述限位伸缩杆的伸缩。

优选地，所述控制系统包括设置在所述无人机内部的数据采集模块、通信模块及控制模块，所述通信模块用于与地面显控系统通信，所述数据采集模块用于采集所述三模光学设备拍摄的多帧频图像信息，并通过所述通信模块将图像信息传输至地面显控系统；所述控制模块用于接收地面显控系统的指令，调节所述单模光学设备和三模光学设备的位置。

优选地，所述地面标识设备包括设备本体及设置在设备本体内部的GPS模块和设置在设备本体顶部的标志物；所述GPS模块提供地面标识设备在地面的位置信息，所述标志物为所述无人机在空中布置的位置提供参考；基于地面标识设备提供的标志物位置参考信息，通过调整所述测试装置主体在空中的位置，形成覆盖弹丸爆炸范围的测试区域，为获得弹丸炸点的相对坐标信息提供计算依据。

本发明的另一目的在于提供一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统的测试方法，包括以下步骤：

在测试前，将三个测试装置主体(1-A)、(1-B)、(1-C)飞行到空中设定位置和高度，利用通信模块将三个测试装置主体的空间位置信息

及地面标识设备的GPS提供的地面标志物位置信息o_d(x_dQ,y_dQ,z_dQ)传输给地面显控系统；

地面显控系统控制三个测试装置主体，调整三个测试装置主体在x、y和z方向的空间位置，使得三个测试装置主体在y方向的高度相同，并且三个测试装置主体与地面标志物位置分别在x和z方向的距离差绝对值相同；

利用限位伸缩杆将三个测试装置主体的三模旋转平台锁定，地面显控系统向控制模块发送指令，控制单模驱动元件运行实现单模旋转平台与三模旋转平台同步旋转；

地面显控系统再次发送指令，控制模块控制其中两个测试装置主体(1-A)和(1-B)的单模驱动元件运行，使得单模光学设备水平偏转和拍摄同步进行，并通过通信模块将当前水平偏转状态下拍摄的图像信息传输给地面显控系统，直到测试装置主体(1-A)的单模光学设备拍摄的图像信息中测试装置主体(1-B)在视场中心成像，以及测试装置主体(1-B)的单模光学设备拍摄的图像信息中测试装置主体(1-A)在视场中心成像，此时，地面显控系统显示两个测试装置主体(1-A)和(1-B)的单模光学设备偏转角α_SAB和α_SBA；

同样的调整方法，地面显控系统显示两个测试装置主体(1-A)和(1-C)的单模光学设备偏转角α_SAC和α_SCA，两个测试装置主体(1-B)和(1-C)的单模光学设备偏转角α_SBC和α_SCB；

解锁三个测试装置主体的三模旋转平台，地面显控系统控制测试装置主体中的三模光学设备拍摄地面标识设备，使得三模光学设备的姿态角(俯仰角和偏转角)调整和拍摄同步进行，将当前姿态状态下拍摄的图像信息传输给地面显控系统，通过图像处理技术获得地面标识设备的成像信息，直到该成像信息在三个测试装置主体的三模光学设备的视场中心，形成弹丸爆炸范围内的测试区域；此时，地面显控系统给出三模光学设备当前的姿态角，通过角度编码器III可得到三模光学设备的俯仰角

和

结合单模光学设备偏转角和三模光学设备的偏转角，得到三模光学设备的相对偏转角α_AB、α_AC、α_BA、α_BC、α_CA和α_CB；

当弹丸发射后同步触发三个三模光学设备的可见光相机连续拍摄，获得多帧图像信息并给出弹丸爆炸时刻弹丸炸点位置的像素坐标信息(P_A(X_A,Y_A)、P_B(X_B,Y_B)和P_C(X_C,Y_C))；采用测试装置主体(1-A)和(1-B)构建的双目视觉交会系统，建立弹丸炸点位置解算模型如公式(1)所示；同理，采用测试装置主体(1-B)和(1-C)构建的双目视觉交会系统，建立弹丸炸点位置解算模型如公式(2)所示；采用测试装置主体(1-A)和(1-C)构建的双目视觉交会系统，建立弹丸炸点位置解算模型如公式(3)所示，获得弹丸炸点位置；

其中，

f_A、f_B、f_C分别为三个测试装置主体中的三模光学设备的可见光相机的焦距。

结合弹丸炸点位置，建立以地面标识设备为基准弹丸爆炸后弹丸炸点位置信息，如公式(4)-(6)；

其中，(x'_AB,y'_AB,z'_AB)、(x'_BC,y'_BC,z'_BC)、(x'_CA,y'_CA,z'_CA)分别为将测试装置主体(1-A)和(1-B)、测试装置主体(1-B)和(1-C)、测试装置主体(1-A)和(1-C)构建的双目视觉交会系统解算出的弹丸炸点位置转换为以地面标识设备为基准的炸点位置；

采用平均值计算方法确定弹丸炸点的相对坐标信息，如式(7)所示：

本发明提供的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统与方法具有以下有益效果：

(1)本发明采用已搭载多模式光学转台的无人机，形成大范围、大视场的炸点测试，不但解决了单模式光学转台进行测试时无法获得光学成像设备姿态角的问题，而且不受测试地形地貌的影响灵活布置开展测试，使得兵器试验靶场弹丸炸点位置测试灵活，测量结果精度高。

(2)通过偏转驱动组件Ⅰ和偏转驱动组件Ⅱ解决了一般的光学转台在空中进行测试时偏转角难以确定的问题，实现可移动式弹丸炸点位置测试，有利于提高靶场测试的灵活性，解决了兵器试验靶场领域随机性强、分布广的弹丸炸点位置难以精确测试的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统的测试示意图；

图2为本发明的实施例的测试装置主体的结构示意图；

图3为本发明的实施例的单模光学设备偏转装置的结构示意图；

图4为本发明的实施例的单模光学设备偏转装置的局部结构示意图；

图5为本发明的实施例的三模光学设备偏转装置的结构示意图；

图6为本发明的实施例的三模光学设备偏转装置的局部结构示意图；

图7为本发明的实施例的基于无人机的测试装置主体的布置示意图；

图8为本发明的实施例的双目视觉交会测试系统空间几何关系示意图；

图9为本发明的实施例的测试装置主体的姿态角在xoz平面投影的示意图。

附图标记说明：

测试装置主体1、地面标识设备2、地面显控系统3、无人机4、转台连接件5、减震连接件6、单模基座7、单模固定套筒8、三模旋转套筒9、单模驱动元件10、角度编码器Ⅰ11、滚动轴承Ⅰ12、环状平台Ⅰ13、单模旋转平台14、单模光学设备15、光学镜头16、三模固定套筒18、三模驱动元件20、角度编码器Ⅱ21、滚动轴承Ⅱ22、环状平台Ⅱ23、三模旋转平台24、模块本体25、角度编码器Ⅲ26、可见光相机29、红外热成像相机30、激光测距仪31、限位孔32、齿轮Ⅰ33、齿轮Ⅱ34、齿圈Ⅰ35、齿圈Ⅱ36、单模旋转套筒37。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

实施例1

本发明提供了一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，具体如图1至图6所示，包括测试装置主体1、地面标识设备2和无人机4，其中，地面标识设备2内部设有GPS模块和外部设有标志物，GPS模块提供地面标识设备在地面的位置信息，标志物在地面标识设备2顶部，为无人机4在空中布置的位置提供参考，基于地面标识设备提供标志物的位置参考信息，通过调整测试装置主体1在空中的位置，形成覆盖弹丸爆炸范围的测试区域，为获得弹丸炸点的相对坐标信息提供计算依据。测试时地面标识设备2放置在地面上，在测试区域的投影面内。

具体地，如图2所示，测试装置主体1包括单模旋转平台14、三模旋转平台24、单模光学设备15、三模光学设备和控制系统。单模旋转平台14通过偏转驱动组件Ⅰ与无人机4底部连接，偏转驱动组件Ⅰ驱动单模旋转平台14水平转动。三模旋转平台24通过偏转驱动组件Ⅱ与单模旋转平台14底部连接，偏转驱动组件Ⅱ驱动三模旋转平台24水平转动；单模光学设备15设置在单模旋转平台14上，用于采集其它测试装置主体1的位置信息；三模光学设备设置在三模旋转平台24上并能够绕水平轴旋转，用于采集弹丸爆炸瞬间弹丸炸点的多帧频图像信息。

具体地，本实施例中，无人机4底部设置有转台连接件5，偏转驱动组件Ⅰ通过减震连接件6与转台连接件5连接。

具体地，本实施例中，控制系统包括设置在无人机4内部的数据采集模块、通信模块及控制模块，通信模块用于与地面显控系统3通信，数据采集模块用于采集三模光学设备拍摄的多帧频图像信息，并通过通信模块将图像信息传输至地面显控系统3；控制模块用于接收地面显控系统3的指令，调节单模光学设备15和三模光学设备的位置。控制系统用于接收地面标志物位置信息和多帧频图像信息，并将接收到的信息发送至地面显控系统3，地面显控系统3对接收到的信息进行处理获得弹丸炸点的位置信息和相对坐标信息。

测试装置主体1在测试前进行空中布置，利用地面标识设备2形成测试区域，利用通信模块实现地面显控系统3和测试装置主体1的远程空地通信，地面显控系统3可远程操控测试装置主体1；测试时测试装置主体1拍摄多帧频图像信息并传输给地面显控系统3，测试后地面显控系统3对所有图像信息进行处理并给出弹丸炸点的位置信息和相对坐标信息。

进一步地，如图3和图4所示，本实施例中，偏转驱动组件Ⅰ包括单模基座7、单模固定套筒8、单模驱动元件10、角度编码器Ⅰ11、滚动轴承Ⅰ12及环状平台Ⅰ13。

其中，单模基座7顶部通过减震连接件6与转台连接件5连接。单模固定套筒8包括开口朝下的两个单模筒体，上方的单模筒体固定在单模基座7底部，两个单模筒体通过螺栓连接，且二者之间具有间隙。滚动轴承Ⅰ12的内圈与下方的单模筒体外圈连接，环状平台Ⅰ13的内环与滚动轴承Ⅰ12外圈连接，环状平台Ⅰ13顶部设置有与环状平台Ⅰ13同心的单模旋转套筒37；单模旋转套筒37内壁沿周向设置有齿圈Ⅰ35，单模旋转平台14固定在环状平台Ⅰ13底部。单模驱动元件10固定在上方的单模筒体顶部，其输出轴端部传动连接有与齿轮Ⅰ33，齿轮Ⅰ33穿过两个单模筒体之间的间隙并与齿圈Ⅰ35啮合。角度编码器Ⅰ11固定在上方的单模筒体顶部，其转轴穿过下方的单模筒体与单模旋转平台14连接，控制系统接收角度编码器Ⅰ11的信号，并控制单模驱动元件10运行。通过单模驱动元件10带动齿轮Ⅰ33转动，齿轮Ⅰ33与齿圈Ⅰ35啮合带动单模旋转套筒37转动，进而带动环状平台Ⅰ13转动，环状平台Ⅰ13带着单模旋转平台14转动，实现单模光学设备15水平旋转角度的调节，通过角度编码器Ⅰ11检测单模光学设备15的旋转角度。

进一步地，本实施例中，单模旋转平台14的纵截面为矩形框，单模光学设备15设置在单模旋转平台14顶板底部，其光学镜头16伸出单模旋转平台14。

具体地，如图5和图6所示，本实施例中，偏转驱动组件Ⅱ包括三模固定套筒18、三模驱动元件20、角度编码器Ⅱ21、滚动轴承Ⅱ22和环状平台Ⅱ23。

其中，三模固定套筒18包括开口朝下的两个三模筒体，上方的三模筒体固定在单模旋转平台14底部，两个三模筒体通过螺栓连接，且二者之间具有间隙。滚动轴承Ⅱ22的内圈与下方的三模筒体外圈连接，环状平台Ⅱ23的内环与滚动轴承Ⅱ22外圈连接，环状平台Ⅱ23顶部设置有与环状平台Ⅱ23同心的三模旋转套筒9；三模旋转套筒9内壁沿周向设置有齿圈Ⅱ36，三模旋转平台24固定在环状平台Ⅱ23底部。三模驱动元件20固定在上方的三模筒体顶部，其输出轴端部传动连接有齿轮Ⅱ34，齿轮Ⅱ34穿过两个三模筒体之间的间隙并与所齿圈Ⅱ36啮合。角度编码器Ⅱ21固定在上方的三模筒体顶部，其转轴穿过下方的三模筒体与三模旋转平台24连接，控制系统接收角度编码器Ⅱ21的信号，并控制三模驱动元件20运行。通过三模驱动元件20带动齿轮Ⅱ34转动，齿轮Ⅱ34与齿圈Ⅱ36啮合带动三模固定套筒18转动，进而带动环状平台Ⅱ23转动，环状平台Ⅱ23带着三模旋转平台24转动，实现三模光学设备水平旋转角度的调节，通过角度编码器Ⅱ21检测三模光学设备的旋转角度。

具体地，如图2所示，本实施例中，三模旋转平台24为倒U型结构，顶部与环状平台Ⅱ23底部连接。三模光学设备包括设置在三模旋转平台24内的模块本体25及设置在模块本体25前侧的可见光相机29、红外热成像相机30、激光测距仪31；三模旋转平台24一侧设置有旋转驱动元件，另一侧设置有角度编码器Ⅲ26；旋转驱动元件的输出轴穿过三模旋转平台24与模块本体25的一侧连接，角度编码器Ⅲ26的转轴穿过三模旋转平台24与模块本体25的另一侧连接，控制系统接收角度编码器Ⅲ26的信号，并控制旋转驱动元件运行。通过旋转驱动元件带模块本体25垂直转动，并通过角度编码器Ⅲ26检测模块本体25的旋转角度。

具体地，本实施例中，单模旋转平台14底部远离三模固定套筒18设置有限位伸缩杆，本实施例中限位伸缩杆为现有的电动伸缩杆。环状平台Ⅱ23上远离三模旋转套筒9开设有与限位伸缩杆配合的限位孔32，控制系统控制限位伸缩杆的伸缩。当需要锁定测试装置主体1的三模旋转平台24时，电动伸缩杆伸长插入限位孔32内，使得单模旋转平台14与三模旋转平台24同步旋转。

在实际测试时，需要用到三个测试装置主体1，地面显控系统3与测试装置主体1和地面标识设备2实时通信，获取并显示测试整个过程中测试装置主体1在空中布置的的各项参数；在测试前，依据地面标识设备2设有的GPS模块为测试装置主体1在空中布阵提供地面标志物位置参考，并将地面标志物位置信息并传输给地面显控系统3，地面显控系统3结合地面标志物位置操控测试装置主体1，使得三个测试装置主体1形成弹丸爆炸范围内的测试区域；在测试中，已经布阵确定的三个测试装置主体1同步拍摄弹丸爆炸瞬间的多帧图像，并将图像信息传输给地面显控系统3；利用图像处理技术得到弹丸爆炸中心点的像素坐标，结合双目视觉交会测试目标标位置解算模型，计算出弹丸炸点的位置，通过地面标识设备2提供的地面标志物位置，得到弹丸炸点的相对坐标信息。

本发明的另一目的在于提供一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统的测试方法，该测试方法需要用到三个上述测试装置，包括以下步骤：

步骤1、如图1和图7所示，在测试前，将三个测试装置主体(1-A)、(1-B)、(1-C)飞行到空中设定位置和高度，利用通信模块将三个测试装置主体1的空间位置信息

及地面标识设备2的GPS提供的地面标志物位置信息o_d(x_dQ,y_dQ,z_dQ)传输给地面显控系统3。三个测试装置主体(1-A)、(1-B)、(1-C)的无人机分别为图1中的无人机A、无人机B和无人机C。

地面显控系统3控制三个测试装置主体1，调整三个测试装置主体1在x、y和z方向的空间位置，使得三个测试装置主体1在y方向的高度相同，并且三个测试装置主体1与地面标志物位置分别在x和z方向的距离差绝对值相同。

步骤2、基于步骤(1)，利用限位伸缩杆将三个测试装置主体1的三模旋转平台24锁定，地面显控系统3向控制模块发送指令，控制单模驱动元件10运行实现单模旋转平台14与三模旋转平台24同步旋转。

地面显控系统3再次发送指令，控制模块控制其中两个测试装置主体(1-A)和(1-B)的单模驱动元件10运行，使得单模光学设备15水平偏转和拍摄同步进行，并通过通信模块将当前水平偏转状态下拍摄的图像信息传输给地面显控系统3，直到测试装置主体(1-A)的单模光学设备15拍摄的图像信息中测试装置主体(1-B)在视场中心成像，以及测试装置主体(1-B)的单模光学设备15拍摄的图像信息中测试装置主体(1-A)在视场中心成像，此时，地面显控系统3显示两个测试装置主体(1-A)和(1-B)的单模光学设备15偏转角α_SAB和α_SBA。

同样的调整方法，地面显控系统3显示两个测试装置主体(1-A)和(1-C)的单模光学设备15偏转角α_SAC和α_SCA，两个测试装置主体(1-B)和(1-C)的单模光学设备15偏转角α_SBC和α_SCB。

步骤3、解锁三个测试装置主体1的三模旋转平台24，地面显控系统3控制测试装置主体1中的三模光学设备拍摄地面标识设备2，使得三模光学设备的姿态角(俯仰角和偏转角)调整和拍摄同步进行，将当前姿态状态下拍摄的图像信息传输给地面显控系统3，通过图像处理技术获得地面标识设备2的成像信息，直到该成像信息在三个测试装置主体1的三模光学设备的视场中心，形成弹丸爆炸范围内的测试区域；此时，地面显控系统3给出三模光学设备当前的姿态角，通过角度编码器III 26可得到三模光学设备的俯仰角

和

结合单模光学设备15偏转角和三模光学设备的偏转角，如图9所示，得到三模光学设备的相对偏转角α_AB、α_AC、α_BA、α_BC、α_CA和α_CB。

步骤4、当弹丸发射后同步触发三个三模光学设备的可见光相机29连续拍摄，获得多帧图像信息并给出弹丸爆炸时刻弹丸炸点位置的像素坐标信息(P_A(X_A,Y_A)、P_B(X_B,Y_B)和P_C(X_C,Y_C))；采用测试装置主体(1-A)和(1-B)构建的双目视觉交会系统，建立弹丸炸点位置解算模型如公式(1)所示；同理，采用测试装置主体(1-B)和(1-C)构建的双目视觉交会系统，建立弹丸炸点位置解算模型如公式(2)所示；采用测试装置主体(1-A)和(1-C)构建的双目视觉交会系统，建立弹丸炸点位置解算模型如公式(3)所示；其中，按照图8给出的双目视觉交会系统的空间几何关系，建立公式(1)-(3)；

其中，

f_A、f_B、f_C分别为三个测试装置主体1中的三模光学设备的可见光相机29的焦距。

步骤5、结合步骤(4)得到的弹丸炸点位置，建立以地面标识设备为基准弹丸爆炸后炸点位置信息，如公式(4)-(6)；

其中，(x'_AB,y'_AB,z'_AB)、(x'_BC,y'_BC,z'_BC)、(x'_CA,y'_CA,z'_CA)分别为将测试装置主体(1-A)和(1-B)、测试装置主体(1-B)和(1-C)、测试装置主体(1-A)和(1-C)构建的双目视觉交会系统解算出的弹丸炸点位置转换为以地面标识设备为基准的炸点位置。

步骤6、基于步骤(5)，采用平均值计算方法确定弹丸炸点的相对坐标信息，如式(7)所示：

本发明通过地面标识设备提供地面标志物位置信息，以及地面显控系统实时给出测试装置主体的空间位置和姿态信息，按照一定的空间几何关系在空中布置测试装置主体并形成弹丸爆炸范围内的测试区域；通过图像处理技术处理测试装置主体拍摄弹丸爆炸瞬间的多帧频图像信息，结合测试装置主体的空间位置和姿态信息，以及地面标志物位置信息，得到弹丸炸点的位置信息和相对

坐标信息。本发明不受地域限制可灵活布置形成大范围、大视场的弹丸落炸点测试区域，测试结果受人为因素影响少，测试精度高于现有测试技术。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，其特征在于，包括：

无人机(4)；

单模旋转平台(14)，通过偏转驱动组件Ⅰ与所述无人机(4)底部连接，所述偏转驱动组件Ⅰ驱动所述单模旋转平台(14)水平转动；

三模旋转平台(24)，通过偏转驱动组件Ⅱ与所述单模旋转平台(14)底部连接，所述偏转驱动组件Ⅱ驱动所述三模旋转平台(24)水平转动；

单模光学设备(15)，设置在所述单模旋转平台(14)上，用于采集其它测试装置主体(1)的位置信息；

三模光学设备，设置在所述三模旋转平台(24)上并能够绕水平轴旋转，用于采集弹丸爆炸瞬间弹丸炸点的多帧频图像信息；

控制系统，用于接收地面标志物位置信息和多帧频图像信息，并将接收到的信息发送至地面显控系统(3)，地面显控系统(3)对接收到的信息进行处理获得弹丸炸点的位置信息和相对坐标信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，其特征在于，所述无人机(4)底部设置有转台连接件(5)，所述偏转驱动组件Ⅰ通过减震连接件(6)与所述转台连接件(5)连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，其特征在于，所述偏转驱动组件Ⅰ包括：

单模基座(7)，顶部通过减震连接件(6)与所述转台连接件(5)连接；

单模固定套筒(8)，包括开口朝下的两个单模筒体，上方的所述单模筒体固定在所述单模基座(7)底部，两个所述单模筒体通过螺栓连接，且二者之间具有间隙；

滚动轴承Ⅰ(12)，其内圈与下方的所述单模筒体外圈连接；

环状平台Ⅰ(13)，其内环与所述滚动轴承Ⅰ(12)外圈连接，所述环状平台Ⅰ(13)顶部设置有与所述环状平台Ⅰ(13)同心的单模旋转套筒(37)；所述单模旋转套筒(37)内壁沿周向设置有齿圈Ⅰ(35)，所述单模旋转平台(14)固定在所述环状平台Ⅰ(13)底部；

单模驱动元件(10)，固定在上方的所述单模筒体顶部，其输出轴端部传动连接有与齿轮Ⅰ(33)，所述齿轮Ⅰ(33)穿过两个所述单模筒体之间的间隙并与所述齿圈Ⅰ(35)啮合；

角度编码器Ⅰ(11)，固定在上方的所述单模筒体顶部，其转轴穿过下方的所述单模筒体与所述单模旋转平台(14)连接，所述控制系统接收所述角度编码器Ⅰ(11)的信号，并控制所述单模驱动元件(10)运行。

4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，其特征在于，所述单模旋转平台(14)的纵截面为矩形框，所述单模光学设备(15)设置在所述单模旋转平台(14)顶板底部，其光学镜头(16)伸出所述单模旋转平台(14)。

5.根据权利要求4所述的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，其特征在于，所述偏转驱动组件Ⅱ包括：

三模固定套筒(18)，包括开口朝下的两个三模筒体，上方的所述三模筒体固定在所述单模旋转平台(14)底部，两个所述三模筒体通过螺栓连接，且二者之间具有间隙；

滚动轴承Ⅱ(22)，其内圈与下方的所述三模筒体外圈连接；

环状平台Ⅱ(23)，其内环与所述滚动轴承Ⅱ(22)外圈连接，所述环状平台Ⅱ(23)顶部设置有与所述环状平台Ⅱ(23)同心的三模旋转套筒(9)；所述三模旋转套筒(9)内壁沿周向设置有齿圈Ⅱ(36)，所述三模旋转平台(24)固定在所述环状平台Ⅱ(23)底部；

三模驱动元件(20)，固定在所述上方的所述三模筒体顶部，其输出轴端部传动连接有齿轮Ⅱ(34)，所述齿轮Ⅱ(34)穿过两个所述三模筒体之间的间隙并与所齿圈Ⅱ(36)啮合；

角度编码器Ⅱ(21)，固定在所述上方的所述三模筒体顶部，其转轴穿过下方的所述三模筒体与所述三模旋转平台(24)连接，所述控制系统接收所述角度编码器Ⅱ(21)的信号，并控制所述三模驱动元件(20)运行。

6.根据权利要求5所述的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，其特征在于，所述三模旋转平台(24)为倒U型结构，顶部与所述环状平台Ⅱ(23)底部连接；

所述三模光学设备包括设置在所述三模旋转平台(24)内的模块本体(25)及设置在所述模块本体(25)前侧的可见光相机(29)、红外热成像相机(30)、激光测距仪(31)；所述三模旋转平台(24)一侧设置有旋转驱动元件，另一侧设置有角度编码器Ⅲ(26)；所述旋转驱动元件的输出轴穿过所述三模旋转平台(24)与所述模块本体(25)的一侧连接，所述角度编码器Ⅲ(26)的转轴穿过所述三模旋转平台(24)与所述模块本体(25)的另一侧连接，所述控制系统接收所述角度编码器Ⅲ(26)的信号，并控制所述旋转驱动元件运行。

7.根据权利要求6所述的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，其特征在于，所述单模旋转平台(14)底部远离所述三模固定套筒(18)设置有限位伸缩杆，所述环状平台Ⅱ(23)上远离所述三模旋转套筒(9)开设有与所述限位伸缩杆配合的限位孔(32)，所述控制系统控制所述限位伸缩杆的伸缩。

8.根据权利要求7所述的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，其特征在于，所述控制系统包括设置在所述无人机(4)内部的数据采集模块、通信模块及控制模块，所述通信模块用于与地面显控系统(3)通信，所述数据采集模块用于采集所述三模光学设备拍摄的多帧频图像信息，并通过所述通信模块将图像信息传输至地面显控系统(3)；所述控制模块用于接收地面显控系统(3)的指令，调节所述单模光学设备(15)和三模光学设备的位置。

9.根据权利要求8所述的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统，其特征在于，所述地面标识设备(2)包括设备本体及设置在设备本体内部的GPS模块和设置在设备本体顶部的标志物；所述GPS模块提供地面标识设备在地面的位置信息，所述标志物为所述无人机在空中布置的位置提供参考；基于地面标识设备(2)提供的标志物位置参考信息，通过调整所述测试装置主体(1)在空中的位置，形成覆盖弹丸爆炸范围的测试区域，为获得弹丸炸点的相对坐标信息提供计算依据。

10.一种根据权利要求9所述的一种基于无人机的弹丸炸点位置测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

在测试前，将三个测试装置主体(1-A)、(1-B)、(1-C)飞行到空中设定位置和高度，并将三个测试装置主体(1)的空间位置信息

及地面标识设备(2)的GPS提供的地面标志物位置信息o_d(x_dQ,y_dQ,z_dQ)传输给地面显控系统(3)；

地面显控系统(3)控制三个测试装置主体，调整三个测试装置主体在x、y和z方向的空间位置，使得三个测试装置主体在y方向的高度相同，并且三个测试装置主体与地面标志物位置分别在x和z方向的距离差绝对值相同；

将三个测试装置主体的三模旋转平台(24)锁定，地面显控系统(3)向控制模块发送指令，控制单模驱动元件(10)运行实现单模旋转平台(14)与三模旋转平台(24)同步旋转；

地面显控系统(3)再次发送指令，控制模块控制其中两个测试装置主体(1-A)和(1-B)的单模驱动元件(10)运行，使得单模光学设备(15)水平偏转和拍摄同步进行，并将当前水平偏转状态下拍摄的图像信息传输给地面显控系统(3)，直到测试装置主体(1-A)的单模光学设备(15)拍摄的图像信息中测试装置主体(1-B)在视场中心成像，以及测试装置主体(1-B)的单模光学设备(15)拍摄的图像信息中测试装置主体(1-A)在视场中心成像，此时，地面显控系统(3)显示两个测试装置主体(1-A)和(1-B)的单模光学设备(15)偏转角α_SAB和α_SBA；

同样的调整方法，地面显控系统(3)显示两个测试装置主体(1-A)和(1-C)的单模光学设备(15)偏转角α_SAC和α_SCA，两个测试装置主体(1-B)和(1-C)的单模光学设备(15)偏转角α_SBC和α_SCB；

解锁三个测试装置主体的三模旋转平台(24)，地面显控系统(3)控制测试装置主体中的三模光学设备拍摄地面标识设备(2)，使得三模光学设备的姿态角调整和拍摄同步进行，将当前姿态状态下拍摄的图像信息传输给地面显控系统(3)，通过图像处理技术获得地面标识设备(2)的成像信息，直到该成像信息在三个测试装置主体的三模光学设备的视场中心，形成弹丸爆炸范围内的测试区域；此时，地面显控系统(3)给出三模光学设备当前的姿态角，通过角度编码器III(26)可得到三模光学设备的俯仰角

和

结合单模光学设备(15)偏转角和三模光学设备的偏转角，得到三模光学设备的相对偏转角α_AB、α_AC、α_BA、α_BC、α_CA和α_CB；

当弹丸发射后同步触发三个三模光学设备的可见光相机(29)连续拍摄，获得多帧图像信息并给出弹丸爆炸时刻弹丸炸点位置的像素坐标信息P_A(X_A,Y_A)、P_B(X_B,Y_B)和P_C(X_C,Y_C)；采用测试装置主体(1-A)和(1-B)构建的双目视觉交会系统，建立弹丸炸点位置解算模型如公式(1)所示；同理，采用测试装置主体(1-B)和(1-C)构建的双目视觉交会系统，建立弹丸炸点位置解算模型如公式(2)所示；采用测试装置主体(1-A)和(1-C)构建的双目视觉交会系统，建立弹丸炸点位置解算模型如公式(3)所示，获得弹丸炸点位置；

其中，

f_A、f_B、f_C分别为三个测试装置主体(1)中的三模光学设备的可见光相机(29)的焦距；

结合弹丸炸点位置，建立以地面标识设备为基准弹丸爆炸后炸点位置信息，如公式(4)-(6)；

其中，(x'_AB,y'_AB,z'_AB)、(x'_BC,y'_BC,z'_BC)、(x'_CA,y'_CA,z'_CA)分别为将测试装置主体(1-A)和(1-B)、测试装置主体(1-B)和(1-C)、测试装置主体(1-A)和(1-C)构建的双目视觉交会系统解算出的弹丸炸点位置转换为以地面标识设备为基准的炸点位置；

采用平均值计算方法确定弹丸炸点的相对坐标信息，如式(7)所示：

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