CN117804278A - 一种巡飞枪系统及其弹道修正策略 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种巡飞枪系统及其弹道修正策略。包括无人机，云台结构和无托式枪械；云台结构包括枪械夹具，目标信息采集设备，俯仰轴机构，支撑机构，偏航轴机构，悬挂机构和击发机构；无托式枪械的抛壳窗远离夹具、面朝地面的固定在云台结构的枪械夹具上，云台结构通过悬挂机构与无人机平台连接，枪械夹具上设置俯仰轴机构，俯仰轴机构上设置偏航轴机构，悬挂机构设置在偏航轴机构上；支撑机构设置在俯仰轴机构侧面，用于减轻后坐力对俯仰轴机构的舵机输出轴的影响。本发明减小了云台整体结构的竖直方向尺寸，缩短枪械击发的后坐力作用线与巡飞枪质心，减小了后坐力对无人机平台飞控的影响，增强舵机的驱动效果。
Description
技术领域
本发明属于空中无人平台武器领域，具体涉及一种巡飞枪系统及其弹道修正策略。
背景技术
无人机由于其低成本、高功能性、强机动性、简便使用和适应性强等特点，在军用和民用领域得到广泛应用。在城市作战环境中，无人机可提高我方侦查范围。在此基础上，为提高单兵及班组作战的远程打击能力，一种以无人机为载体的察打一体化武器被提出，即通过云台挂载枪械的无人机武器，亦称巡飞枪。巡飞器可以同时进行侦察和打击任务，通过高清摄像头和传感器获取目标信息，并配备可控制的枪械系统对目标进行精确打击。
现有技术下，枪械在无人机平台下的挂载形式多采用竖直方式，受枪械高度尺寸影响，无人机下方需留有较大空间。在该种挂载方式下，枪械的后坐力作用线与巡飞枪质心距离较大，不利于无人机飞控系统对巡飞枪系统运动的调节。且枪械安装时，其后坐力方向与回转轴无交点会对电机输出轴产生额外的后坐力矩，影响电机寿命。同时缺乏巡飞枪在运动状态下对运动目标的打击策略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可侧向挂载枪械的无人机云台机构、包括云台机构的巡飞枪系统，并在此基础上提出一种考虑巡飞枪以及目标运动下的打击策略。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种巡飞枪系统，包括无人机，云台结构和无托式枪械；
所述云台结构包括枪械夹具，目标信息采集设备，用于调节枪械俯仰角的俯仰轴机构，支撑机构，用于调节枪械方向角的偏航轴机构，悬挂机构和击发机构；
所述无托式枪械的抛壳窗远离夹具、面朝地面的固定在云台结构的枪械夹具上，云台结构通过悬挂机构与无人机平台连接，枪械夹具上设置俯仰轴机构，俯仰轴机构上设置偏航轴机构，悬挂机构设置在偏航轴机构上；所述支撑机构设置在俯仰轴机构侧面，用于减轻后坐力对俯仰轴机构的舵机输出轴的影响，所述击发机构用于无托式枪械扳机的启动。
进一步的，所述枪械夹具包括侧板，两枚后支撑钉，后卡环，夹紧板，前卡环，前支撑钉，档杆，回转柄，蝶形螺母，夹紧块和双头螺柱；
无托式枪械的瞄具存在有可供定位的前、后斜面；回转柄中部和侧板通过螺栓连接、回转柄与侧板间存在轴向游隙，使得回转柄可绕螺栓轴线旋转；回转柄两端设有回转柄档杆I和回转柄档杆Ⅱ；
夹紧板连接固定在夹具侧板上，夹紧板上有凸台，凸台上有一螺纹孔，双头螺柱通过一端螺纹连接固定在夹紧板上，另一端旋有蝶形螺母；夹紧块套在双头螺柱上，夹紧块一侧为与枪械瞄具后侧斜面配合的斜面；
枪械抛壳窗背朝夹具地放置在夹具侧板上，侧向位置由两枚后支撑钉和前支撑钉确定，前卡环和后卡环分别安装在枪械护木和枪托处，通过螺钉固定在夹具侧板上；
无托式枪械瞄具前侧斜面抵住档杆，后侧斜面抵住夹紧块，夹紧块后侧抵住回转柄上的档杆I，调节蝶形螺母在双头螺柱上的旋进程度，调节回转柄的旋转角度，使回转柄档杆II抵住枪械握把后侧，确定枪械的前后及上下位置并夹紧。
进一步的，目标信息采集设备包括激光测距仪和摄像头模组，激光测距仪底缘的四角设有矩形槽，并通过螺钉固定在夹具侧板上侧面。
进一步的，俯仰轴机构包括舵机I，舵机安装壳，套筒I，圆摆臂，深沟球轴承I、支架，深沟球轴承II，端盖I，转向柄I，高低轴和转向柄II；
转向柄I和转向柄II下端固定在夹具侧板上侧面的中部凹槽内，上端通过轴孔配合安装在高低轴上；
高低轴为空心轴结构，轴的侧面对称设置两平面，与转向柄I和转向柄II上轴孔的两平面贴合，用以传递转矩，
高低轴通过深沟球轴承I与深沟球轴承II安装在支架上，深沟球轴承II侧的支架配设端盖I，舵机安装壳固定在支架另一侧，套筒I安装在舵机安装壳与深沟球轴承I之间，舵机I固定在舵机安装壳上，舵机I输出轴与圆摆臂连接，圆摆臂与高低轴一端固定连接，通过舵机I驱动高低轴的转动，从而驱动枪械夹具的转动，调节枪械俯仰角。
进一步的，所述支撑机构包括舵机II，套筒II，深沟球轴承III，悬臂I，凸轮I，滚子I，滚子悬臂I，支撑轴，滚子悬臂II，滚子Ⅱ，凸轮II，悬臂II，深沟球轴承IV，端盖II；
悬臂I和悬臂II为支撑机构和俯仰轴机构的连接件，悬臂I和悬臂II固定在支架上；
凸轮I与凸轮II对称设计，二者的从动件运动规律相同，凸轮上设置有孔以及和滚子配合的内槽，内槽的宽度与滚子的直径相同，内槽的轴线上各点与孔圆心的距离满足凸轮的从动件运动规律，孔的内侧面设计有对称的平面，凸轮通过轴孔的过盈配合安装在支撑轴上，支撑轴上的凸轮安装处设置有和凸轮孔内侧平面对应的对称平面，用以传递转矩，带动凸轮转动；
支撑轴两端通过深沟球轴承III和深沟球轴承IV安装在悬臂上，端盖II固定在悬臂II上，用于确定深沟球轴承IV位置，舵机II固定在悬臂I上，套筒II安装在舵机II与深沟球轴承III之间；
支撑轴安装在悬臂I的一端设置有内齿轮，舵机II输出轴与内齿轮啮合，驱动支撑轴转动；
滚子悬臂I和滚子悬臂II固定在侧板上，悬臂上设置有圆柱形凸台，滚子I与滚子Ⅱ分别套在两滚子悬臂的凸台上并可绕凸台的轴线旋转。
进一步的，当高低轴角位移γ与支撑轴角位移γ′满足γ′＝7.5·(γ+15°)时，凸轮内槽的形状保证了凸轮的从动件运动规律使凸轮的行程与支撑轴轴线和滚子轴线间的距离相等。
进一步的，所述偏航轴机构包括舵机III，舵机安装板，梅花摆臂，套筒III，深沟球轴承V，方向轴，推力球轴承和外壳；
偏航轴机构布置在俯仰轴机构的上方，方向轴为偏航轴机构和俯仰轴机构的连接件，方向轴下端与支架固定；
外壳内部呈阶梯分布，方向轴通过深沟球轴承V和推力球轴承安装在外壳内部，舵机安装板固定在外壳内部，在舵机安装板与外壳之间安装有套筒III；
舵机III固定在舵机安装板上，舵机III输出轴与梅花摆臂上的内齿轮啮合，并通过梅花摆臂与方向轴连接，驱动方向轴的转动，从而带动俯仰轴机构和枪械夹具的运动，调节枪械位姿。
进一步的，悬挂机构包括螺栓组，无人机底板，减振橡胶球组和碳纤维板；
悬挂机构是巡飞枪云台整体和无人机平台的连接机构，螺栓组为连接部件，减震橡胶球组在外壳的底缘上下侧均匀分布，下侧橡胶球底面与碳纤维板贴合，上侧橡胶球顶面与无人机底板贴合，螺栓依次穿过碳纤维板、下侧橡胶球、外壳底缘、上侧橡胶球、无人机底板，最后由螺母及弹簧垫片固定。
进一步的，所述击发机构包括舵机IV，摆臂和扳机柄；
舵机IV固定在夹具侧板上，舵机IV输出轴与摆臂齿轮啮合并通过螺钉固定；扳机柄固定在摆臂上，舵机IV驱动扳机柄扣动扳机。
一种基于上述的系统的考虑目标及巡飞枪运动的弹道修正策略，包括如下步骤：
步骤(1)：建立地理系OgXgYgZg；以T1时刻巡飞枪质心所在位置为原点，OYg垂直于当地水平面，指向上，通常定义OXg指向正北，OZg指向正东；
步骤(2)：建立巡飞枪机体坐标系OXYZ；原点位于巡飞枪质心，OX轴位于巡飞枪对称平面内，指向机头，OY轴位于对称面内垂直于OX轴，指向机背，OZ符合右手定则；
步骤(3)：根据巡飞枪无人机平台的GPS定位仪确定巡飞枪在地理系OgXgYgZg中的飞行速度
步骤(4)：基于巡飞枪的飞行速度确定巡飞枪飞行姿态的俯仰角θ1，滚转角φ1和偏航角ψ1；
步骤(5)：巡飞枪通过目标信息采集设备的摄像头模组采用颜色识别的方式对目标进行跟踪瞄准；
步骤(6)：对目标运动速度进行解算在T1时刻，利用目标信息采集设备的激光测距仪对目标与巡飞枪的相对距离进行测算，并获取此时舵机I(301)与舵机III(501)的转角，第一次确定目标在机体坐标系OXYZ下的位矢/>在T2时刻，重复T1时刻过程，第二次确定目标在机体坐标系OXYZ下的位矢/>根据T1和T2时刻获得的目标在机体坐标系OXYZ下的位矢，结合T1和T2时刻巡飞枪质心在的地理系OgXgYgZg中的位置，解算得出目标在地理系OgXgYgZg中的运动速度/>
步骤(7)：确定巡飞枪的响应时间；基于空气弹道的弹丸质心运动规律，以T2时刻测得的目标位矢为弹道参数，确定巡飞枪击发并命中目标的弹丸飞行时间，进而确定巡飞枪从射击指令下达到云台运动，最后巡飞枪击发弹丸抵达目标位置的总时间Δt，即为巡飞枪的响应时间；
步骤(8)：根据步骤(3)获得的巡飞枪的运动速度步骤(6)获得的目标的运动速度/>和步骤(7)获得的巡飞枪的响应时间Δt，计算确定T2+Δt时刻的目标及巡飞枪在地理系OgXgYgZg中的位置(xA,yA,zA)；
步骤(9)：根据步骤(3)获得的巡飞枪的飞行速度调节枪管轴线偏航角，对弹丸飞行的初速进行修正，使弹丸初速方向在过目标与枪口连线的竖直平面内，并获得弹丸的初速/>及偏航角ψ0；、
步骤(10)：根据步骤(8)获得的T2+Δt时刻的目标与巡飞枪在地理系OgXgYgZg中的位置(xA,yA,zA)和步骤(9)获得的弹丸初速基于空气弹道的弹丸质心运动规律，求得弹丸发射角(俯仰角)θ0；
步骤(11)：根据步骤(5)获得的巡飞枪飞行姿态欧拉角，俯仰角θ1，滚转角φ1和偏航角ψ1，步骤(9)获得的弹丸初速偏航角ψ0和步骤(10)获得的弹丸发射角θ0，求得在T2时刻至T2+Δt时刻巡飞枪云台俯仰轴机构中高低轴(310)的旋转角θ2＝θ0+θ1和偏航轴结构中方向轴(506)的旋转角ψ2＝ψ0+ψ1。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的夹具及云台可将枪械侧向安装，减小了云台整体结构的竖直方向尺寸，缩减了挂载武器后的云台所占空间；同时，枪械击发的后坐力作用线与巡飞枪质心缩短，减小了后坐力对无人机平台飞控的影响。
(2)本发明以凸轮结构为基础，针对枪械后坐力方向与枪械姿态调节轴无交点而导致的对舵机输出轴产生额外转矩的问题，设计的一种支撑机构，可减轻后坐力对舵机输出轴的影响，增强舵机的驱动效果。
本发明采用舵机直接驱动云台偏航轴机构和俯仰轴机构的运动，直接控制枪械的位姿，并基于两自由度云台的运动，提出了考虑巡飞枪及目标运动状态的弹道修正策略；在该策略下，巡飞枪两次进行与目标间的相对距离检测，结合巡飞枪在这两次检测的运动状态，对目标运动状态进行分析，并将巡飞枪接收击发指令，弹丸命中目标前的时间作为系统的总响应时间，以此推测巡飞枪及目标在响应时间后的位置，对巡飞枪外弹道进行修正解算，调节云台运动，使得巡飞枪可在运动状态下对目标实施精确打击。
附图说明
图1是本发明巡飞枪云台的总体结构示意图。
图2是本发明巡飞枪云台的枪械夹具爆炸图。
图3是本发明巡飞枪云台的目标信息采集设备结构示意图。
图4是本发明巡飞枪云台的俯仰轴机构爆炸图。
图5是本发明巡飞枪云台的支撑机构爆炸图。
图6是本发明巡飞枪云台的偏航轴机构爆炸图形式的剖视图。
图7是本发明巡飞枪云台的悬挂机构爆炸图。
图8是本发明巡飞枪云台的击发机构爆炸图。
图9是夹具侧板结构示意图。
图10是回转柄结构示意图。
图11是高低轴结构示意图。
图12是支撑轴结构示意图。
图13是凸轮I结构主视图。
图14是本发明弹道修正策略流程图。
附图标记说明：
1-枪械夹具，2-目标信息采集设备，3-俯仰轴机构，4-支撑机构，5-偏航轴机构，6-悬挂机构，7-击发机构，101-侧板，102-后支撑钉，103-后卡环，104-夹紧板，105-前卡环，106-前支撑钉，107-档杆，108-螺栓，109-回转柄，110-蝶形螺母，111-夹紧块，112-螺母，113-弹簧垫片，114-双头螺柱，201-激光测距仪，202-摄像头模组，301-舵机I，302-舵机安装壳，303-套筒I，304-圆摆臂，305-深沟球轴承I，306-支架，307-深沟球轴承II，308-端盖I，309-转向柄I，310-高低轴，311-转向柄II，401-舵机II，402-套筒II，403-深沟球轴承III，404-悬臂I，405-凸轮I，406-滚子I，407-滚子悬臂I，408-支撑轴，409-滚子悬臂II，410-滚子II，411-凸轮II，412-悬臂II，413-深沟球轴承IV，414-端盖II，501-舵机III，502-舵机安装板，503-梅花摆臂，504-套筒III，505-深沟球轴承V，506-方向轴，507-推力球轴承，508-外壳，601-螺栓组，602-无人机底板，603-减振橡胶球组，604-碳纤维板，701-舵机IV，702-摆臂，703-扳机柄，1091-回转柄档杆I，1092-回转柄档杆Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种巡飞枪的云台结构包括枪械夹具1、目标信息采集设备2、俯仰轴机构3、支撑机构4、偏航轴机构5，悬挂机构6和击发机构7。
枪械位姿的俯仰角通过俯仰轴机构3调节，方向角通过偏航轴机构5调节。
结合图2，所述的枪械夹具1包括侧板101、两枚后支撑钉102、后卡环103、夹紧板104、前卡环105、前支撑钉106、档杆107、螺栓108、回转柄109、蝶形螺母110、夹紧块111、螺母112，弹簧垫片113和双头螺柱114。
夹紧板104通过螺钉连接固定在夹具侧板101上，其上有凸台，凸台上有一螺纹孔。双头螺柱114通过一端螺纹连接固定在夹紧板104上，另一端旋有蝶形螺母110。夹紧块111套在双头螺柱114上。两枚后支撑钉102、前支撑钉106和档杆均通过螺钉连接固定在夹具侧板101上。
结合图2、9、10，回转柄上设置有档杆I 1091与档杆II 1092，中部设置有凸台，凸台上有通孔。夹具侧板101中部设置通孔，回转柄109通过螺栓108、螺母112和弹簧垫片113组成的螺栓组，安装在夹具侧板101上，初次安装时保证回转柄109与侧板101间存在轴向游隙，使得回转柄109可绕螺栓108的轴线旋转。
枪械抛壳窗背朝夹具地放置在夹具侧板101上，其侧向位置由两枚后支撑钉102和前支撑钉106确定，前卡环105和后卡环103分别安装在枪械护木和枪托处，通过螺钉固定在夹具侧板101上，以提供夹紧枪械的夹紧力。夹具侧板101的前卡环105和后卡环安装处的接触面呈阶梯分布，可调节卡环一侧的螺钉旋紧程度改变夹紧力的大小。
无托式枪械115瞄准基线与枪管轴线距离较大，其瞄具存在有可供定位的前后侧面。前侧抵住档杆107，后侧抵住夹紧块111。夹紧块111前侧为斜面，与枪械瞄具后侧的斜面配合，后侧抵住回转柄109上的档杆I 1091。调节蝶形螺母110的在双头螺柱114上的旋进程度，以调节回转柄109的旋转角度，使回转柄109上的档杆II 1092抵住枪械握把后侧，确定枪械的前后及上下位置并夹紧。
结合图3，摄像头模组202与激光测距仪201粘连。激光测距仪201底缘的四角设有矩形槽，并通过螺钉固定在夹具侧板101上。
结合图3、4、11，所述俯仰轴结构包括舵机I 301、舵机安装壳302、套筒I303、圆摆臂304、深沟球轴承I 305、支架306、深沟球轴承II 307、端盖I 308、转向柄I 309，高低轴310和转向柄II 311。转向柄I 309和转向柄II 311是夹具1与俯仰轴机构3的连接件，其下端通过螺钉连接，固定在夹具侧板101的中部凹槽内，上端通过轴孔配合安装在高低轴310上。
高低轴310为空心轴结构，轴的侧面对称设置两平面，与转向柄I 309和转向柄II311上端内孔的两平面贴合，用以传递转矩。随着高低轴310的转动，夹具1绕高低轴310轴线转动。
高低轴310通过深沟球轴承I 305与深沟球轴承II 307安装在支架306上。端盖I308通过螺钉固定在支架一侧，确定深沟球轴承II 307位置。舵机安装壳302通过螺钉固定在支架另一侧，套筒I 303安装在舵机安装壳302与深沟球轴承I 305，确定深沟球轴承I305位置。舵机I 301通过螺钉固定在舵机安装壳302上，其输出轴与圆摆臂304的内齿轮内核，并通过圆摆臂304与高低轴310的螺钉固定连接直接驱动高低轴310的转动，从而驱动夹具1的转动，调节枪械位姿。
结合图1、3、4、5、12、13，所述支撑结构包括舵机II 401、套筒II 402、深沟球轴承III 403、悬臂I404、凸轮I405、滚子I 406、滚子悬臂I 407、支撑轴408、滚子悬臂II 409、滚子I 406、凸轮II411、悬臂II412、深沟球轴承IV 413、端盖II 414。悬臂I404和悬臂II412为支撑机构4和俯仰轴机构3的连接件，支撑结构4布置在俯仰轴机构3的后方。两个悬臂通过螺钉固定在支架306上。
凸轮I405与凸轮II411对称设计，二者的从动件运动规律相同。凸轮上设置有孔和内槽，内槽的宽度与滚子的直径相同，内槽的轴线上各点与孔圆心的距离满足凸轮的从动件运动规律。孔的内侧面设计有对称的平面，内槽宽度与滚子的直径相同。凸轮通过轴孔的过盈配合安装在支撑轴408上。支撑轴408上的凸轮安装处设置有和凸轮孔内侧平面对应的对称平面，用以传递转矩，带动凸轮的转动。
支撑轴408两端通过深沟球轴承III 403和深沟球轴承IV 413安装在悬臂上。端盖II 414通过螺钉固定在悬臂II412上，确定深沟球轴承IV 413位置。舵机II401通过螺钉固定在悬臂I404上。套筒II 402安装在舵机II 401与深沟球轴承III 403之间，用以调节轴向游隙并确定深沟球轴承III 403的位置。
支撑轴408安装在悬臂I404的一端设置有内齿轮。舵机II 401输出轴与该内齿轮啮合，直接缺东支撑轴408的转动。
滚子悬臂I 407和滚子悬臂II 409通过螺钉固定在夹具侧板101上。悬臂上设置有圆柱形凸台。滚子I 406与滚子I 406分别套在两滚子悬臂上并可绕滚子悬臂凸台的轴线旋转。滚子可在凸轮内槽作平移及旋转运动。
当高低轴310角位移γ与支撑轴408角位移γ′满足γ′＝7.5·(γ+15°)时，凸轮内槽的形状保证了凸轮的从动件运动规律可使凸轮的行程与支撑轴轴线和滚子轴线间的距离相等。
结合图1、4、6，所述偏航轴机构5包括舵机III 501、舵机安装板502、梅花摆臂503、套筒III 504、深沟球轴承V 505、方向轴506、推力球轴承507、外壳508。偏航轴机构5布置在俯仰轴机构3的上方，方向轴506为偏航轴机构5和俯仰轴机构3的连接件。方向轴506下端通过螺钉连接与支架固定。
外壳508内部呈阶梯分布，方向轴506通过深沟球轴承V 505和推力球轴承507安装在外壳508内部。舵机安装板502通过螺钉连接固定在外壳508内部，在舵机安装板502与外壳508之间安装有套筒III 504，可调节轴向游隙并确定深沟球轴承V 505位置。
舵机III 501通过螺钉固定在舵机安装板502上。其输出轴与梅花摆臂503上的内齿轮啮合，并通过梅花摆臂503与方向轴506的螺钉连接，直接驱动方向轴506的转动，从而带动俯仰轴机构3和夹具1的运动，调节枪械位姿。
为保证舵机III 501的安装空间，套筒III 504上设置有相应的让位槽。
结合图1、7，所述悬挂机构6包括螺栓组601、无人机底板602、减振橡胶球组603、碳纤维板604。悬挂机构6是巡飞枪云台整体和无人机平台的连接机构，螺栓组601为连接部件。减震橡胶球组603在外壳508的底缘上下侧均匀分布，下侧橡胶球底面与碳纤维板604贴合，上侧橡胶球顶面与无人机底板602贴合。根据螺栓组601中的螺栓数量，碳纤维板604上均匀设置有相同数量的孔。无人机底板602上设置有均匀地放射形分布的矩形槽。螺栓依次穿过碳纤维板604、下侧橡胶球、外壳508底缘、上侧橡胶球、无人机底板602，最后由螺母及弹簧垫片固定。
结合图1、8、9，所述击发机构7包括舵机IV 701、摆臂702、扳机柄703。舵机IV 701通过螺钉固定在夹具侧板101上，其输出轴与摆臂702齿轮啮合并通过螺钉固定。扳机柄703通过螺钉固定在摆臂702上.舵机IV 701可直接驱动扳机柄703扣动扳机。
结合图14，所述的一种基于云台运动的考虑目标及巡飞枪运动的弹道修正策略，包括如下步骤：
步骤(1)：建立地理系OgXgYgZg。以T1时刻巡飞枪质心所在位置为原点，OYg垂直于当地水平面，指向上，通常定义OXg指向正北，OZg指向正东；
步骤(2)：建立巡飞枪机体坐标系OXYZ。原点位于巡飞枪质心，OX轴位于巡飞枪对称平面内，指向机头，OY轴位于对称面内垂直于OX轴，指向机背，OZ符合右手定则；
步骤(3)：根据巡飞枪无人机平台的GPS定位仪确定巡飞枪在地理系OgXgYgZg中的飞行速度
步骤(4)：基于巡飞枪的飞行速度确定巡飞枪飞行姿态的俯仰角θ1，滚转角φ1和偏航角ψ1；
步骤(5)：巡飞枪通过目标信息采集设备的摄像头模组采用颜色识别额方式对目标进行跟踪瞄准；
步骤(6)：对目标运动速度进行解算在T1时刻，利用目标信息采集设备的激光测距仪对目标与巡飞枪的相对距离进行测算，并获取此时舵机I 301与舵机III 501的转角，第一次确定目标在机体坐标系OXYZ下的位矢/>在T2时刻，重复T1时刻过程，第二次确定目标在机体坐标系OXYZ下的位矢/>根据T1和T2时刻获得的目标在机体坐标系OXYZ下的位矢，结合T1和T2时刻巡飞枪质心在的地理系OgXgYgZg中的位置，解算得出目标在地理系OgXgYgZg中的运动速度/>
步骤(7)：确定巡飞枪的响应时间。基于空气弹道的弹丸质心运动规律，以T2时刻测得的目标位矢为弹道参数，确定巡飞枪击发并命中目标的弹丸飞行时间，进而确定巡飞枪从射击指令下达到云台运动，最后巡飞枪击发弹丸抵达目标位置的总时间Δt，即为巡飞枪的响应时间。
步骤(8)：根据步骤(3)获得的巡飞枪的运动速度步骤(6)获得的目标的运动速度/>和步骤(7)获得的巡飞枪的响应时间Δt，计算确定T2+Δt时刻的目标及巡飞枪在地理系OgXgYgZg中的位置(xA,yA,zA)；
步骤(9)：根据步骤(3)获得的巡飞枪的飞行速度调节枪管轴线偏航角，对弹丸飞行的初速进行修正，使弹丸初速方向在过目标与枪口连线的竖直平面内，并获得弹丸的初速/>及偏航角ψ0；
步骤(10)：根据步骤(8)获得的T2+Δt时刻的目标与巡飞枪在地理系OgXgYgZg中的位置(xA,yA,zA)和步骤(9)获得的弹丸初速基于空气弹道的弹丸质心运动规律，求得弹丸发射角(俯仰角)θ0；
步骤(11)：根据步骤(5)获得的巡飞枪飞行姿态欧拉角，俯仰角θ1，滚转角φ1和偏航角ψ1，步骤(9)获得的弹丸初速偏航角ψ0和步骤(10)获得的弹丸发射角θ0，求得在T2时刻至T2+Δt时刻巡飞枪云台俯仰轴机构3中高低轴310的旋转角θ2＝θ0+θ1和偏航轴结构5中方向轴506的旋转角ψ2＝ψ0+ψ1。
Claims (10)
1.一种巡飞枪系统，其特征在于，包括无人机，云台结构和无托式枪械(115)；
所述云台结构包括枪械夹具(1)，目标信息采集设备(2)，用于调节枪械俯仰角的俯仰轴机构(3)，支撑机构(4)，用于调节枪械方向角的偏航轴机构(5)，悬挂机构(6)和击发机构(7)；
所述无托式枪械(115)的抛壳窗远离夹具、面朝地面的固定在云台结构的枪械夹具(1)上，云台结构通过悬挂机构(6)与无人机平台连接，枪械夹具(1)上设置俯仰轴机构(3)，俯仰轴机构(3)上设置偏航轴机构(5)，悬挂机构(6)设置在偏航轴机构(5)上；所述支撑机构(4)设置在俯仰轴机构(3)侧面，用于减轻后坐力对俯仰轴机构(3)的舵机输出轴的影响，所述击发机构(7)用于无托式枪械(115)扳机的启动。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述枪械夹具(1)包括侧板(101)，两枚后支撑钉(102)，后卡环(103)，夹紧板(104)，前卡环(105)，前支撑钉(106)，档杆(107)，回转柄(109)，蝶形螺母(110)，夹紧块(111)和双头螺柱(114)；
无托式枪械(115)的瞄具存在有可供定位的前、后斜面；回转柄(109)中部和侧板(101)通过螺栓连接、回转柄(109)与侧板(101)间存在轴向游隙，使得回转柄(109)可绕螺栓轴线旋转；回转柄(109)两端设有回转柄档杆I(1091)和回转柄档杆Ⅱ(1092)；
夹紧板(104)连接固定在夹具侧板(101)上，夹紧板(104)上有凸台，凸台上有一螺纹孔，双头螺柱(114)通过一端螺纹连接固定在夹紧板(104)上，另一端旋有蝶形螺母(110)；夹紧块(111)套在双头螺柱(114)上，夹紧块(111)一侧为与枪械瞄具后侧斜面配合的斜面；
枪械抛壳窗背朝夹具地放置在夹具侧板(101)上，侧向位置由两枚后支撑钉(102)和前支撑钉(106)确定，前卡环(105)和后卡环(103)分别安装在枪械护木和枪托处，通过螺钉固定在夹具侧板(101)上；
无托式枪械(115)瞄具前侧斜面抵住档杆(107)，后侧斜面抵住夹紧块(111)，夹紧块(111)后侧抵住回转柄(109)上的档杆I(1091)，调节蝶形螺母(110)在双头螺柱(114)上的旋进程度，调节回转柄(109)的旋转角度，使回转柄档杆II(1092)抵住枪械握把后侧，确定枪械的前后及上下位置并夹紧。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，目标信息采集设备(2)包括激光测距仪(201)和摄像头模组(202)，激光测距仪(201)底缘的四角设有矩形槽，并通过螺钉固定在夹具侧板(101)上侧面。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，俯仰轴机构(3)包括舵机I(301)，舵机安装壳(302)，套筒I(303)，圆摆臂(304)，深沟球轴承I(305)、支架(306)，深沟球轴承II(307)，端盖I(308)，转向柄I(309)，高低轴(310)和转向柄II(311)；
转向柄I(309)和转向柄II(311)下端固定在夹具侧板(101)上侧面的中部凹槽内，上端通过轴孔配合安装在高低轴(310)上；
高低轴(310)为空心轴结构，轴的侧面对称设置两平面，与转向柄I(309)和转向柄II(311)上轴孔的两平面贴合，用以传递转矩，
高低轴(310)通过深沟球轴承I(305)与深沟球轴承II(307)安装在支架(306)上，深沟球轴承II(307)侧的支架配设端盖I(308)，舵机安装壳(302)固定在支架另一侧，套筒I(303)安装在舵机安装壳(302)与深沟球轴承I(305)之间，舵机I(301)固定在舵机安装壳(302)上，舵机I(301)输出轴与圆摆臂(304)连接，圆摆臂(304)与高低轴(310)一端固定连接，通过舵机I(301)驱动高低轴(310)的转动，从而驱动枪械夹具(1)的转动，调节枪械俯仰角。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述支撑机构(4)包括舵机II(401)，套筒II(402)，深沟球轴承III(403)，悬臂I(404)，凸轮I(405)，滚子I(406)，滚子悬臂I(407)，支撑轴(408)，滚子悬臂II(409)，滚子Ⅱ(410)，凸轮II(411)，悬臂II(412)，深沟球轴承IV(413)，端盖II(414)；
悬臂I(404)和悬臂II(412)为支撑机构(4)和俯仰轴机构(3)的连接件，悬臂I(404)和悬臂II(412)固定在支架(306)上；
凸轮I(405)与凸轮II(411)对称设计，二者的从动件运动规律相同，凸轮上设置有孔以及和滚子配合的内槽，内槽的宽度与滚子的直径相同，内槽的轴线上各点与孔圆心的距离满足凸轮的从动件运动规律，孔的内侧面设计有对称的平面，凸轮通过轴孔的过盈配合安装在支撑轴上，支撑轴(408)上的凸轮安装处设置有和凸轮孔内侧平面对应的对称平面，用以传递转矩，带动凸轮转动；
支撑轴(408)两端通过深沟球轴承III(403)和深沟球轴承IV(413)安装在悬臂上，端盖II(414)固定在悬臂II(412)上，用于确定深沟球轴承IV(413)位置，舵机II(401)固定在悬臂I(404)上，套筒II(402)安装在舵机II(401)与深沟球轴承III(403)之间；
支撑轴(408)安装在悬臂I(404)的一端设置有内齿轮，舵机II(401)输出轴与内齿轮啮合，驱动支撑轴(408)转动；
滚子悬臂I(407)和滚子悬臂II(409)固定在侧板(101)上，悬臂上设置有圆柱形凸台，滚子I(406)与滚子Ⅱ(410)分别套在两滚子悬臂的凸台上并可绕凸台的轴线旋转。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，当高低轴(310)角位移γ与支撑轴(408)角位移γ′满足γ′＝7.5·(γ+15°)时，凸轮内槽的形状保证了凸轮的从动件运动规律使凸轮的行程与支撑轴轴线和滚子轴线间的距离相等。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偏航轴机构(5)包括舵机III(501)，舵机安装板(502)，梅花摆臂(503)，套筒III(504)，深沟球轴承V(505)，方向轴(506)，推力球轴承(507)和外壳(508)；
偏航轴机构(5)布置在俯仰轴机构(3)的上方，方向轴(506)为偏航轴机构(5)和俯仰轴机构(3)的连接件，方向轴(506)下端与支架(306)固定；
外壳(508)内部呈阶梯分布，方向轴(506)通过深沟球轴承V(505)和推力球轴承(507)安装在外壳(508)内部，舵机安装板(502)固定在外壳(508)内部，在舵机安装板(502)与外壳(508)之间安装有套筒III(504)；
舵机III(501)固定在舵机安装板(502)上，舵机III(501)输出轴与梅花摆臂(503)上的内齿轮啮合，并通过梅花摆臂(503)与方向轴(506)连接，驱动方向轴(506)的转动，从而带动俯仰轴机构(3)和枪械夹具(1)的运动，调节枪械位姿。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，悬挂机构(6)包括螺栓组(601)，无人机底板(602)，减振橡胶球组(603)和碳纤维板(604)；
悬挂机构(6)是巡飞枪云台整体和无人机平台的连接机构，螺栓组(601)为连接部件，减震橡胶球组(603)在外壳(508)的底缘上下侧均匀分布，下侧橡胶球底面与碳纤维板(604)贴合，上侧橡胶球顶面与无人机底板(602)贴合，螺栓依次穿过碳纤维板(604)、下侧橡胶球、外壳(508)底缘、上侧橡胶球、无人机底板(602)，最后由螺母及弹簧垫片固定。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述击发机构(7)包括舵机IV(701)，摆臂(702)和扳机柄(703)；
舵机IV(701)固定在夹具侧板(101)上，舵机IV(701)输出轴与摆臂(702)齿轮啮合并通过螺钉固定；扳机柄(703)固定在摆臂(702)上，舵机IV(701)驱动扳机柄(703)扣动扳机。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的系统的考虑目标及巡飞枪运动的弹道修正策略，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：建立地理系OgXgYgZg；以T1时刻巡飞枪质心所在位置为原点，OYg垂直于当地水平面，指向上，通常定义OXg指向正北，OZg指向正东；
步骤(2)：建立巡飞枪机体坐标系OXYZ；原点位于巡飞枪质心，OX轴位于巡飞枪对称平面内，指向机头，OY轴位于对称面内垂直于OX轴，指向机背，OZ符合右手定则；
步骤(3)：根据巡飞枪无人机平台的GPS定位仪确定巡飞枪在地理系OgXgYgZg中的飞行速度
步骤(4)：基于巡飞枪的飞行速度确定巡飞枪飞行姿态的俯仰角θ1，滚转角φ1和偏航角ψ1；
步骤(5)：巡飞枪通过目标信息采集设备的摄像头模组采用颜色识别的方式对目标进行跟踪瞄准；
步骤(6)：对目标运动速度进行解算在T1时刻，利用目标信息采集设备的激光测距仪对目标与巡飞枪的相对距离进行测算，并获取此时舵机I(301)与舵机III(501)的转角，第一次确定目标在机体坐标系OXYZ下的位矢/>在T2时刻，重复T1时刻过程，第二次确定目标在机体坐标系OXYZ下的位矢/>根据T1和T2时刻获得的目标在机体坐标系OXYZ下的位矢，结合T1和T2时刻巡飞枪质心在的地理系OgXgYgZg中的位置，解算得出目标在地理系OgXgYgZg中的运动速度/>
步骤(7)：确定巡飞枪的响应时间；基于空气弹道的弹丸质心运动规律，以T2时刻测得的目标位矢为弹道参数，确定巡飞枪击发并命中目标的弹丸飞行时间，进而确定巡飞枪从射击指令下达到云台运动，最后巡飞枪击发弹丸抵达目标位置的总时间Δt，即为巡飞枪的响应时间；
步骤(8)：根据步骤(3)获得的巡飞枪的运动速度步骤(6)获得的目标的运动速度/>和步骤(7)获得的巡飞枪的响应时间Δt，计算确定T2+Δt时刻的目标及巡飞枪在地理系OgXgYgZg中的位置(xA,yA,zA)；
步骤(9)：根据步骤(3)获得的巡飞枪的飞行速度调节枪管轴线偏航角，对弹丸飞行的初速进行修正，使弹丸初速方向在过目标与枪口连线的竖直平面内，并获得弹丸的初速及偏航角ψ0；、
步骤(10)：根据步骤(8)获得的T2+Δt时刻的目标与巡飞枪在地理系OgXgYgZg中的位置(xA,yA,zA)和步骤(9)获得的弹丸初速基于空气弹道的弹丸质心运动规律，求得弹丸发射角俯仰角θ0；
步骤(11)：根据步骤(5)获得的巡飞枪飞行姿态欧拉角，俯仰角θ1，滚转角φ1和偏航角ψ1，步骤(9)获得的弹丸初速偏航角ψ0和步骤(10)获得的弹丸发射角θ0，求得在T2时刻至T2+Δt时刻巡飞枪云台俯仰轴机构中高低轴(310)的旋转角θ2＝θ0+θ1和偏航轴结构中方向轴(506)的旋转角ψ2＝ψ0+ψ1。
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