专利名称：自动控制的反海盗高压含沙水炮系统及方法
技术领域：
本发明属于用于保护远洋航运船只抵御海盗劫掠的综合防御技术，特别是一种自 动控制的反海盗高压含沙水炮系统及方法。
背景技术：
目前，由于海盗活动的日益猖獗，大中型商船、货船和油轮等远洋运输船只的安全 问题开始得到国际间的广泛关注。由于这些船只的商业性质和国际法以及途经国家法律的 限制，不可能配备武装人员护卫或装备武器系统以保护自身安全。而随着海盗活动区域的 不断加大加剧，即使在索马里海域有各国海军舰队护航，其护航“盲区”亦日益凸显。因此， 立足于船舶自卫的自防自救、加强防海盗训练和演练，仍是航运船只防御海盗劫掠的基本 点。目前常用的措施有(1)以持续的雷达观测配合正规了望搜寻可疑目标，争取尽早发现 海盗船；( 利用不规则航路及加快船速争取摆脱海盗船的跟踪；C3)利用消防皮龙以及燃 烧瓶、石灰瓶和火把等自制投掷物阻止海盗靠近；(4)利用太平斧、木棒、刀具和其他工具， 解除海盗的绳梯挂钩，阻止海盗登船。以上措施对防御海盗袭击具有一定效果，中国“富强”号货轮曾以此成功击退海盗 三次袭击。但是，现代海盗往往装备有一定的轻重武器，其船只轻便、快速，机动性很强。航 运船只常用的防御措施还基本属于被动防御，其成效受多种条件制约，成功可能性很小。依 靠皮龙、燃烧瓶等简易工具正面抵抗手持武器的海盗，无法保障船员们的生命安全。防御措 施的攻击性不强，很难对海盗形成心理威慑，更难以打击其嚣张气焰。因此，适用于远洋航运船只反海盗需求的系统，其基本要求是(1)不能是正规的 武器或武器系统；(2)只能是防御性质；(3)要具有操作安全性，在保证自身安全的情况下 进行反海盗活动；(4)对海盗有一定威慑力和杀伤力，但不宜致命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备威慑力和近距离杀伤力的自动控制高压含沙水 炮，并配备具有光电探测和导引、图像融合及处理、自动跟踪控制以及光电通信等功能的目 标坐标测定仪的反海盗综合防御系统及方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种自动控制的反海盗高压含沙水炮系统， 由目标坐标测定仪、含沙高压水炮、控制手柄和大视场望远式光学搜索镜组成，并布置于船 只甲板的防御区域；其中，目标坐标测定仪由控制主机和控制箱组成，控制主机包括高低伺 服驱动模块、方位伺服驱动模块、伺服计算机、可见光CCD和红外热像仪组成的观瞄镜、变 焦驱动模块和激光测距模块，控制箱包括图像融合及取差模块、主控计算机、显示屏、嵌入 式键盘和通信模块；在目标坐标测定仪内部，通信模块、变焦驱动模块、图像融合和取差模 块、伺服计算机、激光测距模块和主控计算机通过CAN总线连接，控制手柄和光学搜索镜作 为外部设备通过CAN总线连接主控计算机；观瞄镜采集的视频信息由主控计算机转换为控 制箱显示屏要求的视频格式，发送给显示屏显示；控制箱通信模块通过MODEM连接含沙高
4压水炮；数字光学搜索镜作为目标导引装置，由操作手手持观瞄，搜索可疑目标，在发现目 标后实施人工跟踪，使目标影像始终保持在搜索镜视场内，并通过搜索镜配置的微型三轴 陀螺仪实时输出搜索镜姿态角信息，发送给目标坐标测定仪的主控计算机接收；控制手柄摇动时输出的位置信息发送给目标坐标测定仪的主控计算机，主控计算 机将其转发给伺服计算机接收，完成对目标坐标测定仪的控制；主控计算机根据目标坐标测定仪姿态信息和搜索镜姿态角信息，在显示屏上生成 目标引导标识；操作手根据引导标识，利用控制手柄发送控制命令给主控计算机，主控计算 机将控制命令转发给伺服计算机，以控制方位/高低伺服模块驱动观瞄镜随动于数字光学 搜索镜，将目标影像导入观瞄镜视场并稳定于视场中心；同时操作手通过控制手柄的变焦 按钮发送控制命令给主控计算机，主控计算机控制变焦驱动模块使目标影像清晰和显示位 置理想；此时通过控制手柄的锁定按钮发出目标锁定指令，即进入自动跟踪；目标坐标测 定仪的图像融合模块对可见光CCD和红外热像仪采集的两路视频信息进行融合，图像取差 模块实现目标与背景的分离，提取目标信息并计算目标与观瞄镜分划中心的偏差值；目标坐标测定仪的伺服计算机根据控制算法驱动高低/方位伺服模块不断随动 以补偿此偏差值，使观瞄镜分划中心紧跟目标影像；同时操作手按下控制手柄的测距按钮， 发送控制命令给主控计算机，该主控计算机发出测距逻辑，控制激光测距模块量测与目标 距离自动跟踪时，主控计算机根据图像取差信息、伺服模块反馈信息和激光测距信息， 实时解算目标位置和速度，建立目标航路诸元，并通过通信模块将诸元信息发送给含沙高 压水炮。本发明与现有技术相比，其显著优点本发明作为远洋航运船只的反海盗防御系 统，相比于现在的防御技术，其最大的优点在于将高压含沙水炮设计为一类分布式的、自动 控制、具备一定攻击强度和杀伤力的智能化防御节点。其充分利用光电技术对海盗船和海 盗的信息捕获和处理，实现了对海盗劫掠行为具有威慑力的积极主动防御，从而彻底改变 目前反海盗手段落后，措施单一，人员伤亡概率高的局面。其优点可具体阐述为(1)多手段探测目标，增加防御反应时间。由于海面情况复杂，船载雷达在目标 探测时会存在错、漏的情况。而本系统将雷达探测目标与人工操作的大视场数字光学搜索 镜搜索目标相配合，且配备了红外热像仪，可昼夜进行雷达与光学搜索，提高了目标发现概 率，增加了防御反应时间；(2)准确跟踪目标，为积极防御创造条件。从发现海盗到海盗船靠近本船一般要间 隔十数分钟。期间船员除了准备一些必要防御工具和隐蔽遮挡物外，只能被动等待海盗船 靠近发起进攻。而本系统在以上准备之外，还通过可见光、红外热像仪的图像融合和图像取 差技术在各种条件下对海盗船进行准确跟踪，建立其稳定连续的航路信息，为实施主动防 御提供准备；(3)精确定位目标，主动防御准确打击。由于获取了海盗船准确的航路信息，高压 含沙水炮可以在其伺服模块的控制下，准确打击目标。海盗必须登船才能控制船只，而高压 含沙水炮射程可达30米-100米，其攻击将会有效阻止对方靠近，甚至打翻其船只，对海盗 产生极大的威慑力；
(4)自动化程度高，分布式布置，有效降低人员可能的伤亡。航运船只在遭受海盗 攻击时，需要船员借助消防皮龙和燃烧瓶等投掷物与海盗面对面交锋，很难保证船员生命 安全。而本系统的高压含沙水炮与目标坐标测定仪构成分布式布置的防御网络，海盗船的 航路信息通过通信网络实现共享；各门水炮根据海盗船航路信息解算最佳射击诸元，实现 自动控制的单门独立攻击或多门联合攻击，整个过程无需人工操作，极大地保证了船员的 生命安全。下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的系统功能结构图。图2是本发明的主控制系统工作流程图。图3是本发明的目标坐标测定仪的控制主机原理示意图。
图4是本发明的高压含沙水炮原理示意图。图5是本发明的水炮控制方法说明图。图6是本发明的系统通信结构图。
具体实施例方式结合图1、图2和图3，本发明自动控制的反海盗高压含沙水炮系统，由目标坐标 测定仪、含沙高压水炮、控制手柄和大视场望远式光学搜索镜组成，并布置于船只甲板的防 御区域；其中，目标坐标测定仪由控制主机和控制箱组成，控制主机包括高低伺服驱动模块 1、方位伺服驱动模块2、伺服计算机3、可见光CXD和红外热像仪组成的观瞄镜4、变焦驱动 模块5和激光测距模块6，控制箱包括图像融合及取差模块、主控计算机、显示屏、嵌入式键 盘和通信模块；在目标坐标测定仪内部，通信模块、变焦驱动模块、图像融合和取差模块、伺 服计算机、激光测距模块和主控计算机通过CAN总线连接，控制手柄和光学搜索镜作为外 部设备通过CAN总线连接主控计算机；观瞄镜4采集的视频信息由主控计算机转换为控制 箱显示屏要求的视频格式，发送给显示屏显示；控制箱通信模块通过MODEM连接含沙高压 水炮。数字光学搜索镜作为目标导引装置，由操作手手持观瞄，搜索可疑目标，在发现目 标后实施人工跟踪，使目标影像始终保持在搜索镜视场内，并通过搜索镜配置的微型三轴 陀螺仪实时输出搜索镜姿态角信息，发送给目标坐标测定仪的主控计算机接收。控制手柄摇动时输出的位置信息发送给目标坐标测定仪的主控计算机，主控计算 机将其转发给伺服计算机3接收，完成对目标坐标测定仪的控制；手柄配置多个控制按键， 分别定义为锁定和测距等功能键，按键信息同样发送到目标坐标测定仪单元，以完成系统 设计的各项功能。主控计算机根据目标坐标测定仪姿态信息和搜索镜姿态角信息，在显示屏上生成 目标引导标识；操作手根据引导标识，利用控制手柄发送控制命令给主控计算机，主控计算 机将控制命令转发给伺服计算机3，以控制高低/方位伺服模块1、2驱动观瞄镜4随动于数 字光学搜索镜，将目标影像导入观瞄镜视场并稳定于视场中心；同时操作手通过控制手柄 的变焦按钮发送控制命令给主控计算机，主控计算机控制变焦驱动模块5使目标影像清晰和显示位置理想；此时通过控制手柄的锁定按钮发出目标锁定指令，即进入自动跟踪；目 标坐标测定仪的图像融合模块对可见光CCD和红外热像仪采集的两路视频信息进行融合， 图像取差模块实现目标与背景的分离，提取目标信息并计算目标与观瞄镜分划中心的偏差值。目标坐标测定仪的伺服计算机3根据控制算法(如PID控制)驱动高低/方位伺 服模块1、2不断随动以补偿此偏差值，使观瞄镜4分划中心紧跟目标影像；同时操作手按下 控制手柄的测距按钮，发送控制命令给主控计算机，该主控计算机发出测距逻辑，控制激光 测距模块6，量测与目标距离。自动跟踪时，主控计算机根据图像取差信息、伺服模块反馈信息和激光测距信息， 实时解算目标位置和速度，建立目标航路诸元(具体方法参见郭治《现代火控理论》国防工 业出版社1996)，并通过通信模块将诸元信息发送给含沙高压水炮。具体功能描述如下(1)目标坐标测定仪单元的初始设定由控制箱的嵌入式键盘通过人机交互方式完 成，工作过程中的视频图像及目标信息显示于控制箱的显示屏；(2)目标坐标测定仪单元的控制主机以可见光CXD和红外热像仪组成观瞄镜，捕 获目标的视频影像信息；(3)目标坐标测定仪单元的导引方式包括雷达或光学、甚至人工导引。本系统以大 视场望远式数字光学搜索镜作为目标导引装置，搜索镜配备的微型三轴测量仪产生姿态角 信息，并发送给控制箱的主控计算机；(4)主控计算机根据控制主机伺服计算机反馈的姿态信息和搜索镜姿态角信息， 在控制箱的显示屏上生成目标引导标识；控制主机的伺服计算机控制方位/高低伺服模块 以驱动观瞄镜随动于搜索镜，将目标影像导入观瞄镜视场并稳定于视场中心。在收到目标 锁定指令后，开始自动跟踪；(5)自动跟踪阶段，控制箱的图像融合模块对观瞄镜采集的两路视频信息进行融 合，图像取差模块实现目标与背景的分离，提取目标信息并计算目标与观瞄镜分划中心的 偏差值；该偏差值由主控计算机发送给控制主机的伺服计算机；(6)控制主机的伺服计算机根据控制算法驱动方位/高低伺服模块不断随动以补 偿偏差值，使观瞄镜分划中心紧跟目标影像；测距模块发出测距逻辑，控制激光测距，量测 与目标距离；(7)控制箱的主控计算机根据图像取差信息、控制主机的伺服反馈信息和激光测 距信息，实时解算目标位置和速度，建立目标航路诸元，通过控制箱的通信模块将诸元信息 发送给水炮伺服控制系统；(8)控制箱的通信模块具备RS232、RS485、CAN、MODEM和以太网等多种通信接口， 完成系统各个组成单元和外接设备之间的信息传送和不同通信接口之间的数据协议转换。(9)水炮及其伺服系统通过通信模块与目标坐标测定仪单元形成多节点的分布式 连接防御系统。各门水炮根据目标坐标测定仪单元下达的目标航路诸元信息，独立计算最 佳射击诸元，形成整个防御系统对目标的单门独立攻击或多门联合攻击。实施例本发明自动控制的反海盗高压含沙水炮系统的初始设置通过人机交互由 嵌入式键盘输入完成，初始化信息由主控计算机接收并存储。本发明对目标的探测和导引是通过大视场望远式数字光学搜索镜来完成。该搜索镜配备微型三轴测量仪，能够实时测 量搜索镜的方位角、高低角以及角速率等信息。在船载雷达初步确定可疑船只的方位后，操 作手通过搜索镜对预定方位执行搜索任务，当发现海盗船进入视场后自主调整搜索镜姿态 以尽量保证海盗船影像处于分划线中心，此时搜索镜上微型三轴测量仪的量测信息即为海 盗船方位角和高低角等信息。控制箱的主控计算机连续接收搜索镜的输出信息，通过与自身姿态信息的比较， 在显示屏上生成目标方向引导标识。操作手根据引导标识，利用控制手柄发送控制命令给 主控计算机，主控计算机将控制命令转发给控制主机的伺服计算机，以控制方位/高低伺 服模块驱动观瞄镜随动于搜索镜，将海盗船影像导入观瞄镜视场并稳定于视场中心。此时 操作手通过手柄的变焦按钮控制变焦驱动模块，使目标影像质量和显示清晰，再通过锁定 按钮即进入自动跟踪。在自动跟踪阶段，目标坐标测定仪分别接收可见光和红外热像仪采集的包含海盗 船或海盗影像的视频信息，通过图像融合模块和图像取差模块将海盗船或海盗与背景分 离，并计算影像质心与观瞄镜分划中心的偏差值。该偏差值作为目标坐标测定仪方位/高 低伺服模块的输入信息，驱动执行机构不断随动以补偿此差值，从而构成对海盗船或海盗 的闭环自动跟踪。同时，操作手通过手柄测距按钮控制激光测距模块6，实时量测与海盗船 或海盗的距离。主控计算机根据伺服系统位置姿态反馈、图像取差和激光测距等信息，实时 解算海盗船或海盗的位置及速度等运动信息，从而建立起稳定连续的运动航路。海盗船或海盗当前的航路诸元信息由主控计算机通过控制箱的通信模块发送给 分布式布置的各个高压含沙水炮系统。各水炮系统的伺服模块根据海盗船和本系统的位 置、姿态信息，计算最佳射击诸元。待收到目标坐标测定仪下达的攻击命令，即展开独立或 联合攻击。结合图4，图4表示的高压含沙水炮原理图阐述其工作原理与控制机理。含沙高 压水炮为一门或一门以上组成多节点的分布式系统，各含沙高压水炮包括水炮7、沙漏8及 其控制装置9、入水管10、工作平台11和基座15，沙漏8及其控制装置9安装于入水管10 上，该入水管10与水炮7相通，并固定安装在工作平台11上，工作平台11安装于基座15 之上，基座15包含高低/方位伺服控制装置(由高低轴及其电机12、方位轴及其电机13、 伺服计算机14组成)；高低/方位伺服控制装置通过通信模块与目标坐标测定仪形成多节 点的分布式连接防御网，各门水炮的伺服计算机14通过MODEM接收目标坐标测定仪下达的 目标航路诸元信息，结合水炮7的位置、姿态信息，计算最佳射击诸元，待收到目标坐标测 定仪下达的攻击命令，即展开对目标的单门独立攻击或多门联合攻击。伺服计算机14根据目标航路信息和自身位置姿态信息自动解算射击诸元，控制 伺服系统以驱动水炮轴指向最佳攻击位置；同时，根据目标坐标测定仪下达的指令，通过电 控混沙装置控制出沙口改变加沙流量和流速，如此即可实现对海盗船和海盗的一定强度和 杀伤力的自动攻击。相比于陆地上火炮等类似系统的控制，水炮在船载环境下的控制关键在于如何克 服船体晃动对控制精度的影响。传统方法是为水炮加装稳定平台，通过稳定平台抵消船体 晃动带来的扰动，使得水炮如同工作于陆基环境下一样。由于稳定平台一般结构复杂，价格 昂贵，会极大增加系统成本。因此，本发明通过测得水炮载体角速度信息(通过水炮惯性器
8件或者船体本身带有的惯性器件可以测得)，直接利用此信息完成对水炮的控制。使得水炮 即能随动于控制指令，又能隔离船体晃动造成的水炮轴线在惯性空间内的跳动。结合图5 的坐标系旋转示意图，在含沙高压水炮的伺服计算机14中，在晃动情况下其控制过程阐述 如下1.载体坐标系
权利要求
1.一种自动控制的反海盗高压含沙水炮系统，其特征在于由目标坐标测定仪、含沙高 压水炮、控制手柄和大视场望远式光学搜索镜组成，并布置于船只甲板的防御区域；其中， 目标坐标测定仪由控制主机和控制箱组成，控制主机包括高低伺服驱动模块[1]、方位伺服 驱动模块[2]、伺服计算机[3]、可见光CCD和红外热像仪组成的观瞄镜W]、变焦驱动模块 [5]和激光测距模块W]，控制箱包括图像融合及取差模块、主控计算机、显示屏、嵌入式键 盘和通信模块；在目标坐标测定仪内部，通信模块、变焦驱动模块、图像融合和取差模块、伺 服计算机、激光测距模块和主控计算机通过CAN总线连接，控制手柄和光学搜索镜作为外 部设备通过CAN总线连接主控计算机；观瞄镜[4]采集的视频信息由主控计算机转换为控 制箱显示屏要求的视频格式，发送给显示屏显示；控制箱通信模块通过MODEM连接含沙高 压水炮；数字光学搜索镜作为目标导引装置，由操作手手持观瞄，搜索可疑目标，在发现目标后 实施人工跟踪，使目标影像始终保持在搜索镜视场内，并通过搜索镜配置的微型三轴陀螺 仪实时输出搜索镜姿态角信息，发送给目标坐标测定仪的主控计算机接收；控制手柄摇动时输出的位置信息发送给目标坐标测定仪的主控计算机，主控计算机将 其转发给伺服计算机[3]接收，完成对目标坐标测定仪的控制；主控计算机根据目标坐标测定仪姿态信息和搜索镜姿态角信息，在显示屏上生成目标 引导标识；操作手根据引导标识，利用控制手柄发送控制命令给主控计算机，主控计算机将 控制命令转发给伺服计算机[3]，以控制方位/高低伺服模块驱动观瞄镜[4]随动于数字 光学搜索镜，将目标影像导入观瞄镜视场并稳定于视场中心；同时操作手通过控制手柄的 变焦按钮发送控制命令给主控计算机，主控计算机控制变焦驱动模块[5]使目标影像清晰 和显示位置理想；此时通过控制手柄的锁定按钮发出目标锁定指令，即进入自动跟踪；目 标坐标测定仪的图像融合模块对可见光CCD和红外热像仪采集的两路视频信息进行融合， 图像取差模块实现目标与背景的分离，提取目标信息并计算目标与观瞄镜分划中心的偏差 值；目标坐标测定仪的伺服计算机根据控制算法驱动高低[1]/方位[2]伺服模块不断随 动以补偿此偏差值，使观瞄镜[4]分划中心紧跟目标影像；同时操作手按下控制手柄的测 距按钮，发送控制命令给主控计算机，该主控计算机发出测距逻辑，控制激光测距模块[6] 量测与目标距离；自动跟踪时，主控计算机根据图像取差信息、伺服模块反馈信息和激光测距信息，实时 解算目标位置和速度，建立目标航路诸元，并通过通信模块将诸元信息发送给含沙高压水 炮。
2.根据权利要求1所述的自动控制的反海盗高压含沙水炮系统，其特征在于含沙高压 水炮为一门或一门以上组成多节点的分布式系统，各含沙高压水炮包括水炮[7]、沙漏[8] 及其控制装置[9]、入水管[10]、工作平台[11]和基座[15]，沙漏[8]及其控制装置[9]安 装于入水管[10]上，该入水管[10]与水炮[7]相通，并固定安装在工作平台[11]上，工作 平台[11]安装于基座[15]之上，基座[15]包含高低/方位伺服控制装置；高低/方位伺 服控制装置通过通信模块与目标坐标测定仪形成多节点的分布式连接防御网，各门水炮的 伺服计算机通过MODEM接收目标坐标测定仪下达的目标航路诸元信息，结合水炮[7]的位 置、姿态信息，计算最佳射击诸元，待收到目标坐标测定仪下达的攻击命令，即展开对目标的单门独立攻击或多门联合攻击。
3. 一种自动控制的反海盗高压含沙水炮系统的方法，其特征在于在含沙高压水炮的伺 服计算机[14]中，针对船体作为水炮载体在晃动情况下稳定控制的过程如下(1)载体坐标系Ov-XvYvZv,V系原点Ov在船体质心，xv轴沿船体艏艉向并指向艏部，yv 轴指向船体左侧，\轴垂直于甲板平面指向天顶，在实际使用时，常将Ov移至水炮环架坐标 系原点 处；(2)环架坐标系Of-XfYfZf,即F系原点Of取为水炮随动环架结构的支承中心，Xf轴指 向水炮轴线方向，YfOfZf平面垂直于\轴；依据水炮环架牵连运动次序，将F系与V系的旋转变换过程表示为
全文摘要
本发明公开了一种自动控制的反海盗高压含沙水炮系统及方法，所述系统由目标坐标测定仪、含沙高压水炮、控制手柄和大视场望远式光学搜索镜组成，并布置于船只甲板的防御区域；其中，目标坐标测定仪由控制主机和控制箱组成；在目标坐标测定仪内部，通信模块、变焦驱动模块、图像融合和取差模块、伺服计算机、激光测距模块和主控计算机通过总线连接，控制手柄和光学搜索镜作为外部设备通过总线连接主控计算机；观瞄镜采集的视频信息由主控计算机转换为控制箱显示屏要求的视频格式，发送给显示屏显示；控制箱通信模块连接含沙高压水炮。本发明充分利用光电技术对海盗船和海盗的信息捕获和处理，实现了对海盗劫掠行为具有威慑力的积极主动防御。
文档编号B63B59/00GK102145738SQ20101010527
公开日2011年8月10日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者刘娣, 吴盘龙, 张捷, 朱岩, 朱建良, 杜国平, 洪广平, 王向民, 王筱莉, 薄煜明, 赵高鹏, 邹卫军, 陈帅, 陈益 申请人:南京理工大学