一种反蛙人武器系统的控制终端及其控制方法与流程

本发明涉及监控与防卫技术领域，尤其是涉及一种反蛙人破坏的反蛙人武器系统控制终端，本发明还涉及一种反蛙人武器系统的控制方法。

背景技术

海洋有着丰富的资源，海洋对经济的发展具有重要作用，海洋设施在军事战略上有着极其重要的作用与地位。

随着人类经济活动的加强，人类对海洋资源的利用越来越频繁，海洋设施越来越多。海洋设施的价值高且具有重要作用和影响力，破坏后损失大、修复困难。这些特性使其极易成为恐怖分子和不法歹徒的破坏目标，也会成为敌对国破坏的目标，因此保护海洋设施的安全显得极其重要。部分海洋设施具有高隐蔽性、环境的特殊性，使得对这些设施的保护与防卫极其困难。而水下破坏人员一直被视为海洋设施的主要威胁之一，尤其是随着技术的发展，配备了高新装备的现代水下破坏人员的威胁更大，如：潜入海岸附近，对重要战略设施上(如核电站、港口、岛礁、钻塔等)进行破坏；潜入港口和军事基地进行破坏；对停靠在港内的船舶实施破坏等。

cn107860266a公开了一种水下装备防蛙人系统，包含：声呐发射和接收系统实时发射检测外部蛙人人体胸腔和/或气瓶声波的第一声波，并将采集到的外部蛙人人体胸腔和/或气瓶发出的第二声波转化成第一电信号向报警系统发射，磁感应系统用于实时感应蛙人呼吸器中的金属引起磁场变化的磁信号并将磁信号转换为第二电信号，且将第二电信号向报警系统发射；报警系统将第一与第二电信号进行叠加并与预设的差值信号标准值范围比较，报警系统根据比较结果进行报警或者继续检测操作。该申请具有快速探测和快速反应，实现水下工程装备的主动保护，避免蛙人水下破坏活动带来的危害。

反蛙人遥控武器站作战时可任意角度旋转，对数据采集、处理和传输的质量要求很高。现有技术中的防卫设施，可以检测到蛙人的出现，但没有适时追踪到蛙人的位置，更没有将蛙人的位置与防卫武器联动起来，其警示和打击作用有限。现有技术基于分立元件的控制终端存在器件离散性大、温漂严重、信息传输困难、难以实现复杂控制算法，易受电磁干扰等问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种能实现对海洋设施周边出现的目标进行实时探测、识别、跟踪、警示与打击的反蛙人武器系统的控制终端及该反蛙人武器系统的控制方法。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种反蛙人武器系统的控制终端，反蛙人武器系统包括便携式火控箱；与所述便携式火控箱连接的武器站和探测声呐；所述武器站具有平面旋转机构，与所述平面旋转机构顶部连接的俯仰机构，与所述俯仰机构连接的火力单元；所述反蛙人武器系统的控制终端包括设置在所述便携式火控箱内的火控计算机，与所述火控计算机连接的操作键盘和操作手柄，测量所述平面旋转机构旋转角度的第一绝度值编码器，测量所述俯仰机构俯仰角度的第二绝度值编码器，控制平面旋转机构旋转、俯仰机构俯仰和火力单元运行、采集第一绝度值编码器和第二绝度值编码器角度数据的控制器，计算火力单元余弹数量的计数器，测量武器站所处环境的温度传感器、湿度传感器、风速传感器、气压传感器；所述控制器通过can通讯模块与火控计算机连接；所述计数器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、气压传感器实时将测量数据反馈给所述火控计算机；第一绝度值编码器实时将平面旋转机构的旋转角度反馈给所述控制器，第二绝度值编码器将俯仰机构的俯仰角度反馈给所述控制器。

作为本发明的改进技术方案，本发明提供的反蛙人武器系统的控制终端，所述平面旋转机构包括底座，内圈与所述底座连接的交叉滚子轴承，与所述交叉滚子轴承的外圈连接的箱体，机座与所述箱体固定连接、输出轴与所述底座连接的第一电动机，通过支架与所述箱体连接、且与第一电动机的输出轴一端连接的第一绝度值编码器；所述俯仰机构包括与箱体上端连接的机架，分别与所述机架枢接的第一耳轴和第二耳轴，两侧分别与所述第一耳轴和第二耳轴连接的摇架，机座与所述机架固定连接、输出轴与所述第一耳轴连接的第二电动机，与所述第二电动机的外壳支架连接、且与第二电动机的转子一端连接的第二绝度值编码器；所述火力单元与所述摇架连接；所述火力单元与所述摇架固定连接。

为了解决上述技术问题，另一方面，本发明提供一种反蛙人武器系统的控制方法，反蛙人武器系统包括便携式火控箱；与所述便携式火控箱连接的武器站和探测声呐；所述武器站具有平面旋转机构，与所述平面旋转机构顶部连接的俯仰机构，与所述俯仰机构连接的火力单元；所述反蛙人武器系统设有控制终端，所述控制终端包括设置在所述便携式火控箱内的火控计算机，与所述火控计算机连接的操作键盘和操作手柄，测量所述平面旋转机构旋转角度的第一绝度值编码器，测量所述俯仰机构俯仰角度的第二绝度值编码器，控制平面旋转机构旋转、俯仰机构俯仰和火力单元运行、采集第一绝度值编码器和第二绝度值编码器角度数据的控制器，计算火力单元余弹数量的计数器，测量武器站所处环境的温度传感器、湿度传感器、风速传感器、气压传感器；所述控制器通过can通讯模块与火控计算机连接，所述计数器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、气压传感器实时将测量数据反馈给所述火控计算机，第一绝度值编码器实时将平面旋转机构的旋转角度反馈给所述控制器，第二绝度值编码器将俯仰机构的俯仰角度反馈给所述控制器；反蛙人武器系统作业过程包括以下步骤：

将探测声呐安装在海底或者岸边，或吊放在舰艇下，通过通讯电缆与便携式火控箱连接，并与电源连接；

将武器站固定在岸边或舰艇上，通过通讯电缆与便携式火控箱连接，并与电源连接；对火力单元进行弹药装填；

便携式火控箱上电开机后，火控计算机进行初始化，初始化后显示器上显示人机界面；火控计算机与控制器进行通信，第一绝度值编码器实时向控制器反馈火力单元的射击方向角度，第二绝度值编码器实时向控制器反馈火力单元的射击俯仰角度；计数器实时将余弹数量信息、环境温度、湿度、风速和大气压力信息上传至火控计算机；

系统检查设置和弹药装填正常后，启动探测声呐开机工作，系统进入执勤状态；

探测声呐对监测区域进行实时监测、目标识别与跟踪，发现目标侵入防区后，探测声呐发出报警信息；

探测声呐发现目标后，继续对监测区域进行监测，同时对发现的目标进行跟踪和报警；探测声呐把探测到的目标数据通过通讯电缆发送到火控计算机；

火控计算机接收探测声呐发送的目标信息，将目标信息进行变换和平滑滤波处理，将处理后的目标信息实时显示在火控计算机的显示器上；并根据目标信息，进行目标威胁性分析，系统进入作战工作模式；

作战工作模式分为自主作战模式和遥控作战模式，

自主作战模式：火控计算机根据目标威胁性分析后，自动锁定威胁程度最大的目标，根据锁定目标信息，运行射击诸元计算程序查询所述射表，求得火力单元的射击方向角度、俯仰角度及发射弹数；火控计算机通过can通讯模块向控制器传输火力单元的射击方向角度、俯仰角度及发射弹数指令；控制器控制平面旋转机构按指令的方向角度进行旋转，控制器控制俯仰机构按指令的角度进行旋转；火控计算机检测到火力单元的射击方向角度、俯仰角度调整到位后，火控计算机通过can通讯模块向控制器传输火力单元发射指令，控制器控制火力单元按发射指令进行射击；控制器实时通过can总线向火控计算机反馈指令执行后的状态参数；

遥控作战模式：操作员启动便携式火控箱上的人工操作按键，进入遥控作战模式；操作员根据火控计算机的提示进行人工决策，操纵操作手柄锁定显示器上出现的目标，并根据火控计算机的提示人工选择射击方案；火控计算机根据锁定目标信息，运行射击诸元计算程序查询所述射表，求得火力单元的射击方向角度、俯仰角度及发射弹数；火控计算机向控制器传输火力单元的射击方向角度、俯仰角度及发射弹数指令；控制器控制平面旋转机构按指令的方向角度进行旋转，控制器控制俯仰机构按指令的角度进行旋转；火控计算机检测到火力单元的射击方向角度、俯仰角度调整到位后，发出准备就绪信息，操作人员按下射击控制按钮，控制器控制火力单元按发射指令进行射击；控制器实时通过can总线向火控计算机反馈指令执行后的状态参数；

系统显示余弹数量不足时，人工对火力单元进行弹药装填。

作为本发明的优选技术方案，本发明提供的反蛙人武器系统的控制方法，目标威胁性分析包括火控计算机将探测声呐传递的目标数据解析为目标列表，目标列表包括坐标、航向、航速、目标类型，火控计算机根据以下目标威胁程度公式计算判定威胁等级；

威胁程度公式:w＝k1*w1+k2*w2+k3*w3+k4*w4

w1:为目标类型威胁程度值，按无人潜航器，蛙人运载器，闭式蛙人，开放式蛙人分为4个威胁等级，赋予w1不同数值；

w2:为航向威胁程度值，按目标舷角的大小划分危险等级，在0～90°划分10个角度区间分为10个威胁等级，赋予w2不同数值；所述目标舷角是被保护的海洋设施与被发现水下目标的连线与水下目标航向之间的夹角，当目标舷角≥90°时，目标在逐渐远离被保护的海洋设施，没有攻击被保护海洋设施的企图；当目标舷角＜90°时，目标在向被保护的海洋设施接近，有攻击被保护海洋设施的企图；

w3:为航速威胁程度值,目标航速越大，威胁越大，在航速2节至20节范围内划分为10个速度区间，分10个威胁等级，赋予w3不同数值；

w4:为目标距离威胁程度值,目标离我越近，威胁越大，在目标距离100m至1000m范围内划分为10个距离区间，分10个威胁等级，赋予w4不同数值；

k1、k2、k3、k4为各因素的加权系数，因素越重要，对应加权系数越大，赋予的值越大；

w为目标威胁程度值，威胁等级按w值划分，当第一设定值≤w时，威胁等级为高；当第二设定值≤w＜第一设定值时，威胁等级为中；当第三设定值≤w＜第二设定值时，威胁等级为低；当w＜第三设定值时，威胁等级为无；第一设定值＞第二设定值＞第三设定值。

作为本发明的优选技术方案，本发明提供的反蛙人武器系统的控制方法，火力单元的射击方向角β计算模型如下：

按下列公式计算出锁定目标相对于火力单元在水平面上的方向角度绝度值β＇：

β＇＝arctan(|gexyz(3)/gexyz(1)|),β＇∈(0,90°)

由于实际的射击方向角β存在正负，且有大于90°的情况，因此最终的射击方向角需要根据gexyz分量进行正负关系转化，最终的实际射击方向角β转化如下：

1)若gexyz(3)≥0，且gexyz(1)>0，则β＝β′；

2)若gexyz(3)≥0，且gexyz(1)<0，则β＝180°-β′；

3)若gexyz(3)>0，且gexyz(1)＝0，则β＝90°；

4)若gexyz(3)≤0，且gexyz(1)>0，则β＝-β′；

5)若gexyz(3)≤0，且gexyz(1)<0，则β＝-180°+β′；

6)若gexyz(3)<0，且gexyz(1)＝0，则β＝-90°；

gexyz为地理坐标下水平面上两个方向的分量

gexyz(3)＝ge(ez2-ez1)

gexyz(1)＝ge(ex2-ex1)

ge为地心坐标系到地理坐标系下的转化矩阵

ex1、ez1火力单元在地心坐标系下水平面上的坐标值

ex2、ez2锁定的目标在地心坐标系下水平面上的坐标值

火力单元的射击俯仰角度，依据火力单元距锁定目标的距离、火力单元的发射弹丸速度、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、气压传感器获得的环境温度、湿度、风速、气压参数，采用弹道微分方程组方法，计算出火力单元射表，然后采用最小二乘法来拟合出射表的7阶多项式：

θ＝k0+k1*x^-1+k2*x²+k3*x^-3+k4*x^-4+k5*x^-5+k6*x^-6+k7*x^-7

式中：x：火力单元距锁定目标的距离单位m

θ：射击俯仰角单位°

k0、k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7为常数。

本发明提供的技术方案，能方便地自动调整火力单元的射击方向和俯仰角度。能实现对海洋设施周边出现的目标进行实时探测、识别、跟踪、警示与打击。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例反蛙人武器系统的结构原理示意图；

图2为实施例反蛙人武器系统的武器站的结构原理示意图；

图3为图2武器站的平面旋转机构结构原理示意图；

图4为图2武器站的俯仰机构结构原理示意图；

图5为图4的轴向剖面结构原理示意图；

图6为实施例反蛙人武器系统的便携式火控箱的结构原理示意图；

图7为实施例反蛙人武器系统的控制终端的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图7所示的反蛙人武器系统的控制终端，反蛙人武器系统包括便携式火控箱1，与便携式火控箱1连接的武器站2和探测声呐3，武器站2具有平面旋转机构202，与平面旋转机构202顶部连接的俯仰机构203，与俯仰机构203连接的火力单元201，反蛙人武器系统的控制终端包括设置在便携式火控箱1内的火控计算机204，与火控计算机204连接的操作键盘205、操作手柄206、显示器218，测量平面旋转机构202旋转角度的第一绝度值编码器207，测量俯仰机构203俯仰角度的第二绝度值编码器208，控制平面旋转机构202旋转、俯仰机构203俯仰和火力单元201运行、采集第一绝度值编码器207和第二绝度值编码器208角度数据的控制器，计算火力单元201余弹数量的计数器、测量武器站2所处环境的温度传感器、湿度传感器、风速传感器、气压传感器；控制器通过can通讯模块与火控计算机204连接；计数器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、气压传感器实时将测量数据反馈给火控计算机204；第一绝度值编码器207实时将平面旋转机构202的旋转角度反馈给所述控制器，第二绝度值编码器208将俯仰机构203的俯仰角度反馈给控制器，控制器及时将平面旋转机构202的旋转角度信息和俯仰机构203的俯仰角度信息反馈给火控计算机204。

可选地，如图3至图5所示，本发明提供的反蛙人武器系统的控制终端，所述平面旋转机构202包括底座209，内圈与底座209连接的交叉滚子轴承210，与交叉滚子轴承210的外圈连接的箱体211，机座与底座209固定连接、输出轴212与箱体211传动连接的第一电动机，通过支架与箱体211连接、且与第一电动机的输出轴212一端连接的第一绝度值编码器207；俯仰机构203包括与箱体211上端连接的机架213，分别与机架213枢接的第一耳轴214和第二耳轴215，两侧分别与第一耳轴214和第二耳轴215连接的摇架216，机座与机架213固定连接、输出轴与第一耳轴214连接的第二电动机217，与第二电动机217的外壳支架连接、且与第二电动机217的转子一端连接的第二绝度值编码器208；火力单元201与摇架216连接；火力单元201与摇架216固定连接。平面旋转机构202的底座209与箱体211之间采用交叉滚子轴承210连接，因滚子与轨道表面成线状接触，刚性高，能获得高精度地旋转运动，可减小火力单元201射击方向调整时的误差。

第一电动机、第二电动机217可选用哈默那科谐波减速电动机，该型号具有轻量、小型、高精度、可靠性高的特点，该型号电机具有自锁功能，能够对机组件施加锁定作用，固定位置。

通过平面旋转机构202可调整火力单元201的水平射击方向，通过俯仰机构203可调整火力单元201的射击俯仰角度，实现对目标的跟踪。

反蛙人武器系统作业过程包括以下步骤：

将探测声呐3安装在海底或者岸边，或吊放在舰艇下，通过通讯电缆与便携式火控箱1连接，并与电源连接；

将武器站固定在岸边或舰艇上，通过通讯电缆与便携式火控箱1连接，并与电源连接；对火力单元201进行弹药装填；

便携式火控箱1上电开机后，火控计算机进行初始化，初始化后显示器上显示人机界面；火控计算机与控制器进行通信，第一绝度值编码器207实时向控制器反馈火力单元201的射击方向角度，第二绝度值编码器208实时向控制器反馈火力单元201的射击俯仰角度；计数器、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、气压传感器实时将余弹数量信息、环境温度、湿度、风速和大气压力信息上传至火控计算机204；

系统检查设置和弹药装填正常后，启动探测声呐3开机工作，系统进入执勤状态；

探测声呐3对监测区域进行实时监测、目标识别与跟踪，发现目标侵入防区后，探测声呐3发出报警信息；

探测声呐3发现目标后，继续对监测区域进行监测，同时对发现的目标进行跟踪和报警；探测声呐3把探测到的目标数据通过通讯电缆发送到火控计算机204；

火控计算机204接收探测声呐3发送的目标信息，将目标信息进行变换和平滑滤波处理，将处理后的目标信息实时显示在显示器218上；并根据目标信息，进行目标威胁性分析，系统进入作战工作模式；

作战工作模式分为自主作战模式和遥控作战模式，

自主作战模式：火控计算机204根据目标威胁性分析后，自动锁定威胁程度最大的目标，根据锁定目标信息，运行射击诸元计算程序查询所述射表，求得火力单元201的射击方向角度、俯仰角度及发射弹数；火控计算机204通过can通讯模块向控制器传输火力单元201的射击方向角度、俯仰角度及发射弹数指令；控制器控制平面旋转机构202按指令的方向角度进行旋转，控制器控制俯仰机构203按指令的角度进行旋转；火控计算机204检测到火力单元201的射击方向角度、俯仰角度调整到位后，火控计算机204通过can通讯模块向控制器传输火力单元201发射指令，控制器控制火力单元201按发射指令进行射击；控制器实时通过can总线向火控计算机反馈指令执行后的状态参数；

遥控作战模式：操作员启动便携式火控箱1上的人工操作按键，进入遥控作战模式；操作员根据火控计算机204的提示进行人工决策，操纵操作手柄206锁定显示器218上出现的目标，并根据火控计算机204的提示人工选择射击方案；火控计算机204根据锁定目标信息，运行射击诸元计算程序查询所述射表，求得火力单元201的射击方向角度、俯仰角度及发射弹数；火控计算机204向控制器传输火力单元201的射击方向角度、俯仰角度及发射弹数指令；控制器控制平面旋转机构202按指令的方向角度进行旋转，控制器控制俯仰机构203按指令的角度进行旋转；火控计算机204检测到火力单元201的射击方向角度、俯仰角度调整到位后，发出准备就绪信息，操作人员按下射击控制按钮，控制器控制火力单元201按发射指令进行射击；控制器实时通过can总线向火控计算机反馈指令执行后的状态参数；

系统显示余弹数量不足时，人工对火力单元201进行弹药装填。

目标威胁性分析包括火控计算机204将探测声呐3传递的目标数据解析为目标列表，目标列表包括坐标、航向、航速、目标类型，火控计算机204根据以下目标威胁程度公式计算判定威胁等级；

威胁程度公式:w＝k1*w1+k2*w2+k3*w3+k4*w4

w1:为目标类型威胁程度值，按无人潜航器，蛙人运载器，闭式蛙人，开放式蛙人分为4个威胁等级，赋予w1不同数值；

w2:为航向威胁程度值，按目标舷角的大小划分危险等级，在0～90°划分10个角度区间分为10个威胁等级，赋予w2不同数值；所述目标舷角是被保护的海洋设施与被发现水下目标的连线与水下目标航向之间的夹角，当目标舷角≥90°时，目标在逐渐远离被保护的海洋设施，没有攻击被保护海洋设施的企图；当目标舷角＜90°时，目标在向被保护的海洋设施接近，有攻击被保护海洋设施的企图；

w3:为航速威胁程度值，目标航速越大，威胁越大，在航速2节至20节范围内划分为10个速度区间，分10个威胁等级，赋予w3不同数值；

w4:为目标距离威胁程度值,目标离我越近，威胁越大，在目标距离100m至1000m范围内划分为10个距离区间，分10个威胁等级，赋予w4不同数值；

k1、k2、k3、k4为各因素的加权系数，因素越重要，对应加权系数越大，赋予的值越大；

w为目标威胁程度值，威胁等级按w值划分，当第一设定值≤w时，威胁等级为高；当第二设定值≤w＜第一设定值时，威胁等级为中；当第三设定值≤w＜第二设定值时，威胁等级为低；当w＜第三设定值时，威胁等级为无；第一设定值＞第二设定值＞第三设定值。

火力单元201的射击方向角β计算模型如下：

按下列公式计算出锁定目标相对于火力单元201在水平面上的方向角度绝度值β＇：

β＇＝arctan(|gexyz(3)/gexyz(1)|),β＇∈(0,90°)

由于实际的射击方向角β存在正负，且有大于90°的情况，因此实际的射击方向角需要根据gexyz分量进行正负关系转化，最终的实际射击方向角β转化如下：

1)若gexyz(3)≥0，且gexyz(1)>0，则β＝β′；

2)若gexyz(3)≥0，且gexyz(1)<0，则β＝180°-β′；

3)若gexyz(3)>0，且gexyz(1)＝0，则β＝90°；

4)若gexyz(3)≤0，且gexyz(1)>0，则β＝-β′；

5)若gexyz(3)≤0，且gexyz(1)<0，则β＝-180°+β′；

6)若gexyz(3)<0，且gexyz(1)＝0，则β＝-90°；

gexyz为地理坐标下水平面上两个方向的分量

gexyz(3)＝ge(ez2-ez1)

gexyz(1)＝ge(ex2-ex1)

ge为地心坐标系到地理坐标系下的转化矩阵

ex1、ez1火力单元201在地心坐标系下水平面上的坐标值

ex2、ez2锁定的目标在地心坐标系下水平面上的坐标值

火力单元201的射击俯仰角度，依据火力单元201距锁定目标的距离、火力单元201的发射弹丸速度、温度传感器、湿度传感器、风速传感器、气压传感器获得的环境温度、湿度、风速、气压等参数，按照北京理工大学出版社2009年第1版《火炮弹道学》提出的理论与方法，采用弹道微分方程组方法，计算出火力单元射表(式样如下表1)，然后采用最小二乘法来拟合出射表的7阶多项式：

θ＝k0+k1*x^-1+k2*x²+k3*x^-3+k4*x^-4+k5*x^-5+k6*x^-6+k7*x^-7

式中：x：武器站距锁定目标的距离单位m

θ：射击俯仰角单位°

k0、k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7为常数。

表1：火力单元射表

对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明权利要求的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。