專利名稱:自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統及方法
技術領域:
本發明屬于用于保護遠洋航運船只抵御海盜劫掠的綜合防御技術,特別是一種自 動控制的反海盜高壓含沙水炮系統及方法。
背景技術:
目前,由于海盜活動的日益猖獗,大中型商船、貨船和油輪等遠洋運輸船只的安全 問題開始得到國際間的廣泛關注。由于這些船只的商業性質和國際法以及途經國家法律的 限制,不可能配備武裝人員護衛或裝備武器系統以保護自身安全。而隨著海盜活動區域的 不斷加大加劇,即使在索馬里海域有各國海軍艦隊護航,其護航“盲區”亦日益凸顯。因此, 立足于船舶自衛的自防自救、加強防海盜訓練和演練,仍是航運船只防御海盜劫掠的基本 點。目前常用的措施有(1)以持續的雷達觀測配合正規了望搜尋可疑目標,爭取盡早發現 海盜船;( 利用不規則航路及加快船速爭取擺脫海盜船的跟蹤;C3)利用消防皮龍以及燃 燒瓶、石灰瓶和火把等自制投擲物阻止海盜靠近;(4)利用太平斧、木棒、刀具和其他工具, 解除海盜的繩梯掛鉤,阻止海盜登船。以上措施對防御海盜襲擊具有一定效果,中國“富強”號貨輪曾以此成功擊退海盜 三次襲擊。但是,現代海盜往往裝備有一定的輕重武器,其船只輕便、快速,機動性很強。航 運船只常用的防御措施還基本屬于被動防御,其成效受多種條件制約,成功可能性很小。依 靠皮龍、燃燒瓶等簡易工具正面抵抗手持武器的海盜,無法保障船員們的生命安全。防御措 施的攻擊性不強,很難對海盜形成心理威懾,更難以打擊其囂張氣焰。因此,適用于遠洋航運船只反海盜需求的系統,其基本要求是(1)不能是正規的 武器或武器系統;(2)只能是防御性質;(3)要具有操作安全性,在保證自身安全的情況下 進行反海盜活動;(4)對海盜有一定威懾力和殺傷力,但不宜致命。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具備威懾力和近距離殺傷力的自動控制高壓含沙水 炮,并配備具有光電探測和導引、圖像融合及處理、自動跟蹤控制以及光電通信等功能的目 標坐標測定儀的反海盜綜合防御系統及方法。實現本發明目的的技術解決方案為一種自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統, 由目標坐標測定儀、含沙高壓水炮、控制手柄和大視場望遠式光學搜索鏡組成,并布置于船 只甲板的防御區域;其中,目標坐標測定儀由控制主機和控制箱組成,控制主機包括高低伺 服驅動模塊、方位伺服驅動模塊、伺服計算機、可見光CCD和紅外熱像儀組成的觀瞄鏡、變 焦驅動模塊和激光測距模塊,控制箱包括圖像融合及取差模塊、主控計算機、顯示屏、嵌入 式鍵盤和通信模塊;在目標坐標測定儀內部,通信模塊、變焦驅動模塊、圖像融合和取差模 塊、伺服計算機、激光測距模塊和主控計算機通過CAN總線連接,控制手柄和光學搜索鏡作 為外部設備通過CAN總線連接主控計算機;觀瞄鏡采集的視頻信息由主控計算機轉換為控 制箱顯示屏要求的視頻格式,發送給顯示屏顯示;控制箱通信模塊通過MODEM連接含沙高
4壓水炮;數字光學搜索鏡作為目標導引裝置,由操作手手持觀瞄,搜索可疑目標,在發現目 標后實施人工跟蹤,使目標影像始終保持在搜索鏡視場內,并通過搜索鏡配置的微型三軸 陀螺儀實時輸出搜索鏡姿態角信息,發送給目標坐標測定儀的主控計算機接收;控制手柄搖動時輸出的位置信息發送給目標坐標測定儀的主控計算機,主控計算 機將其轉發給伺服計算機接收,完成對目標坐標測定儀的控制;主控計算機根據目標坐標測定儀姿態信息和搜索鏡姿態角信息,在顯示屏上生成 目標引導標識;操作手根據引導標識,利用控制手柄發送控制命令給主控計算機,主控計算 機將控制命令轉發給伺服計算機,以控制方位/高低伺服模塊驅動觀瞄鏡隨動于數字光學 搜索鏡,將目標影像導入觀瞄鏡視場并穩定于視場中心;同時操作手通過控制手柄的變焦 按鈕發送控制命令給主控計算機,主控計算機控制變焦驅動模塊使目標影像清晰和顯示位 置理想;此時通過控制手柄的鎖定按鈕發出目標鎖定指令,即進入自動跟蹤;目標坐標測 定儀的圖像融合模塊對可見光CCD和紅外熱像儀采集的兩路視頻信息進行融合,圖像取差 模塊實現目標與背景的分離,提取目標信息并計算目標與觀瞄鏡分劃中心的偏差值;目標坐標測定儀的伺服計算機根據控制算法驅動高低/方位伺服模塊不斷隨動 以補償此偏差值,使觀瞄鏡分劃中心緊跟目標影像;同時操作手按下控制手柄的測距按鈕, 發送控制命令給主控計算機,該主控計算機發出測距邏輯,控制激光測距模塊量測與目標 距離自動跟蹤時,主控計算機根據圖像取差信息、伺服模塊反饋信息和激光測距信息, 實時解算目標位置和速度,建立目標航路諸元,并通過通信模塊將諸元信息發送給含沙高 壓水炮。本發明與現有技術相比,其顯著優點本發明作為遠洋航運船只的反海盜防御系 統,相比于現在的防御技術,其最大的優點在于將高壓含沙水炮設計為一類分布式的、自動 控制、具備一定攻擊強度和殺傷力的智能化防御節點。其充分利用光電技術對海盜船和海 盜的信息捕獲和處理,實現了對海盜劫掠行為具有威懾力的積極主動防御,從而徹底改變 目前反海盜手段落后,措施單一,人員傷亡概率高的局面。其優點可具體闡述為(1)多手段探測目標,增加防御反應時間。由于海面情況復雜,船載雷達在目標 探測時會存在錯、漏的情況。而本系統將雷達探測目標與人工操作的大視場數字光學搜索 鏡搜索目標相配合,且配備了紅外熱像儀,可晝夜進行雷達與光學搜索,提高了目標發現概 率,增加了防御反應時間;(2)準確跟蹤目標,為積極防御創造條件。從發現海盜到海盜船靠近本船一般要間 隔十數分鐘。期間船員除了準備一些必要防御工具和隱蔽遮擋物外,只能被動等待海盜船 靠近發起進攻。而本系統在以上準備之外,還通過可見光、紅外熱像儀的圖像融合和圖像取 差技術在各種條件下對海盜船進行準確跟蹤,建立其穩定連續的航路信息,為實施主動防 御提供準備;(3)精確定位目標,主動防御準確打擊。由于獲取了海盜船準確的航路信息,高壓 含沙水炮可以在其伺服模塊的控制下,準確打擊目標。海盜必須登船才能控制船只,而高壓 含沙水炮射程可達30米-100米,其攻擊將會有效阻止對方靠近,甚至打翻其船只,對海盜 產生極大的威懾力;
(4)自動化程度高,分布式布置,有效降低人員可能的傷亡。航運船只在遭受海盜 攻擊時,需要船員借助消防皮龍和燃燒瓶等投擲物與海盜面對面交鋒,很難保證船員生命 安全。而本系統的高壓含沙水炮與目標坐標測定儀構成分布式布置的防御網絡,海盜船的 航路信息通過通信網絡實現共享;各門水炮根據海盜船航路信息解算最佳射擊諸元,實現 自動控制的單門獨立攻擊或多門聯合攻擊,整個過程無需人工操作,極大地保證了船員的 生命安全。下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
圖1是本發明的系統功能結構圖。圖2是本發明的主控制系統工作流程圖。圖3是本發明的目標坐標測定儀的控制主機原理示意圖。
圖4是本發明的高壓含沙水炮原理示意圖。圖5是本發明的水炮控制方法說明圖。圖6是本發明的系統通信結構圖。
具體實施例方式結合圖1、圖2和圖3,本發明自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統,由目標坐標 測定儀、含沙高壓水炮、控制手柄和大視場望遠式光學搜索鏡組成,并布置于船只甲板的防 御區域;其中,目標坐標測定儀由控制主機和控制箱組成,控制主機包括高低伺服驅動模塊 1、方位伺服驅動模塊2、伺服計算機3、可見光CXD和紅外熱像儀組成的觀瞄鏡4、變焦驅動 模塊5和激光測距模塊6,控制箱包括圖像融合及取差模塊、主控計算機、顯示屏、嵌入式鍵 盤和通信模塊;在目標坐標測定儀內部,通信模塊、變焦驅動模塊、圖像融合和取差模塊、伺 服計算機、激光測距模塊和主控計算機通過CAN總線連接,控制手柄和光學搜索鏡作為外 部設備通過CAN總線連接主控計算機;觀瞄鏡4采集的視頻信息由主控計算機轉換為控制 箱顯示屏要求的視頻格式,發送給顯示屏顯示;控制箱通信模塊通過MODEM連接含沙高壓 水炮。數字光學搜索鏡作為目標導引裝置,由操作手手持觀瞄,搜索可疑目標,在發現目 標后實施人工跟蹤,使目標影像始終保持在搜索鏡視場內,并通過搜索鏡配置的微型三軸 陀螺儀實時輸出搜索鏡姿態角信息,發送給目標坐標測定儀的主控計算機接收。控制手柄搖動時輸出的位置信息發送給目標坐標測定儀的主控計算機,主控計算 機將其轉發給伺服計算機3接收,完成對目標坐標測定儀的控制;手柄配置多個控制按鍵, 分別定義為鎖定和測距等功能鍵,按鍵信息同樣發送到目標坐標測定儀單元,以完成系統 設計的各項功能。主控計算機根據目標坐標測定儀姿態信息和搜索鏡姿態角信息,在顯示屏上生成 目標引導標識;操作手根據引導標識,利用控制手柄發送控制命令給主控計算機,主控計算 機將控制命令轉發給伺服計算機3,以控制高低/方位伺服模塊1、2驅動觀瞄鏡4隨動于數 字光學搜索鏡,將目標影像導入觀瞄鏡視場并穩定于視場中心;同時操作手通過控制手柄 的變焦按鈕發送控制命令給主控計算機,主控計算機控制變焦驅動模塊5使目標影像清晰和顯示位置理想;此時通過控制手柄的鎖定按鈕發出目標鎖定指令,即進入自動跟蹤;目 標坐標測定儀的圖像融合模塊對可見光CCD和紅外熱像儀采集的兩路視頻信息進行融合, 圖像取差模塊實現目標與背景的分離,提取目標信息并計算目標與觀瞄鏡分劃中心的偏差值。目標坐標測定儀的伺服計算機3根據控制算法(如PID控制)驅動高低/方位伺 服模塊1、2不斷隨動以補償此偏差值,使觀瞄鏡4分劃中心緊跟目標影像;同時操作手按下 控制手柄的測距按鈕,發送控制命令給主控計算機,該主控計算機發出測距邏輯,控制激光 測距模塊6,量測與目標距離。自動跟蹤時,主控計算機根據圖像取差信息、伺服模塊反饋信息和激光測距信息, 實時解算目標位置和速度,建立目標航路諸元(具體方法參見郭治《現代火控理論》國防工 業出版社1996),并通過通信模塊將諸元信息發送給含沙高壓水炮。具體功能描述如下(1)目標坐標測定儀單元的初始設定由控制箱的嵌入式鍵盤通過人機交互方式完 成,工作過程中的視頻圖像及目標信息顯示于控制箱的顯示屏;(2)目標坐標測定儀單元的控制主機以可見光CXD和紅外熱像儀組成觀瞄鏡,捕 獲目標的視頻影像信息;(3)目標坐標測定儀單元的導引方式包括雷達或光學、甚至人工導引。本系統以大 視場望遠式數字光學搜索鏡作為目標導引裝置,搜索鏡配備的微型三軸測量儀產生姿態角 信息,并發送給控制箱的主控計算機;(4)主控計算機根據控制主機伺服計算機反饋的姿態信息和搜索鏡姿態角信息, 在控制箱的顯示屏上生成目標引導標識;控制主機的伺服計算機控制方位/高低伺服模塊 以驅動觀瞄鏡隨動于搜索鏡,將目標影像導入觀瞄鏡視場并穩定于視場中心。在收到目標 鎖定指令后,開始自動跟蹤;(5)自動跟蹤階段,控制箱的圖像融合模塊對觀瞄鏡采集的兩路視頻信息進行融 合,圖像取差模塊實現目標與背景的分離,提取目標信息并計算目標與觀瞄鏡分劃中心的 偏差值;該偏差值由主控計算機發送給控制主機的伺服計算機;(6)控制主機的伺服計算機根據控制算法驅動方位/高低伺服模塊不斷隨動以補 償偏差值,使觀瞄鏡分劃中心緊跟目標影像;測距模塊發出測距邏輯,控制激光測距,量測 與目標距離;(7)控制箱的主控計算機根據圖像取差信息、控制主機的伺服反饋信息和激光測 距信息,實時解算目標位置和速度,建立目標航路諸元,通過控制箱的通信模塊將諸元信息 發送給水炮伺服控制系統;(8)控制箱的通信模塊具備RS232、RS485、CAN、MODEM和以太網等多種通信接口, 完成系統各個組成單元和外接設備之間的信息傳送和不同通信接口之間的數據協議轉換。(9)水炮及其伺服系統通過通信模塊與目標坐標測定儀單元形成多節點的分布式 連接防御系統。各門水炮根據目標坐標測定儀單元下達的目標航路諸元信息,獨立計算最 佳射擊諸元,形成整個防御系統對目標的單門獨立攻擊或多門聯合攻擊。實施例本發明自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統的初始設置通過人機交互由 嵌入式鍵盤輸入完成,初始化信息由主控計算機接收并存儲。本發明對目標的探測和導引是通過大視場望遠式數字光學搜索鏡來完成。該搜索鏡配備微型三軸測量儀,能夠實時測 量搜索鏡的方位角、高低角以及角速率等信息。在船載雷達初步確定可疑船只的方位后,操 作手通過搜索鏡對預定方位執行搜索任務,當發現海盜船進入視場后自主調整搜索鏡姿態 以盡量保證海盜船影像處于分劃線中心,此時搜索鏡上微型三軸測量儀的量測信息即為海 盜船方位角和高低角等信息。控制箱的主控計算機連續接收搜索鏡的輸出信息,通過與自身姿態信息的比較, 在顯示屏上生成目標方向引導標識。操作手根據引導標識,利用控制手柄發送控制命令給 主控計算機,主控計算機將控制命令轉發給控制主機的伺服計算機,以控制方位/高低伺 服模塊驅動觀瞄鏡隨動于搜索鏡,將海盜船影像導入觀瞄鏡視場并穩定于視場中心。此時 操作手通過手柄的變焦按鈕控制變焦驅動模塊,使目標影像質量和顯示清晰,再通過鎖定 按鈕即進入自動跟蹤。在自動跟蹤階段,目標坐標測定儀分別接收可見光和紅外熱像儀采集的包含海盜 船或海盜影像的視頻信息,通過圖像融合模塊和圖像取差模塊將海盜船或海盜與背景分 離,并計算影像質心與觀瞄鏡分劃中心的偏差值。該偏差值作為目標坐標測定儀方位/高 低伺服模塊的輸入信息,驅動執行機構不斷隨動以補償此差值,從而構成對海盜船或海盜 的閉環自動跟蹤。同時,操作手通過手柄測距按鈕控制激光測距模塊6,實時量測與海盜船 或海盜的距離。主控計算機根據伺服系統位置姿態反饋、圖像取差和激光測距等信息,實時 解算海盜船或海盜的位置及速度等運動信息,從而建立起穩定連續的運動航路。海盜船或海盜當前的航路諸元信息由主控計算機通過控制箱的通信模塊發送給 分布式布置的各個高壓含沙水炮系統。各水炮系統的伺服模塊根據海盜船和本系統的位 置、姿態信息,計算最佳射擊諸元。待收到目標坐標測定儀下達的攻擊命令,即展開獨立或 聯合攻擊。結合圖4,圖4表示的高壓含沙水炮原理圖闡述其工作原理與控制機理。含沙高 壓水炮為一門或一門以上組成多節點的分布式系統,各含沙高壓水炮包括水炮7、沙漏8及 其控制裝置9、入水管10、工作平臺11和基座15,沙漏8及其控制裝置9安裝于入水管10 上,該入水管10與水炮7相通,并固定安裝在工作平臺11上,工作平臺11安裝于基座15 之上,基座15包含高低/方位伺服控制裝置(由高低軸及其電機12、方位軸及其電機13、 伺服計算機14組成);高低/方位伺服控制裝置通過通信模塊與目標坐標測定儀形成多節 點的分布式連接防御網,各門水炮的伺服計算機14通過MODEM接收目標坐標測定儀下達的 目標航路諸元信息,結合水炮7的位置、姿態信息,計算最佳射擊諸元,待收到目標坐標測 定儀下達的攻擊命令,即展開對目標的單門獨立攻擊或多門聯合攻擊。伺服計算機14根據目標航路信息和自身位置姿態信息自動解算射擊諸元,控制 伺服系統以驅動水炮軸指向最佳攻擊位置;同時,根據目標坐標測定儀下達的指令,通過電 控混沙裝置控制出沙口改變加沙流量和流速,如此即可實現對海盜船和海盜的一定強度和 殺傷力的自動攻擊。相比于陸地上火炮等類似系統的控制,水炮在船載環境下的控制關鍵在于如何克 服船體晃動對控制精度的影響。傳統方法是為水炮加裝穩定平臺,通過穩定平臺抵消船體 晃動帶來的擾動,使得水炮如同工作于陸基環境下一樣。由于穩定平臺一般結構復雜,價格 昂貴,會極大增加系統成本。因此,本發明通過測得水炮載體角速度信息(通過水炮慣性器
8件或者船體本身帶有的慣性器件可以測得),直接利用此信息完成對水炮的控制。使得水炮 即能隨動于控制指令,又能隔離船體晃動造成的水炮軸線在慣性空間內的跳動。結合圖5 的坐標系旋轉示意圖,在含沙高壓水炮的伺服計算機14中,在晃動情況下其控制過程闡述 如下1.載體坐標系
權利要求
1.一種自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統,其特征在于由目標坐標測定儀、含沙高 壓水炮、控制手柄和大視場望遠式光學搜索鏡組成,并布置于船只甲板的防御區域;其中, 目標坐標測定儀由控制主機和控制箱組成,控制主機包括高低伺服驅動模塊[1]、方位伺服 驅動模塊[2]、伺服計算機[3]、可見光CCD和紅外熱像儀組成的觀瞄鏡W]、變焦驅動模塊 [5]和激光測距模塊W],控制箱包括圖像融合及取差模塊、主控計算機、顯示屏、嵌入式鍵 盤和通信模塊;在目標坐標測定儀內部,通信模塊、變焦驅動模塊、圖像融合和取差模塊、伺 服計算機、激光測距模塊和主控計算機通過CAN總線連接,控制手柄和光學搜索鏡作為外 部設備通過CAN總線連接主控計算機;觀瞄鏡[4]采集的視頻信息由主控計算機轉換為控 制箱顯示屏要求的視頻格式,發送給顯示屏顯示;控制箱通信模塊通過MODEM連接含沙高 壓水炮;數字光學搜索鏡作為目標導引裝置,由操作手手持觀瞄,搜索可疑目標,在發現目標后 實施人工跟蹤,使目標影像始終保持在搜索鏡視場內,并通過搜索鏡配置的微型三軸陀螺 儀實時輸出搜索鏡姿態角信息,發送給目標坐標測定儀的主控計算機接收;控制手柄搖動時輸出的位置信息發送給目標坐標測定儀的主控計算機,主控計算機將 其轉發給伺服計算機[3]接收,完成對目標坐標測定儀的控制;主控計算機根據目標坐標測定儀姿態信息和搜索鏡姿態角信息,在顯示屏上生成目標 引導標識;操作手根據引導標識,利用控制手柄發送控制命令給主控計算機,主控計算機將 控制命令轉發給伺服計算機[3],以控制方位/高低伺服模塊驅動觀瞄鏡[4]隨動于數字 光學搜索鏡,將目標影像導入觀瞄鏡視場并穩定于視場中心;同時操作手通過控制手柄的 變焦按鈕發送控制命令給主控計算機,主控計算機控制變焦驅動模塊[5]使目標影像清晰 和顯示位置理想;此時通過控制手柄的鎖定按鈕發出目標鎖定指令,即進入自動跟蹤;目 標坐標測定儀的圖像融合模塊對可見光CCD和紅外熱像儀采集的兩路視頻信息進行融合, 圖像取差模塊實現目標與背景的分離,提取目標信息并計算目標與觀瞄鏡分劃中心的偏差 值;目標坐標測定儀的伺服計算機根據控制算法驅動高低[1]/方位[2]伺服模塊不斷隨 動以補償此偏差值,使觀瞄鏡[4]分劃中心緊跟目標影像;同時操作手按下控制手柄的測 距按鈕,發送控制命令給主控計算機,該主控計算機發出測距邏輯,控制激光測距模塊[6] 量測與目標距離;自動跟蹤時,主控計算機根據圖像取差信息、伺服模塊反饋信息和激光測距信息,實時 解算目標位置和速度,建立目標航路諸元,并通過通信模塊將諸元信息發送給含沙高壓水 炮。
2.根據權利要求1所述的自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統,其特征在于含沙高壓 水炮為一門或一門以上組成多節點的分布式系統,各含沙高壓水炮包括水炮[7]、沙漏[8] 及其控制裝置[9]、入水管[10]、工作平臺[11]和基座[15],沙漏[8]及其控制裝置[9]安 裝于入水管[10]上,該入水管[10]與水炮[7]相通,并固定安裝在工作平臺[11]上,工作 平臺[11]安裝于基座[15]之上,基座[15]包含高低/方位伺服控制裝置;高低/方位伺 服控制裝置通過通信模塊與目標坐標測定儀形成多節點的分布式連接防御網,各門水炮的 伺服計算機通過MODEM接收目標坐標測定儀下達的目標航路諸元信息,結合水炮[7]的位 置、姿態信息,計算最佳射擊諸元,待收到目標坐標測定儀下達的攻擊命令,即展開對目標的單門獨立攻擊或多門聯合攻擊。
3. 一種自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統的方法,其特征在于在含沙高壓水炮的伺 服計算機[14]中,針對船體作為水炮載體在晃動情況下穩定控制的過程如下(1)載體坐標系Ov-XvYvZv,V系原點Ov在船體質心,xv軸沿船體艏艉向并指向艏部,yv 軸指向船體左側,\軸垂直于甲板平面指向天頂,在實際使用時,常將Ov移至水炮環架坐標 系原點 處;(2)環架坐標系Of-XfYfZf,即F系原點Of取為水炮隨動環架結構的支承中心,Xf軸指 向水炮軸線方向,YfOfZf平面垂直于\軸;依據水炮環架牽連運動次序,將F系與V系的旋轉變換過程表示為
全文摘要
本發明公開了一種自動控制的反海盜高壓含沙水炮系統及方法,所述系統由目標坐標測定儀、含沙高壓水炮、控制手柄和大視場望遠式光學搜索鏡組成,并布置于船只甲板的防御區域;其中,目標坐標測定儀由控制主機和控制箱組成;在目標坐標測定儀內部,通信模塊、變焦驅動模塊、圖像融合和取差模塊、伺服計算機、激光測距模塊和主控計算機通過總線連接,控制手柄和光學搜索鏡作為外部設備通過總線連接主控計算機;觀瞄鏡采集的視頻信息由主控計算機轉換為控制箱顯示屏要求的視頻格式,發送給顯示屏顯示;控制箱通信模塊連接含沙高壓水炮。本發明充分利用光電技術對海盜船和海盜的信息捕獲和處理,實現了對海盜劫掠行為具有威懾力的積極主動防御。
文檔編號B63B59/00GK102145738SQ20101010527
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月4日 優先權日2010年2月4日
發明者劉娣, 吳盤龍, 張捷, 朱巖, 朱建良, 杜國平, 洪廣平, 王向民, 王筱莉, 薄煜明, 趙高鵬, 鄒衛軍, 陳帥, 陳益 申請人:南京理工大學