一种枪械自动瞄准系统及其工作方法

摘要

本发明公开了一种枪械自动瞄准系统及其工作方法，其中的自动瞄准系统由云台运动模块，控制器模块，视频传输模块和遥控器模块四部分组成，通过云台的转动带动其上搭载的枪械的转动，用以实现枪械对目标的自动瞄准；通过控制器模块实现瞄准云台上的枪械对目标的自动瞄准；通过视频传输模块实现操作人员对现场的实时监控；通过遥控器模块实现无线遥控功能。本发明瞄准系统可以临时移动或事先放置在需要打击目标的伏击场所，代替武警或狙击手在伏击地待命，不但避免了武警或狙击手因长期设伏对身体带来的生理极限挑战，而且克服了人直接操控武器，因呼吸而影响瞄准精度的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及枪械瞄准技术，尤其涉及反恐防暴机器人枪械装备和狙击枪的 自动化瞄准系统。

背景技术

目前，有各式各样的反恐防暴机器人，但是，它们多数以完成对各种危险 物品的操作为主要任务。虽然有些也配备了某种武器装备，如，霰弹枪或催泪 弹等，但是其针对具体目标的精准性往往不高。

另外，部队或武警里都配备了一些狙击手，但是他们都是以人作为武器的 直接操控者来实现对狙击目标的瞄准与射击，由人直接操控武器，具有呼吸会 影响瞄准精度、长期设伏的话会挑战人的生理极限等系列问题。

由于反恐防暴及狙击手任务现场具有很大的复杂性与危险性，所以，如何 最大限度地保护反恐防暴队员或狙击手的安全，而又能有效地完成对歹徒或着 狙击目标的打击，这是需要亟待解决的一个问题。

发明内容

为了提高反恐防暴机器人的功能，或代替狙击手完成相应的工作任务，有效 地完成对歹徒或着狙击目标的打击，最大限度地保护反恐防暴队员或狙击手的 安全，本发明提供一种枪械自动瞄准系统，该系统通过人的遥控观察与引导， 实现对攻击目标的锁定，并实现枪械等武器对目标的自动瞄准。

本发明同时提供这种枪械自动瞄准系统的工作方法。

为达上述目的，本发明的枪械自动瞄准系统采取的技术方案是： 它由云台运动模块，控制器模块，视频传输模块和遥控器模块四部分组成，其 中：

所述的云台运动模块，是在基座两端对称安装有两个云台，分别称为引导 云台和瞄准云台，其中：每个云台都包括一个固定在基座上的云台座，云台座 内固定有立式电机，立式电机轴上安装有水平旋转云台架，在水平旋转云台架 上还安装有卧式电机，卧式电机上安装有仰俯旋转云台架；在引导云台的仰俯 旋转云台架上安装有激光测距传感器和视频传输模块的摄像头；在瞄准云台的 仰俯旋转云台架上搭载有枪械。通过引导云台的的立式电机和卧式电机的驱动， 分别实现引导云台的两个云台架的转动，以对现场情况进行实时视频监控和对 目标的激光测距，并将所测得的距离信息发送至控制器模块；通过瞄准云台的 立式电机和卧式电机的驱动，分别实现瞄准云台的两个云台架的转动，从而带 动其上搭载的枪械的转动，用以实现枪械对目标的自动瞄准。

所述的控制器模块由无线接收模块、嵌入式微控制器、串口通讯模块和供 电电源模块组成，信号传输关系是：一方面经无线接收模块接收遥控器模块发 来的控制信号，再经嵌入式微控制器对控制信号进行检测，然后经串口通讯模 块向引导云台的引导俯仰旋转驱动电机和引导水平旋转驱动电机发送运动命 令；一方面经串口通讯模块接收引导俯仰旋转驱动电机和引导水平旋转驱动电 机反馈回的旋转角度信息和激光测距传感器探测到的目标距离信息，再通过嵌 入式微控制器进行云台关节空间坐标关系的正逆解计算，得出瞄准云台的瞄准 俯仰旋转驱动电机和瞄准水平旋转驱动电机应该运动的旋转角度信息，再经串 口通讯模块向瞄准俯仰旋转驱动电机和瞄准水平旋转驱动电机发送相应的运动 指令，以实现瞄准云台上的枪械对目标的自动瞄准。

所述的视频传输模块由摄像头、无线视频传输模块和显示终端组成，摄像 头搭载在引导云台上，用以采集现场图像，并通过无线视频传输模块发送至显 示终端，以实现操作人员对现场的实时监控。

所述遥控器模块由操作模块、处理器和无线发送模块组成，操作模块将作 业人员的操作动作转换成电信号传输至处理器，经过处理器对操作信号进行处 理，再通过无线发送模块发送至控制器模块，实现无线遥控功能。

利用上述枪械自动瞄准系统实施瞄准的方法主要包含如下步骤：

步骤一、通过视频传输模块的摄像头采集现场图像，并经过无线视频模块 将图像发送至显示终端；

步骤二、操作者通过显示终端的图像，观察测距激光束是否指向打击目标， 若是，转向步骤五，若否，继续步骤三；

步骤三、操作者通过遥控器模块的操作模块发出引导云台相应关节的转动操作 信号，以去调整激光测距传感器的测距激光束指向目标，操作信号经处理器处理后， 通过无线发送模块发送给控制器模块；

步骤四、控制器模块通过其无线接收模块接受遥控器模块的无线发送模块发 来的操作信号，经嵌入式微控制器处理后，由串口通讯模块发送指令给云台运动 模块，去驱动引导云台的立式电机和卧式电机进行相应转动，以将激光测距传 感器的测距激光束对准目标并实时测量目标距离；

步骤五、控制器模块的串口通讯模块采集引导云台的立式电机和卧式电机 的旋转角度信息及激光测距传感器测量的目标距离信息，并将这些信息传回嵌 入式微控制器；

步骤六、控制器模块的嵌入式微控制器根据传回的电机旋转角度信息及目 标距离信息进行云台关节空间坐标关系的正逆解计算，得到瞄准云台的立式电 机转角β₁、卧式电机转角β₂以及枪械瞄准具到目标间的瞄准线长度Rx₃数值；

步骤七、控制器模块的嵌入式微控制器将云台关节空间坐标关系的正逆解 计算结果，转换成对瞄准云台的立式电机和卧式电机的控制指令，再经串口通 讯模块发送给云台运动模块，去驱动瞄准云台的立式电机和卧式电机进行相应 转动，以将枪械的瞄准线自动对准目标，实现本次瞄准任务；

步骤八、操作者判断瞄准系统是否需要继续工作，若是，则转向步骤一， 若否，则退出工作关机。

上述步骤六中正逆解计算方法包含如下步骤:

步骤6.1、在引导云台上分别建立O₀-X₀Y₀Z₀坐标系，O₁-X₁Y₁Z₁坐标系， O₂-X₂Y₂Z₂坐标系和O₃-X₃Y₃Z₃坐标系，分别简称为O₀、O₁、O₂、O₃坐标系(下 同)，初始时，各个坐标系的X轴方向朝向正前方，Y轴方向朝向左方，Z轴方 向朝向正上方，构成一个右手系，其中：

O₀坐标系建在引导云台的水平旋转关节的底端中心平面上，为引导云台的基础坐 标系；

O₁坐标系建在引导云台水平旋转关节轴线的正上方，绑定在引导云台的水平 旋转云台架上,其原点正好在引导云台的水平旋转关节轴线与俯仰运动关节轴 线交叉点上，O₁坐标系跟随着引导云台的水平旋转云台架的转动而转动，其转 角用θ₁表示；

O₂坐标系绑定在引导云台的俯仰旋转云台架上，其原点与O₁坐标系原点重 合，O₂坐标系不仅跟随着引导云台的水平旋转云台架的水平转动而转动，还跟 随着引导云台的俯仰旋转云台架的俯仰转动而转动，其随引导云台的俯仰旋转 云台架俯仰转动的转角用θ₂表示；

O₃坐标系建在O₂坐标系的Z₂轴方向某高度上，与激光测距传感器绑定在一 起，且激光测距传感器的测距激光束方向与X₃轴的方向重合，O₃同O₂一样，随 着引导云台的水平旋转云台架和引导云台的俯仰旋转云台架的转动而做两个方 向的转动，O₃坐标系与O₂坐标系保持平动关系，用来表示激光测距传感器的测 距激光束所指向的目标在O₂坐标系中的矢量描述。

步骤6.2、进行云台关节空间坐标关系的正解计算：

将O₀坐标系对瞄准云台的基础坐标系O’₀的平动关系用A₀描述，将O₁坐标系 对O₀坐标系的水平旋转关系用A₁描述，将O₂坐标系对O₁坐标系的俯仰旋转关系 用A₂描述，将激光测距传感器所指目标相对O₂坐标系的矢量关系用A₃描述，那 么，可将激光测距传感器所指目标在瞄准云台的基础坐标系O’₀中的矢量描述表 示为T，则有：

T＝A₀·A₁·A₂·A₃          (1)

根据前述描述可得如下系列矩阵：

$\left(\begin{array}{c}{A}_0=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& \mathrm{Py}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ A_1=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\theta }_1& -\sin {\theta }_1& 0& 0\\ \sin {\theta }_1& \cos {\theta }_1& 0& 0\\ 0& 0& 1& {\mathrm{Pz}}_1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ A_2=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\theta }_2& 0& \sin {\theta }_2& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin {\theta }_2& 0& \cos {\theta }_2& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ A_3={\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{Px}}_3& {\mathrm{Py}}_3& {\mathrm{Pz}}_3& 1\end{array}\right)}^T\\ T={\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{Px}}_0& {\mathrm{Py}}_0& {\mathrm{Pz}}_0& 1\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中：

Py为引导云台与瞄准云台之间的中心距离，为已知

Pz₁为O₁坐标系相对O₀坐标系的高度，为已知

θ₁为引导云台的立式电机的转角，从上方看，逆时针为正，顺时针为负，可 以实时测量得到；

θ₂为引导云台的卧式电机的转角，从侧面看，下俯为正，上仰为负，可以 实时测量得到；

Px₃为激光测距传感器所指目标的测量距离，可以实时测量得到；

Py₃＝0；

Pz₃为激光测距传感器在Z₂轴上方的高度描述，为已知；

Px₀，Py₀，Pz₀分别为目标在瞄准云台的基础坐标系O’₀中的三维坐标计算 值；

对T的求解过程就是云台关节空间坐标关系的正解计算，这是通过所测得的 引导云台的立式电机转角θ₁，引导云台的水平旋转驱动电机转角θ₂以及激光测距 传感器测得的目标距离Px₃的数值，来定位目标在瞄准云台的基础坐标系O’₀中位 置的过程。

步骤6.3、在瞄准云台上分别建立O’₀-X’₀Y’₀Z’0坐标系，O’₁-X’₁Y’₁Z’₁坐标系， O’₂-X’₂Y’₂Z’₂坐标系和O’₃-X’₃Y’₃Z’₃坐标系，分别简称为O’₀、O’₁、O’₂、O’₃坐标系(下 同)，初始时，各个坐标系的X轴方向朝向正前方，Y轴方向朝向左方，Z轴方 向朝向正上方，构成一个右手系，其中：

O’₀坐标系建在瞄准云台的水平旋转关节的底端中心平面上，为瞄准云台的基础 坐标系；

O’₁坐标系建在瞄准云台的水平旋转关节轴线的正上方，绑定在瞄准水平旋 转云台架上，其原点正好在瞄准云台的水平旋转关节轴线与俯仰运动关节轴线 交叉点上，O’₁坐标系跟随着瞄准云台的水平旋转云台架的转动而转动，其转角 用β₁表示；

O’₂坐标系绑定在瞄准云台的俯仰旋转云台架上，其原点与O’₁坐标系原点重 合，O’₂坐标系不仅跟随着瞄准云台的水平旋转云台架的水平转动而转动，还跟 随着瞄准云台的俯仰旋转云台架的俯仰转动而转动，其随着瞄准云台的俯仰旋 转云台架俯仰转动的转角用β₂表示；

O’₃坐标系建在O’₂坐标系的Z’₂轴方向某高度上，与枪械绑定在一起，且枪械 的瞄准具瞄准线的方向与X’₃轴的方向重合，O’₃和O’₂一样，随着瞄准水平旋转云 台架和瞄准俯仰旋转云台架的转动而做两个方向的转动，O’₃坐标系与O’₂坐标系 保持平动关系，用来表示枪械的瞄准线所指向的目标在O’₂坐标系中的矢量描述。

步骤6.4、进行云台关节空间坐标关系的逆解计算：

将O’₁坐标系对瞄准云台的基础坐标系O’₀的水平旋转关系用B₁描述，将O’₂坐 标系对O’₁坐标系的俯仰旋转关系用B₂表述，将枪械的瞄准线所指目标相对O’₂坐 标系的矢量关系用B₃描述，那么，可以将枪械的瞄准线所指目标在瞄准云台的 基础坐标系O’₀中的矢量描述表示为S，则有：

S＝B₁·B₂·B₃             (3)

因为激光测距传感器所指目标与枪械的瞄准线所指目标是同一个点，所以有：

S＝T               (4)

而且根据前述描述可得如下系列矩阵：

$\left(\begin{array}{c}{B}_1=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\beta }_1& -\sin {\beta }_1& 0& 0\\ \sin {\beta }_1& \cos {\beta }_1& 0& 0\\ 0& 0& 1& {\mathrm{Rz}}_1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ B_2=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\beta }_2& 0& \sin {\beta }_2& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin {\beta }_2& 0& \cos {\beta }_2& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ B_3={\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{Rx}}_3& {\mathrm{Ry}}_3,& {\mathrm{Rz}}_3,& 1\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中：Rz₁为O’₁坐标系相对O’₀坐标系的高度，为已知

β₁为瞄准云台的立式电机的转角，从上方看，逆时针为正，顺时针为负， 是需求解量

β₂为瞄准云台的卧式电机的转角，从侧面看，下俯为正，上仰为负，是 需求解量

Rx₃为枪械瞄准具到目标间的瞄准线长度，是需求解量

Ry₃＝0

Rz₃为枪械瞄准具在Z’₂轴上方的高度描述，为已知

通过前述公式(1)-(5)及已知条件可以推导获得：

$\left(\begin{array}{c}{\beta }_1=\arctan \frac{{\mathrm{Py}}_0}{{\mathrm{Px}}_0}\\ {\beta }_2=\pm \mathrm{arct}\frac{{\mathrm{Rz}}_3}{\sqrt{r^2-{\mathrm{Rz}}_3^2}}+\arctan \frac{{\mathrm{Rz}}_1-{\mathrm{Pz}}_0}{\cos {\beta }_1·{\mathrm{Px}}_0+\sin {\beta }_1·{\mathrm{Py}}_0}\\ {\mathrm{Rx}}_3=\cos {\beta }_2(\cos {\beta }_1·{\mathrm{Px}}_0+\sin {\beta }_1·{\mathrm{Py}}_0)-\sin {\beta }_{2*}({\mathrm{Pz}}_0-{\mathrm{Rz}}_1)\end{array}---\left(6\right)\right)$

其中：$r=\sqrt{{({\mathrm{Rz}}_1-{\mathrm{Pz}}_0)}^2+{(\cos {\beta }_1·{\mathrm{Px}}_0+\sin {\beta }_1·P{y}_0)}^2}---\left(7\right)$

上述公式(6)、(7)即为对云台关节空间坐标关系的逆解计算，这是通过目 标在瞄准云台的基础坐标系O’₀中位置，来求导出瞄准云台的卧式电机转角β₂， 瞄准云台的立式电机转角β₁以及枪械瞄准具到目标间的瞄准线长度Rx₃数值，是 落实如何调整枪口去对准目标的过程。

本发明的优点在于：

本发明的瞄准系统可以临时移动或事先放置在需要打击目标的伏击场所， 代替武警或狙击手在伏击地待命，而武警或狙击手只需远距离监控，当目标出 现时，操作人员通过遥控模块发出指令，瞄准系统开始工作，瞄准打击目标， 这样不但避免了武警或狙击手因长期设伏对身体带来的生理极限挑战，而且克 服了人直接操控武器，因呼吸而影响瞄准精度的缺陷；达到了在充分保证武警 和狙击手安全情况下，远距离实现对打击目标的瞄准攻击目的。

附图说明

图1为本发明的系统总体框图；

图2为本发明云台运动模块的整体结构图；

图3为本发明云台运动模块的分解结构图；

图4为本发明云台运动模块运动原理与初始位置时的各坐标系位置示意图；

图5为本发明云台运动模块框图；

图6为本发明控制器模块框图；

图7为本发明视频传输模块框图；

图8为本发明遥控器模块框图；

图9为本发明系统工作流程图。

图中：

001-云台运动模块，002-控制器模块，003-视频传输模块,004-遥控器模块；

100-引导云台，101-引导俯仰旋转驱动电机，102-引导俯仰旋转云台架， 103-引导水平旋转云台架，104-引导云台座，105-引导水平旋转驱动电机， 106-摄像头，107-激光测距传感器；

200-瞄准云台，201-瞄准俯仰旋转驱动电机，202-瞄准俯仰旋转云台架，203- 瞄准水平旋转云台架，204-瞄准云台座，205-瞄准水平旋转驱动电机，206-枪械；

300-云台基座；

L1-测距激光束，L2-瞄准线，L3-枪膛线。

具体实施方式

下面结合附图1-9，说明本发明的枪械自动瞄准系统及其工作方法。

如图1所示，本发明的系统包含：云台运动模块001，控制器模块002， 视频传输模块003,遥控器模块004，其中：

所述的云台运动模块001，如图2、图3、图5所示，在云台基座300上安 装有引导云台100和瞄准云台200，其中引导云台100，主要由引导俯仰旋转 驱动电机101、引导俯仰旋转云台架102、引导水平旋转云台架103、引导云台 座104和引导水平旋转驱动电机105等组成，在引导俯仰旋转云台架102上安 装有激光测距传感器107和视频传输模块的摄像头106，通过引导俯仰旋转驱 动电机101和引导水平旋转驱动电机105的驱动，分别实现引导俯仰旋转云台 架102和引导水平旋转云台架103的转动，从而带动其上搭载的摄像头106和 激光测距传感器107的转动，以对现场情况进行实时视频监控和对目标的激光 测距，并将所测得的距离信息发送至控制器模块002；其中的瞄准云台200， 主要由瞄准俯仰旋转驱动电机201，瞄准俯仰旋转云台架202，瞄准水平旋转 云台架203，瞄准云台座204，瞄准水平旋转驱动电机205等组成，在瞄准俯 仰旋转云台架202上安装枪械206，通过瞄准俯仰旋转驱动电机201和瞄准水 平旋转驱动电机205的驱动，分别实现瞄准俯仰旋转云台架202和瞄准水平旋 转云台架203的转动，从而带动其上搭载的枪械206的转动，用以实现枪械206 对目标的自动瞄准。

所述的控制器模块002，如图1、图6所示，由无线接收模块、嵌入式微 控制器、串口通讯模块和供电电源模块组成，一方面经无线接收模块接收遥控 器模块004发来的控制信号，再经嵌入式微控制器对控制信号进行检测，然后 经串口通讯模块向引导云台100的引导俯仰旋转驱动电机101和引导水平旋转 驱动电机105发送运动命令；一方面经串口通讯模块接收引导俯仰旋转驱动电 机101和引导水平旋转驱动电机105反馈回的旋转角度信息和激光测距传感器 107探测到的目标距离信息，再通过嵌入式微控制器进行云台关节空间坐标关 系的正逆解计算，得出瞄准云台200的瞄准俯仰旋转驱动电机201和瞄准水平 旋转驱动电机205应该运动的旋转角度信息，再经串口通讯模块向瞄准俯仰旋 转驱动电机201和瞄准水平旋转驱动电机205发送相应的运动指令，以实现瞄 准云台200上的枪械206对目标的自动瞄准。

所述的视频传输模块003，如图1、图7所示，由摄像头、无线视频传输 模块和显示终端组成，摄像头搭载在引导云台上，用以采集现场图像，并通过 无线视频传输模块发送至显示终端，以实现操作人员对现场的实时监控。

所述遥控器模块004，如图1、图8所示，由操作模块、处理器和无线发 送模块组成，操作模块将作业人员的操作动作转换成电信号传输至处理器，经 过处理器对操作信号进行处理，再通过无线发送模块发送至控制器模块002， 实现无线遥控功能。

基于上述系统的枪械自动瞄准系统的工作方法主要包含如下步骤：

步骤一、通过视频传输模块003的摄像头采集现场图像，并经过无线视频模 块将图像发送至显示终端；

步骤二、操作者通过显示终端的图像，观察测距激光束L1是否指向打击目 标，若是，转向步骤五，若否，继续步骤三；

步骤三、操作者通过遥控器模块004的操作模块发出引导云台100相应关节的 转动操作信号，以去调整激光测距传感器107的测距激光束L1指向目标，操作信 号经处理器处理后，通过无线发送模块发送给控制器模块002；

步骤四、控制器模块002通过自身的无线接收模块接受遥控器模块004的无 线发送模块发来的操作信号，经嵌入式微控制器处理后，由串口通讯模块发送指 令给云台运动模块001，去驱动引导云台100的引导俯仰旋转驱动电机101和引 导水平旋转驱动电机105进行相应转动，以将激光测距传感器107的测距激光 束L1对准目标并实时测量目标距离；

步骤五、控制器模块002的串口通讯模块采集引导云台100的引导俯仰旋 转驱动电机101和引导水平旋转驱动电机105的旋转角度信息及激光测距传感 器107测量的目标距离信息，并将这些信息传回嵌入式微控制器；

步骤六、控制器模块002的嵌入式微控制器根据传回的电机旋转角度信息 及目标距离信息进行云台关节空间坐标关系的正逆解计算，得到瞄准云台200 的瞄准俯仰旋转驱动电机201转角β₂和瞄准水平旋转驱动电机205转角β₁以及 枪械瞄准具到目标间的瞄准线长度Rx₃数值；

步骤七、控制器模块002的嵌入式微控制器将引导云台100的关节空间坐 标关系的正逆解计算结果，转换成对瞄准云台200的瞄准俯仰旋转驱动电机201 和瞄准水平旋转驱动电机205的控制指令，再经串口通讯模块发送给云台运动 模块001，去驱动瞄准云台200的瞄准俯仰旋转驱动电机201和瞄准水平旋转驱 动电机205进行相应转动，以将枪械206的瞄准线L2自动对准目标，实现本次 瞄准任务；

步骤八、操作者判断瞄准系统是否需要继续工作，若是，则转向步骤一， 若否，则退出工作关机。

上述步骤六中，关于云台关节空间坐标关系的正逆解计算方法包含如下步 骤，如图2-图4所示：

步骤1、在引导云台100上分别建立O₀-X₀Y₀Z₀坐标系，O₁-X₁Y₁Z₁坐标系， O₂-X₂Y₂Z₂坐标系和O₃-X₃Y₃Z₃坐标系，分别简称为O₀、O₁、O₂、O₃坐标系(下同)， 其中：

O₀坐标系建在引导云台100的水平旋转关节的底端中心平面上，为引导云 台100的基础坐标系，其方向如图4所示；

O₁坐标系建在引导云台100水平旋转关节轴线的正上方，绑定在引导水平 旋转云台架103上，其原点正好在引导云台100的水平旋转关节轴线与俯仰运 动关节轴线交叉点上，当引导云台100处于初始位置时(各关节未做任何方向 转动)，其方向如图4所示，O₁坐标系跟随着引导水平旋转云台架103的转动而 转动，其转角用θ₁表示；

O₂坐标系绑定在引导俯仰旋转云台架102上，其原点与O₁坐标系原点重合， 其初始方向如图4所示，O₂坐标系不仅跟随着引导水平旋转云台架103的水平 转动而转动，还跟随着引导俯仰旋转云台架102的俯仰转动而转动，其随引导 俯仰旋转云台架102俯仰转动的转角用θ₂表示；

O₃坐标系建在O₂坐标系的Z₂轴方向某高度上，与激光测距传感器107绑定 在一起，其初始方向如图4所示，且激光测距传感器107的测距激光束L1方向 与X₃轴的方向重合，O₃同O₂一样，随着引导水平旋转云台架103和引导俯仰旋 转云台架102的转动而做两个方向的转动，O₃坐标系与O₂坐标系保持平动关系， 用来表示激光测距传感器107的测距激光束L1所指向的目标在O₂坐标系中的矢 量描述。

步骤2、进行云台关节空间坐标关系的正解计算：

将O₀坐标系对瞄准云台200的基础坐标系O’₀(见图4，其位置与方向将在 后面解释)的平动关系用A₀描述，将O₁坐标系对O₀坐标系的水平旋转关系用A₁描述，将O₂坐标系对O₁坐标系的俯仰旋转关系用A₂描述，将激光测距传感器107 的测距激光束L1所指目标相对O₂坐标系的矢量关系用A₃描述，那么，可将激光 测距传感器107的测距激光束L1所指目标在瞄准云台200的基础坐标系O’₀中的 矢量描述表示为T，则有：

T＝A₀·A₁·A₂·A₃             (1)

根据前述描述可得如下系列矩阵：

$\left(\begin{array}{c}{A}_0=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& \mathrm{Py}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ A_1=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\theta }_1& -\sin {\theta }_1& 0& 0\\ \sin {\theta }_1& \cos {\theta }_1& 0& 0\\ 0& 0& 1& {\mathrm{Pz}}_1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ A_2=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\theta }_2& 0& \sin {\theta }_2& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin {\theta }_2& 0& \cos {\theta }_2& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ A_3={\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{Px}}_3& {\mathrm{Py}}_3& {\mathrm{Pz}}_3& 1\end{array}\right)}^T\\ T={\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{Px}}_0& {\mathrm{Py}}_0& {\mathrm{Pz}}_0& 1\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中：

Py为引导云台100与瞄准云台200之间的中心距离，为已知；

Pz₁为O₁坐标系相对O₀坐标系的高度，为已知；

θ₁为引导水平旋转驱动电机105的转角，从上方看，逆时针为正，顺时针为 负，可以实时测量得到；

θ₂为引导俯仰旋转驱动电机101的转角，从侧面看，下俯为正，上仰为负， 可以实时测量得到；

Px₃为激光测距传感器107的测距激光束L1所指目标的测量距离，可以实 时测量得到

Py₃＝0；

Pz₃为激光测距传感器107在Z₂轴上方的高度描述，为已知

Px₀，Py₀，Pz₀分别为目标在瞄准云台200的基础坐标系O’₀中的三维坐标计 算值

公式(1)即为云台关节空间坐标关系的正解计算，这是通过所测得的引导 俯仰旋转驱动电机101转角θ₁，引导水平旋转驱动电机105转角θ₂以及激光测距 传感器107测得的目标距离Px₃的数值，来定位目标在瞄准云台200的基础坐标 系O’₀中位置的过程。

步骤3、在瞄准云台200上分别建立O’₀-X’₀Y’₀Z’₀坐标系，O’₁-X’₁Y’₁Z’₁坐标系， O’₂-X’₂Y’₂Z’₂坐标系和O’₃-X’₃Y’₃Z’₃坐标系，分别简称为O’₀、O’₁、O’₂、O’₃坐标系(下 同)，其中：

O’₀坐标系建在瞄准云台200的水平旋转关节的底端中心平面上，为瞄准云 台200的基础坐标系，其方向如图4所示；

O’₁坐标系建在瞄准云台200的水平旋转关节轴线的正上方，绑定在瞄准水 平旋转云台架203上，其原点正好在瞄准云台200的水平旋转关节轴线与俯仰 运动关节轴线交叉点上，当瞄准云台200处于初始位置时(各关节未做任何方 向转动)，其方向如图4所示，O’₁坐标系跟随着瞄准水平旋转云台架203的转动 而转动，其转角用β₁表示；

O’₂坐标系绑定在瞄准俯仰旋转云台架202上，其原点与O’₁坐标系原点重合， 其初始方向如图4所示，O’₂坐标系不仅跟随着瞄准水平旋转云台架203的水平 转动而转动，还跟随着瞄准俯仰旋转云台架202的俯仰转动而转动，其随着瞄 准俯仰旋转云台架202俯仰转动的转角用β₂表示；

O’₃坐标系建在O’₂坐标系的Z’₂轴方向某高度上，与枪械206绑定在一起，其 初始方向如图4所示，且枪械206的瞄准具瞄准线的方向与X’₃轴的方向重合，O’₃和O’₂一样，随着瞄准水平旋转云台架203和瞄准俯仰旋转云台架202的转动而 做两个方向的转动，O’₃坐标系与O’₂坐标系保持平动关系，用来表示枪械206的 瞄准线所指向的目标在O’₂坐标系中的矢量描述。

步骤4、进行云台关节空间坐标关系的逆解计算：

将O’₁坐标系对瞄准云台200的基础坐标系O’₀的水平旋转关系用B₁描述，将 O’₂坐标系对O’₁坐标系的俯仰旋转关系用B₂表述，将枪械206的瞄准线L2所指目 标相对O’₂坐标系的矢量关系用B₃描述，那么，可以将枪械206的瞄准线L2所指 目标在瞄准云台200的基础坐标系O’₀中的矢量描述表示为S，则有：

S＝B₁·B₂·B₃              (3)

因为激光测距传感器107的测距激光束L1所指目标与枪械206的瞄准线L2 所指目标是同一个点，故有：

S＝T                     (4)

而且根据前述描述可得如下系列矩阵：

$\left(\begin{array}{c}{B}_1=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\beta }_1& -\sin {\beta }_1& 0& 0\\ \sin {\beta }_1& \cos {\beta }_1& 0& 0\\ 0& 0& 1& {\mathrm{Rz}}_1\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ B_2=\left(\begin{array}{cccc}\cos {\beta }_2& 0& \sin {\beta }_2& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin {\beta }_2& 0& \cos {\beta }_2& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right)\\ B_3={\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{Rx}}_3& {\mathrm{Ry}}_3,& {\mathrm{Rz}}_3,& 1\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中：

Rz₁为O’₁坐标系相对O’₀坐标系的高度，为已知

β₁为瞄准水平旋转驱动电机205的转角，从上方看，逆时针为正，顺时针为负， 是需求解量

β₂为瞄准俯仰旋转驱动电机201的转角，从侧面看，下俯为正，上仰为负，是需 求解量

Rx₃为枪械206瞄准具到目标间的瞄准线L2的长度，是需求解量

Ry₃＝0

Rz₃为枪械206瞄准具在Z’₂轴上方的高度描述，为已知

通过前述公式(1)-(5)及已知条件可以推导获得：

$\left(\begin{array}{c}{\beta }_1=\arctan \frac{{\mathrm{Py}}_0}{{\mathrm{Px}}_0}\\ {\beta }_2=\pm \mathrm{arct}\frac{{\mathrm{Rz}}_3}{\sqrt{r^2-{\mathrm{Rz}}_3^2}}+\arctan \frac{{\mathrm{Rz}}_1-{\mathrm{Pz}}_0}{\cos {\beta }_1·{\mathrm{Px}}_0+\sin {\beta }_1·{\mathrm{Py}}_0}\\ {\mathrm{Rx}}_3=\cos {\beta }_2(\cos {\beta }_1·{\mathrm{Px}}_0+\sin {\beta }_1·{\mathrm{Py}}_0)-\sin {\beta }_{2*}({\mathrm{Pz}}_0-{\mathrm{Rz}}_1)\end{array}---\left(6\right)\right)$

其中：$r=\sqrt{{({\mathrm{Rz}}_1-{\mathrm{Pz}}_0)}^2+{(\cos {\beta }_1·{\mathrm{Px}}_0+\sin {\beta }_1·P{y}_0)}^2}---\left(7\right)$

公式(6)、(7)即为云台关节空间坐标关系的逆解计算，这是通过目标在 瞄准云台200的基础坐标系O’₀中位置，来求导出瞄准俯仰旋转驱动电机201转 角β₂，瞄准水平旋转驱动电机205转角β₁以及枪械206瞄准具到目标间的瞄准 线L2长度Rx₃数值，是落实如何调整枪口去对准目标的过程。

需要说明的是：在具体实施方式中，瞄准云台200上瞄准目标的是枪械206 瞄准具的瞄准线L2而非其枪膛线L3，参见图2，由于弹道曲线的影响，枪膛线 L3实际应该相对瞄准线L2上仰一个小角度，该角度即为瞄准角，而瞄准角的大 小与武器的不同、弹丸运动参数及目标距离等有关系，若要采用本发明直接实 现对枪膛线L3方向的调整与控制，可以在前述方法基础上，按照弹道曲线理论 增加对武器瞄准角的计算，然后将枪膛线L3按照前述求解的瞄准线L2俯仰角 度值β₂，再上仰一个瞄准角，即可使得其弹丸的弹道经过激光测距传感器107 的测距激光束L1指向的目标点。

所以，以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体 详细，但并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思原理的前提下，还可以作出若干变 形和改进，这些都属于本发明的保护范围均应涵盖在本发明专利权利要求的保 护范围以内。