頭盔瞄準(zhǔn)具跟蹤定位方法研究

姜杰 方偉 于嘉暉 張楊 賈舒宜

摘 要：隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，頭盔瞄準(zhǔn)具的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，本文介紹了頭盔瞄準(zhǔn)具出現(xiàn)、發(fā)展和最新技術(shù)，著重闡述了頭盔瞄準(zhǔn)具常用的定位方法，及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)不同定位方法的比較分析，討論了運(yùn)用多技術(shù)融合的手段來(lái)解決頭部位置解算的關(guān)鍵技術(shù)難題，并對(duì)未來(lái)頭盔瞄準(zhǔn)具的發(fā)展趨勢(shì)作出了展望。

關(guān)鍵詞：頭盔瞄準(zhǔn)具;定位方法;頭部位置解算

0? 引言

頭盔瞄準(zhǔn)具是一種應(yīng)用于作戰(zhàn)飛機(jī)上，輔助飛行員在近距離空中格斗進(jìn)行瞄準(zhǔn)的裝置，它主要是將飛行員頭盔所面對(duì)的方向作為的目標(biāo)的瞄準(zhǔn)線(xiàn)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)解算，將目標(biāo)的位置信息轉(zhuǎn)換為對(duì)火控武器的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)快速瞄準(zhǔn)目標(biāo)的目的，在空戰(zhàn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。最早的頭盔瞄準(zhǔn)具是由美國(guó)陸軍裝配到眼鏡蛇AH-1G直升機(jī)上，被投入到越南戰(zhàn)場(chǎng)上，控制機(jī)炮對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行攻擊，此時(shí)的頭盔瞄準(zhǔn)具主要是采用準(zhǔn)直光學(xué)原理，飛行員通過(guò)其右眼前目鏡里的十字標(biāo)線(xiàn)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，這時(shí)候的頭盔主要是通過(guò)機(jī)械聯(lián)桿帶動(dòng)機(jī)炮轉(zhuǎn)動(dòng)，因而十分笨重，無(wú)法完成大機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)任務(wù);70年代，光學(xué)法和電磁場(chǎng)法被應(yīng)用到頭盔瞄準(zhǔn)具中，頭盔的重量得到大大的減輕，但是其瞄準(zhǔn)精度和實(shí)時(shí)性還有待提高;到了80年代，平視顯示技術(shù)（HUD）已經(jīng)成熟，第三代的頭盔瞄準(zhǔn)具結(jié)合了平視顯示器形成了全新的綜合頭盔顯示瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（IHADSS），它主要有頭盔顯示分系統(tǒng)（HMD）和頭盔瞄準(zhǔn)分系統(tǒng)（HMS）組成，在頭盔顯示器中，飛行員可以直接觀測(cè)到飛機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)同時(shí)還可以瞄準(zhǔn)目標(biāo)與武器系統(tǒng)的參考線(xiàn)。

1? ?概述

飛行員頭盔最初只是作為一種簡(jiǎn)單的頭部防護(hù)裝備，隨著科技的發(fā)展，通過(guò)與頭部跟蹤和符號(hào)顯示技術(shù)相結(jié)合，可以使飛行員實(shí)時(shí)地獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息，并在近距離空中格斗中搶占先機(jī)。最新的頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，其視場(chǎng)范圍廣，瞄準(zhǔn)器隨頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，幾乎不存在限制，特別是無(wú)論飛行員頭部轉(zhuǎn)向何處，它都可以把圖像呈現(xiàn)在飛行員眼前的頭盔顯示器里。配備了頭盔瞄準(zhǔn)具的戰(zhàn)機(jī)，可以大大提升其殺傷率并降低損失率，在同等時(shí)間內(nèi)發(fā)射導(dǎo)彈的數(shù)量相比未裝備頭盔瞄準(zhǔn)具的戰(zhàn)機(jī)，可以提升一倍;二是飛行員的開(kāi)火速度可以提升一倍以上;三是可以支持飛行員完成多種遂行任務(wù)。

2? ?頭盔瞄準(zhǔn)具常用跟蹤定位方法

2.1? 機(jī)電法

最早采用的機(jī)電法是在頭盔頂部座艙兩側(cè)安裝兩根導(dǎo)軌，機(jī)械桿通過(guò)電磁離合器連接頭盔和導(dǎo)軌，從而可以在導(dǎo)軌內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，機(jī)械桿兩端安裝有測(cè)量器，可以測(cè)量出頭盔相對(duì)于飛機(jī)軸線(xiàn)的角度，這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是頭盔重量極大，頭部活動(dòng)的范圍也很受限。

2.2? 超聲波法

超聲波法通常是利用超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波脈沖，經(jīng)接收器接收后，建立一個(gè)六自由度的坐標(biāo)系解算出頭盔所在的平面位置，發(fā)射器一般安裝在頭盔兩側(cè)，接收器安裝在座艙后側(cè)壁上，所用超聲波頻率一般在40kHz左右。如圖1所示。

使用超聲波脈沖，在計(jì)算過(guò)程中需要考慮到座艙內(nèi)實(shí)時(shí)的溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)等因素，同時(shí)超聲波還易受噪聲的影響，從而會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，另一方面，超聲波測(cè)量法的刷新率較低，實(shí)時(shí)性差[4]，盡管超聲波發(fā)生器具有體積小，質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，但是這種方法存在一定的缺陷。

2.3? 電磁場(chǎng)法

電磁場(chǎng)法是利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)計(jì)算出頭位信息，通過(guò)在座艙頂部安裝電磁發(fā)射器形成一個(gè)特定的磁場(chǎng)區(qū)，在頭盔上裝有感應(yīng)器，利用磁感應(yīng)原理便可計(jì)算出頭部相對(duì)于參考系的位置。

電磁輻射器和感應(yīng)器均由三組互相正交的線(xiàn)圈組成，輻射器被確知的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)后，便可形成三個(gè)特定方向的磁場(chǎng)，感應(yīng)器所對(duì)應(yīng)的三組線(xiàn)圈中包含有頭部的位置信息，根據(jù)其相對(duì)于定向磁場(chǎng)的偏差信號(hào)，就可計(jì)算出頭位的六自由度參量[5]。如圖2所示。

磁發(fā)射器和感應(yīng)器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，易配置的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用，例如美軍在F15采用上的聯(lián)合頭盔提示系統(tǒng)（JHMCS），就運(yùn)用了電磁場(chǎng)法。

電磁線(xiàn)圈可以通直流或交流電，使用直流電，可以減少抗磁場(chǎng)的影響，卻容易受地磁、外部磁場(chǎng)的干擾;使用交流電，會(huì)使飛機(jī)內(nèi)的金屬產(chǎn)生渦流，從而生成與發(fā)射器磁場(chǎng)相反的抗磁場(chǎng)。因此，采用電磁法需要在安裝前，對(duì)座艙內(nèi)的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)座艙內(nèi)設(shè)備改裝后還需重新對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，而且在使用過(guò)程中易受周?chē)艌?chǎng)的干擾產(chǎn)生跟蹤誤差。

2.4? 光電法

光電法通過(guò)安裝在座艙兩側(cè)的紅外發(fā)射裝置，以紅外光為媒介，形成扇形光束在水平面上以勻速進(jìn)行掃描，裝在頭盔兩側(cè)的光敏接收器，將接收到的定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)和傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算，從而可以計(jì)算出頭盔的相關(guān)位置參量。

使用光電法進(jìn)行掃描的得到的數(shù)據(jù)較為精準(zhǔn)，頭盔重量輕，對(duì)頭部負(fù)擔(dān)小，然而其測(cè)量范圍有限，使用紅外光還存在遮擋問(wèn)題。

2.5? 圖像法

運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)頭部姿態(tài)進(jìn)行解算的基本原理是使用CCD攝像機(jī)拍攝頭部圖像，對(duì)拍攝到的頭部圖像進(jìn)行分析解算，從而得到頭位的數(shù)據(jù)信息。具體實(shí)現(xiàn)方法有很多，通常可以在頭盔上安裝發(fā)光裝置或者彩色標(biāo)記物，根據(jù)不同的算法方程，建立二維或三維坐標(biāo)，得到頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)。如圖3所示。

以L(fǎng)ED燈組作為頭盔標(biāo)記物為例，一般在飛行員座椅后方座艙兩側(cè)安裝兩臺(tái)CCD攝像機(jī)，運(yùn)用雙目視覺(jué)測(cè)量方法，利用空間直線(xiàn)交匯算法，可以計(jì)算出空間視場(chǎng)內(nèi)任意物體的三維坐標(biāo)信息，我們通過(guò)在頭盔頂部安裝LED燈組，CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝LED燈組圖像，將得到的圖像經(jīng)過(guò)計(jì)算就可以得到燈組的三維坐標(biāo)，再與初始狀態(tài)時(shí)的LED燈組坐標(biāo)相比較，就可以知道當(dāng)前頭盔方向角、俯仰角等信息[6]。

運(yùn)用圖像法進(jìn)行跟蹤定位精度高，效率快，輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但因其受限于攝像機(jī)的公共視場(chǎng)，所以觀測(cè)范圍相對(duì)較小，并且當(dāng)飛行員的頭部在進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)存在對(duì)攝像機(jī)視角的遮擋問(wèn)題。

2.6? 慣性法

慣性法是運(yùn)用陀螺儀的原理，通過(guò)磁敏傳感器和加速度計(jì)感知物體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，通過(guò)坐標(biāo)變換和積分運(yùn)算，可以實(shí)時(shí)的計(jì)算出物體當(dāng)前的三維姿態(tài)，使用慣性法，無(wú)需再在座艙壁上安裝其他設(shè)備，只需通過(guò)姿態(tài)解算器自身進(jìn)行實(shí)時(shí)解算。然而運(yùn)用陀螺儀原理，會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，且在靜止?fàn)顟B(tài)下，會(huì)產(chǎn)生漂移。

3? 多技術(shù)融合的頭盔定位方法

單一的定位方法往往存在無(wú)法解決的缺陷，比如目前我們主要采用的光電法存在遮擋問(wèn)題，慣性法存在漂移缺陷，圖像法實(shí)時(shí)性差、活動(dòng)范圍有限，能否通過(guò)多技術(shù)融合，將每種技術(shù)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，并彌補(bǔ)其不足，是我們目前研究的主要方向。

3.1? 光電法與慣性法相結(jié)合

法國(guó)泰利斯公司研制的Visionix蝎子頭盔瞄準(zhǔn)具，就運(yùn)用了多技術(shù)融合的手段，它將光電法和慣性法相結(jié)合，既可以通過(guò)光電法可以消除慣性法的累計(jì)誤差和漂移問(wèn)題，又可以通過(guò)慣性法解決光電法測(cè)量范圍小，易被遮擋的問(wèn)題，兩者互相彌補(bǔ)，從而可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)頭位的測(cè)量，不過(guò)，“蝎子”頭盔也存在一定的缺陷，它因?yàn)榧闪诉^(guò)多地傳感器，導(dǎo)致重量較大，對(duì)飛行員的頸部造成過(guò)多壓力。

3.2? 圖像法與慣性法相結(jié)合

基于圖像跟蹤定位系統(tǒng)和慣性跟蹤定位系統(tǒng)建立一個(gè)綜合跟蹤定位系統(tǒng)，兩個(gè)子系統(tǒng)分別獨(dú)立運(yùn)行，計(jì)算機(jī)將兩個(gè)子系統(tǒng)解算的得到頭位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若圖像子系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效，可用來(lái)校準(zhǔn)慣性子系統(tǒng)，若圖像子系統(tǒng)數(shù)據(jù)無(wú)效，則將慣性子系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)用作下一步的計(jì)算，由此可以解決慣性法存在的漂移和累計(jì)誤差，圖像法存在的大范圍頭部轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)的遮擋，從而實(shí)現(xiàn)在全方位、大視場(chǎng)情況下，依舊保持高精度。

在未來(lái)，多技術(shù)融合的技術(shù)手段必然是頭盔瞄準(zhǔn)具的主流，然而從目前來(lái)看，功能強(qiáng)大的頭盔瞄準(zhǔn)顯示系統(tǒng)，因?yàn)榇钶d了太多的傳感器，導(dǎo)致重量過(guò)大，使飛行員十分不適，一種全新的全息座艙成像理念被提出，它采用了眼位跟蹤技術(shù)，圖像的發(fā)生和顯示直接成像在座艙上，通過(guò)對(duì)飛行員的眼部的跟蹤識(shí)別，可以完成對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)。

4? ?總結(jié)

目前，各個(gè)國(guó)家都在斥巨資研究頭盔顯示系統(tǒng)，其在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)中的重要性不言而喻，采用一種行之有效的頭位跟蹤定位方法，是這個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，本文列舉了目前提出的所有方法，對(duì)每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，如何提高定位的精度和實(shí)時(shí)性，并且兼顧到頭盔的重量，是我們亟待解決的難題，使用多技術(shù)融合的方法，是我們目前的出路，未來(lái)相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型材料的不斷研發(fā)，頭盔跟蹤定位技術(shù)將越來(lái)越先進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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