一种小型舰艇模块化火箭稳定发射平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及武器发射平台领域，具体涉及一种小型舰艇模块化火箭稳定发射平台及其控制方法。

背景技术

海上小型舰艇武器的发射相较于陆地及大型舰船发射具有很大的难度，因为武器在发射时需要平稳的发射环境，但在海上发射时会受到海浪海风的影响，导致发射平台随着海上浮体产生不规则晃动，而且相比于大型舰船，海上小型舰艇由于体积、吨位小会产生更大的晃动，这种不规则晃动将直接导致武器发射精度的下降，有时甚至丧失发射能力。但目前小型舰艇稳定发射平台并没有脱离传统大型舰船武器发射平台的影响，占用空间比较大，功率也较大，这些因素都会导致大型舰船武器稳定发射装置难以适应小型舰艇，特别是无人艇等小型海上载具。因此设计一款小型、灵活、模块化的稳定发射平台对小型舰艇的实战化具有重要的现实意义。

发明内容

针对海上小型舰艇武器发射难度大且传统舰船武器发射平台不适应等问题，本发明提出了一种小型舰艇模块化火箭稳定发射平台及其控制方法，能够实现海面复杂环境下武器的稳定发射，可充分发挥小型舰艇等小型海上载具小型、灵活的作战优势，提高武器作战性能。

本发明的一个目的在于提出一种小型舰艇模块化火箭稳定发射平台。

本发明的小型舰艇模块化火箭稳定发射平台安装在小型舰艇上，用于模块化火箭的稳定发射。

本发明的小型舰艇模块化火箭稳定发射平台包括：稳定平台、射击平台、模块化火箭、微处理器和火控系统；在稳定平台上设置射击平台；在射击平台上安装模块化火箭；稳定平台、射击平台和模块化火箭连接至微处理器，微处理器连接至火控系统；其中，

稳定平台包括：安装基座、瞬发支撑装置、传动单元、驱动器、稳定台面和三轴加速度计；安装基座和稳定台面均为平板状，在安装基座与稳定台面之间且位于中心设置垂直的瞬发支撑装置；在安装基座与稳定台面之间且位于瞬发支撑装置的周围设置N组呈中心对称的传动单元，N为≥3的自然数；每一组传动单元包括M套传动机构，M为≥2的自然数；每一套传动机构包括步进电机、定转动副、下连杆、动转动副、上连杆和球铰链，步进电机和定转动副分别安装在稳定平台的上表面，步进电机的输出轴与定转动副的转轴共轴连接，下连杆的底端垂直固连定转动副的转轴，下联杆的顶端与上连杆的底端以动转动副形式连接，动转动副的轴平行于定转动副的轴，上连杆的顶端连接球铰链，球铰链安装在稳定台面的下表面，步进电机带动定转动副的转轴转动，定转动副只转动没有空间位移，定转动副带动下连杆绕着定转动副的轴转动，动转动副实现下连杆和上连杆的连接，动转动副既绕轴转动又有空间位移，由下连杆的转动带动上连杆既能够移动又能够绕着球铰链转动；同一组传动单元中的M个步进电机连接至同一个驱动器，N个驱动器连接至微处理器；瞬发支撑装置包括外筒、球头顶杆、弹簧、衔铁和电磁线圈，其中球头顶杆包括从上至下依次连接为一体的半球形头端、连杆和活塞，外筒为内部中空的管状结构，外筒的底端垂直安装在安装基座上表面的中心，在外筒的上部外缠绕有电磁线圈，电磁线圈连接至专用驱动电路，专用驱动电路连接至微处理器，球头顶杆、弹簧和衔铁从上至下依次连接，球头顶杆底端的活塞、弹簧和衔铁位于外筒内，球头顶杆的顶端的半球形头端穿出外筒顶部中心的通孔伸出至外筒外部，稳定台面的下表面中心相应地设置有表面形状与半球形头端互补的配合凹槽，在火箭未发射时，弹簧处于仅受球头顶杆的重力作用的自然状态，球头顶杆的顶端与稳定台面下表面的配合凹槽之间有距离；在稳定台面上设置三轴加速度计，三轴加速度计的X-O-Y面与稳定台面平行，Z轴垂直稳定台面向下；三轴加速度计连接至微处理器；

射击平台包括外伺服电机、外转动轴系、支架、内伺服电机、内转动轴系、射击台面和图像采集单元；在稳定台面的上表面固定安装外伺服电机，外伺服电机的输出轴连接外转动轴系的输入轴，外转动轴系的末端输出轴垂直于稳定台面且指向其中心位置，在外转动轴系的末端输出轴上设置支架，外转动轴系能够带动支架360°的旋转；在支架上设置内伺服电机，内伺服电机连接内转动轴系的输入轴，外转动轴系与内转动轴系的输出轴互相垂直，外伺服电机驱动外转动轴系和内伺服电机驱动内转动轴系构成十字串联伺服系统；在内转动轴系的末端输出轴上设置射击台面，内转动轴系带动射击台面以内转动轴系的末端输出轴为旋转轴，在0°～90°的俯仰角范围以调整其发射角；在射击台面上设置图像采集单元；外伺服电机、内伺服电机和图像采集单元连接至微处理器；

在射击台面上安装模块化火箭；

当小型舰艇抵达目标海域后，稳定发射平台自动上电进入工作状态，三轴加速度计传感器实时检测稳定台面的位姿信号，微处理器对此位姿信号进行读取，读取后进行位姿解算得到稳定台面的位姿信息，根据稳定台面的位姿信息求解计算将稳定台面调整至水平所需的步进电机的驱动角度，同时，通过位姿信息的波动大小判断海浪及海风等级，并根据海浪及海风等级相应启动每一组传动单元中相应个数的传动机构的步进电机工作，并按照计算好的旋转角度通过驱动器控制相应个数的步进电机至预设的驱动角度；同时，在非所有步进电机全部启动的情况下，每一个步进电机的角度编码器将其旋转的实际角度返回至微处理器，微处理器根据角度编码器的实际角度是否在指定时间达到预设的驱动角度区间范围进行判断，如果没有达到则判断此步进电机出现异常，通过驱动器启动本组内的另一个步进电机工作；步进电机旋转通过定转动副带动下连杆旋转，下连杆通过动转动副带动上连杆运动，上连杆拉动稳定台面运动，由此实现稳定台面在横摇和纵摇两个方向的偏转和垂直运动，实现稳定台面的上装载荷与小型载具的横摇、纵摇及垂荡运动的隔离；稳定平台为上装载荷即射击平台提供了良好的水平基准，在稳定平台的隔离作用下射击台面上的图像采集单元拥有良好的监视条件，外伺服电机缓慢旋转带动图像采集单元水平360度扫掠成像，并传输至微处理器；当发现目标后，微处理器对目标信息进行处理并获得目标的位置信息，微处理器根据目标的位置信息驱动外伺服电机转动对目标进行跟踪；当射击条件具备后，微处理器立刻控制内伺服电机将射击台面俯仰至最佳发射角，当微处理器接收到火控系统关于模块化火箭的预发射指令后，依据预发射指令中弹药的发射时间设置瞬发支撑装置的上电时间，当上电时间达到之后，微处理器向专用驱动电路发送电磁线圈启动指令，专用驱动电路接收到电磁线圈启动指令后驱动电磁线圈上电，产生电磁场，衔铁在电磁力的作用下迅速推动弹簧向上运动且对弹簧进行压缩，球头顶杆在弹簧作用下推入稳定台面下表面的配合凹槽内，稳定台面被迅速向上推紧，由于在发射时弹簧在衔铁上推作用下被压缩储备了能量，从而在发射弹药的短时间内能够为系统增加足够的刚度和阻尼，极大缓冲火箭发射瞬间所带来的高过载冲击及振动；模块化火箭完成发射后，微处理器控制专用驱动电路切断对电磁线圈的供电，球头顶杆回落，专用驱动电路中设置有蓄能元件，当电磁线圈被切断处于断路时，蓄能原件重新完成储能用于下一次电磁线圈的上电驱动。

安装基座上表面的中心设置有安装结构，安装结构为圆柱形凸台，圆柱形凸台的外径不大于外筒的内径，内部中空的管状结构的外筒的底部外套在圆柱形凸台上；或者安装结构为圆柱形凹槽，圆柱形凹槽的直径不小于外筒的外径，外筒的底部内嵌在圆柱形凹槽内，从而将外筒的底端通过安装结构垂直安装在安装基座上表面的中心。

外转动轴系采用二级减速齿轮组；内转动轴系采用二级减速齿轮组。

外筒的顶端设置有限位功能的收缩口，收缩口的直径小于球头顶杆底部的活塞的直径，对球头顶杆的行程进行限制。

射击台面设计有标准机械和电气安装接口，可满足多种任务载荷的安装及接插。

模块化火箭采用箱式多管火箭，可根据具体应用需求选择具体口径、管数和种类的火箭组成箱式多管火箭，可实现火箭一次安装多次连续自动发射，安装在射击台面的标准安装接口之上。

专用驱动电路中包括依次连接的直流电源、逆变电路、变压器、整流电路和蓄能元件，其中蓄能元件采用超级电容，工作原理：在与电磁线圈为断路时，专用驱动电路处于充电状态，直流电源通过逆变、变压及整流为超级电容充电；在为电磁线圈上电时，专用驱动电路处于放电状态，超级电容利用其高电压及小电阻特性完成瞬间大电流放电驱动电磁线圈上电。电磁线圈的上电电流为10～50A。

根据海浪及海风等级，设置M-1级阈值，当等级大于第i-1级阈值并不超过第i级阈值时，相应启动每一组传动单元中i套传动机构的步进电机工作，1≤i≤M-1，当等级大于第M-1级阈值时，每一组传动单元中的所有M套传动机构的步进电机全部启动工作。

如果在海况较好条件下某个电机出现故障，导致稳定平台控制失效，系统检测到此失效信号之后立刻启动并列电机，从而自动修复故障，面对海上的多种不确定因素，此新型稳定支撑机构及其相应的控制方法使系统具有智能、灵活、容错率高等优势。

本发明的另一个目的在于提出一种小型舰艇模块化火箭稳定发射平台的实现方法。

本发明的小型舰艇模块化火箭稳定发射平台的实现方法，包括以下步骤：

1)在火箭未发射时，弹簧处于仅受球头顶杆的重力作用的自然状态，球头顶杆的顶端与稳定台面下表面的配合凹槽之间有距离；

2)当小型舰艇抵达目标海域后，稳定发射平台自动上电进入工作状态，三轴加速度计传感器实时检测稳定台面的位姿信号，微处理器对此位姿信号进行读取，读取后进行位姿解算得到稳定台面的位姿信息，根据稳定台面的位姿信息求解计算将稳定台面调整至水平所需的步进电机的驱动角度，同时，通过位姿信息的波动大小判断海浪及海风等级，并根据海浪及海风等级相应启动每一组传动单元中相应个数的传动机构的步进电机工作，并按照计算好的旋转角度通过驱动器控制相应个数的步进电机至预设的驱动角度；同时，在非所有步进电机全部启动的情况下，每一个步进电机的角度编码器将其旋转的实际角度返回至微处理器，微处理器根据角度编码器的实际角度是否达到预设的驱动角度进行判断，如果没有达到则判断此步进电机出现异常，通过驱动器启动本组内的另一个步进电机工作；步进电机旋转通过定转动副带动下连杆旋转，下连杆通过动转动副带动上连杆运动，上连杆拉动稳定台面运动，由此实现稳定台面在横摇和纵摇两个方向的偏转和垂直运动，实现稳定台面上的装载荷与小型载具的横摇、纵摇及垂荡运动的隔离；

3)稳定平台为装载荷即射击平台提供了良好的水平基准，在稳定平台的隔离作用下射击台面上的图像采集单元拥有良好的监视条件，外伺服电机缓慢旋转带动图像采集单元水平360度扫掠成像，并传输至微处理器；

4)当发现目标后，微处理器对目标信息进行处理并获得目标的位置信息，微处理器根据目标的位置信息驱动外伺服电机转动对目标进行跟踪，当射击条件具备后，微处理器立刻控制内伺服电机将射击台面俯仰至最佳发射角；

5)当微处理器接收到火控系统关于模块化火箭的预发射指令后，依据预发射指令中弹药的发射时间设置瞬发支撑装置的上电时间，当上电时间达到之后，微处理器向专用驱动电路发送电磁线圈启动指令，专用驱动电路接收到电磁线圈启动指令后驱动电磁线圈上电，产生电磁场，衔铁在电磁力的作用下推动弹簧向上运动且对弹簧进行压缩，球头顶杆在弹簧作用下推入稳定台面下表面的配合凹槽内，稳定台面被迅速向上推紧，由于在发射时弹簧在衔铁上推作用下被压缩储备了能量，从而在发射弹药的短时间内能够为系统增加足够的刚度和阻尼，极大缓冲火箭发射瞬间所带来的高过载冲击及振动；

6)模块化火箭完成发射后，微处理器控制专用驱动电路切断对电磁线圈的供电，球头顶杆回落，专用驱动电路中设置有蓄能原件，当电磁线圈被切断处于断路时，蓄能原件重新完成储能用于下一次电磁线圈的上电驱动。

其中，在步骤2)中，根据海浪及海风等级，设置M-1级阈值，当等级大于第i-1级阈值并不超过第i级阈值时，相应启动每一组传动单元中i套传动机构的步进电机工作，1≤i≤M-1，当等级大于第M-1级阈值时，每一组传动单元中的所有M套传动机构的步进电机全部启动工作。

在步骤5)中，对瞬发支撑装置的上电时间早于弹药的发射时间，早于0.5～1秒，从而使得在弹药发射时瞬发支撑装置已经准备好支撑发射需要的足够的刚度和阻尼。

本发明采用多个步进电机并列，在非所有步进电机全部启动的情况下，没有启动的步进电机作为备用步进电机，一旦出现启动的步进电机出现异常，启动备用步进电机，从而增加系统容错性。

本发明的优点：

(1)本发明与常规稳定平台不同，本发明设计了一种新型嵌套式串并联的单点双驱机构及其相应的控制方法，能够根据不同海况进行多模式控制，而且具备容错控制机制，灵活性高、抗风浪能力强等优异性能，在小型舰艇发射领域具有很高的应用价值；

(2)为了应对发射瞬间的高过载及振动环境，本发明设计了一种瞬发支撑装置及其特定的驱动控制方法，电磁驱动瞬发支撑装置仅在火箭发射瞬间的微小时域内发挥其作用以抵消武器发射的高过载，专用驱动电路使小型舰艇发射系统在低功率条件下既具高动态性也具有较高的发射支撑刚度和抗冲击性能。

附图说明

图1为本发明的小型舰艇模块化火箭稳定发射平台的一个实施例的示意图；

图2为本发明的小型舰艇模块化火箭稳定发射平台的一个实施例的瞬发支撑装置的的示意图；

图3为本发明的小型舰艇模块化火箭稳定发射平台的控制框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1～3所示，本实施例的小型舰艇模块化火箭稳定发射平台包括：稳定平台、射击平台、模块化火箭、微处理器和火控系统；在稳定平台上设置射击平台；在射击平台上安装模块化火箭；稳定平台、射击平台和模块化火箭连接至微处理器，微处理器连接至火控系统；其中，

稳定平台包括：安装基座1、瞬发支撑装置、传动单元、驱动器、稳定台面8和三轴加速度计17；在安装基座与稳定台面之间且位于中心设置垂直的瞬发支撑装置；在安装基座与稳定台面之间且位于瞬发支撑装置的周围设置四组呈中心对称的传动单元；每一组传动单元包括两套传动机构；每一套传动机构包括步进电机2、定转动副3、下连杆4、动转动副5、上连杆6和球铰链7，步进电机2固定安装在稳定平台的上表面，步进电机2的输出轴与安装在安装基座1上表面的定转动副3的转轴进行共轴连接，下连杆4的底端垂直固连定转动副3的转轴，下联杆的顶端与上连杆6的底端以动转动副5形式连接，动转动副5的轴平行于定转动副3的轴，上连杆6的顶端连接球铰链7，球铰链7安装在稳定台面8的下表面，步进电机2带动定转动副3的转轴转动，定转动副3只转动没有空间位移，定转动副3带动下连杆4绕着定转动副3的轴转动，动转动副5实现下连杆4和上连杆6的连接，动转动副5既绕轴转动又有空间位移，由下连杆4的转动带动上连杆6既能够移动又能够绕着球铰链7转动；同一组传动单元中的两个步进电机2连接至同一个驱动器，四个驱动器连接至微处理器；瞬发支撑装置包括外筒22、球头顶杆18、弹簧19、衔铁20和电磁线圈21，其中球头顶杆18包括从上至下依次固定连接为一体的半球形头端、连杆和活塞，外筒22为内部中空的管状结构，外筒22的底端垂直安装在安装基座1上表面的中心，在外筒22的上部外缠绕有电磁线圈21，电磁线圈21连接至专用驱动电路，专用驱动电路连接至微处理器，球头顶杆18、弹簧19和衔铁20从上至下依次连接，球头顶杆18的底端的活塞、弹簧19和衔铁20位于外筒22内，球头顶杆18的顶端为半球形，球头顶杆18的顶端穿出外筒22顶部中心的通孔伸出至外筒22外部，稳定台面8的下表面中心相应地设置有表面形状互补的配合凹槽，在火箭未发射时，弹簧19处于仅受球头顶杆18的重力作用的自然状态，球头顶杆18的顶端与稳定台面8下表面的配合凹槽之间有距离；在稳定台面8上设置三轴加速度计17，三轴加速度计17的X-O-Y面与稳定台面8平行，Z轴垂直稳定台面8向下；三轴加速度计17连接至微处理器；

射击平台包括外伺服电机9、外转动轴系10、支架11、内伺服电机12、内转动轴系13、射击台面14和图像采集单元16；在稳定台面的上表面固定安装外伺服电机9，外伺服电机9的输出轴连接外转动轴系10的输入轴，外转动轴系10的末端输出轴垂直于稳定台面且指向其中心位置，在外转动轴系10的末端输出轴上设置支架11，外转动轴系10能够带动支架11能够360°的旋转；在支架11上设置内伺服电机12，内伺服电机12连接内转动轴系13的输入轴，外转动轴系10与内转动轴系13的输出轴互相垂直，外伺服电机驱动外转动轴系和内伺服电机驱动内转动轴系构成十字串联伺服系统；在内转动轴系13的末端输出轴上设置射击台面14，内转动轴系13带动射击台面14以内转动轴系的末端输出轴为旋转轴，在0°～90°的俯仰角范围以调整其发射角；在射击台面14上设置图像采集单元16；外伺服电机9、内伺服电机12和图像采集单元16连接至微处理器；

在射击台面上安装模块化火箭。

本实施例的小型舰艇模块化火箭稳定发射平台的实现方法，包括以下步骤：

1)在火箭未发射时，弹簧处于仅受球头顶杆的重力作用的自然状态，球头顶杆的顶端与稳定台面8下表面的配合凹槽之间有距离；

2)当小型舰艇抵达目标海域后，稳定发射平台自动上电进入工作状态，三轴加速度计17传感器实时检测稳定台面8的位姿信号，微处理器对此位姿信号进行读取，读取后进行位姿解算得到稳定台面8的位姿信息，根据稳定台面8的位姿信息求解计算将稳定台面8调整至水平所需的步进电机2的驱动角度，同时，通过位姿信息的波动大小判断海浪及海风等级，本实施例中设置一级阈值，当等级小于阈值时，启动每一组传动单元中一套传动机构的步进电机2工作，当等级大于阈值时，每一组传动单元中的两套传动机构的步进电机2全部启动工作，并按照计算好的旋转角度通过驱动器控制相应个数的步进电机2至预设的驱动角度；同时，在一个步进电机2启动的情况下，每一个步进电机2的角度编码器将其旋转的实际角度返回至微处理器，微处理器根据角度编码器的实际角度是否达到预设的驱动角度进行判断，如果没有达到则判断此步进电机2出现异常，通过驱动器启动本组内的另一个步进电机2工作；步进电机2旋转通过定转动副3带动下连杆4旋转，下连杆4通过动转动副5带动上连杆6运动，上连杆6拉动稳定台面8运动，由此实现稳定台面8在横摇和纵摇两个方向的偏转和垂直运动，实现稳定台面8上的装载荷与小型载具的横摇、纵摇及垂荡运动的隔离；

3)稳定平台为装载荷即射击平台提供了良好的水平基准，在稳定平台的隔离作用下射击台面上的图像采集单元拥有良好的监视条件，外伺服电机缓慢旋转带动图像采集单元水平360度扫掠成像，并传输至微处理器；

4)当发现目标后，微处理器对目标信息进行处理并获得目标的位置信息，微处理器根据目标的位置信息驱动外伺服电机转动对目标进行跟踪，当射击条件具备后，微处理器立刻控制内伺服电机将射击台面俯仰至最佳发射角；

5)当微处理器接收到火控系统关于模块化火箭的预发射指令后，依据预发射指令中弹药的发射时间信息设置瞬发支撑装置的上电时间，当上电时间达到之后，微处理器向专用驱动电路发送电磁线圈启动指令，专用驱动电路接收到电磁线圈启动指令后驱动电磁线圈上电，产生电磁场，衔铁在电磁力的作用下推动弹簧向上运动且对弹簧进行压缩，球头顶杆在弹簧作用下推入稳定台面8下表面的配合凹槽内，稳定台面8被迅速向上推紧，由于在发射时弹簧在衔铁上推作用下被压缩储备了能量，从而在发射弹药的短时间内能够为系统增加足够的刚度和阻尼，极大缓冲火箭发射瞬间所带来的高过载冲击及振动；

6)模块化火箭完成发射后，微处理器控制专用驱动电路切断对电磁线圈的供电，球头顶杆回落，专用驱动电路中设置有蓄能原件，当电磁线圈被切断处于断路时，蓄能原件重新完成储能用于下一次线圈的电流上电驱动。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。