船載智能水炮射流穩(wěn)定補償方法*

何浩瑋 林云漢，3 紀文龍

（1.武漢科技大學計算機科學與技術學院 武漢 430065）

（2.智能信息處理與實時工業(yè)系統(tǒng)湖北重點實驗室 武漢 430065）

（3.武漢科技大學機器人與智能系統(tǒng)研究院 武漢 430081）

1 引言

船載水炮屬于船舶輔助設備，既可用于海上消防［1］，也可作為非殺傷性武器用于警示和驅逐敵方目標。然而船載水炮在船舶行進射擊過程中受到海上風、浪、氣流的干擾，會出現(xiàn)射流抖動、落點偏移、射流分散等問題［2］，因此需要對射流進行補償，維持射流的穩(wěn)定。

維持穩(wěn)定的方法一般分為：通過隔離外部擾動維持穩(wěn)定的方法和通過抵抗外部擾動維持穩(wěn)定的方法。隔離外部擾動是將工作設備固定在一個穩(wěn)定平臺上［3］，無論載體姿態(tài)怎樣變化，穩(wěn)定平臺的臺面都可以保持水平，工作設備如同安裝在地面上一樣，保證工作的穩(wěn)定。LIU F等［4］、VERMA M等［5］、陳坤等［6］將這種方法用于維持相機視軸的穩(wěn)定，提高成像質量。潘良勇等［7］應用這種方法提高天線系統(tǒng)的跟蹤精度。趙春標等［8］將穩(wěn)定平臺應用于機載慣導系統(tǒng)，提高了機載慣導的響應速度和精度。但是這種方法通常價格高昂，方式復雜，并且大型設備普遍有著較大的自重，在作業(yè)時也會產生較大的振動，因此大型設備不適用這種方法。

抵抗外部擾動維持穩(wěn)定的方法多應用于只需保持工作終端穩(wěn)定，工作設備本身不穩(wěn)定的場景，主要是通過控制水平方位隨動和豎直高低隨動來達到穩(wěn)定狀態(tài)，廣泛引用于自身具備轉動關節(jié)的設備［9］。如FANG Chu 等［10］、趙磊等［11］應用這種方法有效提高了激光武器的控制精度，實現(xiàn)激光武器的精確毀傷。張麗蓮等［12～13］使用滑模控制的隨動系統(tǒng)法實現(xiàn)了艦載火炮射擊線的穩(wěn)定，提高了火炮的響應能力和動態(tài)精度。

船載水炮與上述武器的區(qū)別在于：水炮射流是持續(xù)打擊目標的，這就具備了實時的視覺反饋的條件，因此也有人通過建立射流運動軌跡模型并進行補償，來提高射流打擊準確率。陳學軍等［14］對消防水炮射流進行建模并進行定位補償，提高了水炮的定位速度和精度。王冬月［15～16］將紅外技術應用于射流定位補償，構建了閉環(huán)水炮控制系統(tǒng)。LI N等［17］，ZHANG C Y 等［18］以及本團隊［19］將反向傳播技術應用于射流模型調整，提高了射流模型的泛化能力和打擊精度。但是僅對射流運動軌跡模型調整無法快速地對載體擾動做出反應，需要控制水炮電機一起隨動，抵抗載體擾動從而達到穩(wěn)定射流的效果。

本文將光電成像設備和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）應用于智能水炮系統(tǒng)中，并針對該系統(tǒng)提出了一種基于船體姿態(tài)變化與射流落點反饋的兩軸水炮射流穩(wěn)定補償方法，使用IMU 采集監(jiān)控船體姿態(tài)，并根據(jù)船體姿態(tài)變化控制水炮關節(jié)電機轉動補償載體姿態(tài)擾動，同時通過對射流圖像信息進行射流分割與落點計算，獲取射流落點的狀態(tài)，計算水炮關節(jié)電機的補償角度，對水炮進行實時的調整與補償。經過仿真實驗驗證和實際實驗測試，本方法有效地提高了射流的穩(wěn)定性和打擊準確率。

2 系統(tǒng)設計

本文設計的智能船載水炮系統(tǒng)首先對操作者選定的目標進行跟蹤鎖定，計算目標位置，監(jiān)測船體的姿態(tài)變化，計算船體的姿態(tài)變化角度，通過視覺模塊計算射流落點位置計算落點狀態(tài)信息，將船體的姿態(tài)變化角度和落點狀態(tài)信息反饋給控制系統(tǒng)，對水炮關節(jié)角，進行補償與調整提高船載水炮的射流穩(wěn)定性。

如圖1（a）所示，系統(tǒng)采用一個光電云臺和一個IMU 作為傳感器，采集環(huán)境信息和船體的姿態(tài)信息，其中光電云臺上除了視覺攝像頭外還帶有激光測距儀。采用六自由度活動平臺模擬船體晃動的場景，水炮和光電云臺安裝在六自由度活動平臺上，控制臺中集成了計算機和顯示設備，用于控制水炮系統(tǒng)和顯示圖像及相關數(shù)據(jù)信息。實際平臺的安裝與布置如圖1（b）所示。

圖1 智能水炮系統(tǒng)的硬件組成

3 方法

本文提出的基于射流落點與船體運動反饋的水炮射流穩(wěn)定控制方法分為三個部分：關節(jié)角度計算、射流落點狀態(tài)計算、射流穩(wěn)定補償。

首先獲取目標的位置，并通過幾何法計算水炮的偏航角，對應的是水炮水平關節(jié)電機的理論值，通過射流落點預測模型計算水炮的俯仰角，對應的是水炮豎直關節(jié)電機的理論值，將計算出來水炮關節(jié)角的理論值通過PID 控制器控制水炮運動，當監(jiān)測到射流時，對射流圖像進行分割，并計算射流落點位置，根據(jù)目標位置與落點位置，計算打擊誤差，并根據(jù)打擊誤差計算射流落點狀態(tài)，然后根據(jù)射流落點狀態(tài)計算水炮關節(jié)角的調整角度，當IMU監(jiān)測到的船體姿態(tài)發(fā)生變化的時候，根據(jù)船體的姿態(tài)變化角度計算水炮關節(jié)角的補償角度，將關節(jié)角的調整角度和補償角度作為負反饋，和關節(jié)角的理論角度一起輸入PID 控制器，實現(xiàn)水炮射流的穩(wěn)定控制。

3.1 關節(jié)角度計算

本系統(tǒng)的水炮由兩個可轉動的關節(jié)電機組成，分別用于控制水炮的偏航角和俯仰角運動。

本團隊早先發(fā)表的射流預測模型［19］已經完成了如式（1）所示的基于幾何關系的偏航角計算和式（2）所示的基于射流模型的俯仰角計算。Gx，Gy的幾何關系如圖2所示。

圖2 水炮與目標G的坐標關系

式（2）中x為落點到水炮坐標系原點的垂直距離。

3.2 射流落點狀態(tài)計算

本文的方法中需要使用射流落點狀態(tài)計算水炮關節(jié)補償角，為了提供準確的落點狀態(tài)信息，本文設計了一種射流落點狀態(tài)計算方法。

在射流分割與落點計算模塊中采用Deep-LabV3+網絡進行射流語義分割，通過對分割出來的射流進行邊緣檢測，計算出射流落點的位置L(Lx，Ly)。

目標識別模塊與目標跟蹤模塊計算出待打擊目標區(qū)域G(Gx，Gy，length，width)。其中(Gx，Gy)表示目標中心位置的坐標，（length，width）表示打擊區(qū)域的長和寬。本文假設射流落點落在以(Gx，Gy)為中心，長length，寬width的區(qū)域內即為打中目標，不需要進行調整。如圖2所示。

定義落點狀態(tài)State(Sh，Sv，ΔSteph，ΔStepv)，其中(Sh，Sv)表示落點相對于目標中心點的方位，同時也代表了射流落點的調整方向。 (ΔSteph，ΔStepv)表示射流落點需要調整的步長。State 使用射流落點與目標位置的偏差E(Δx，Δy)進行評估，E計算方式如式（3）所示：

射流落點相對于目標的方位與調整方向根據(jù)E(Δx，Δy)的正負來確定。本文中，水炮偏航角以水炮水平順時針旋轉為正，水炮俯仰角以向上旋轉為正。當Δx＞0 時，射流落點相較于目標位置偏右，應把水炮偏航角θy向水平逆時針調整，調整角度方向為負，落點的方位即可表示調整的方向，即：

當Δy＞0 時，射流落點相較于目標位置偏上，應把水炮的俯仰角θp向下調整，調整角度方向為負，即：

由于迭代調整策略依賴于射流語義分割的速度，為了保證調整的準確性，每次調整角度不能大于一次分割間隔中水炮所能運行的最大運行角度θ，如式（6）所示：

其中，vmax是水炮電機的最大運行速度，tmin是在理想環(huán)境下的射流最快分割速度。

兩次射流分割間隔時間內水炮最大的調整角度對應最大調整步長，此處定義水炮一次調整即為以水炮為圓心，以水炮到目標的距離dis為半徑，畫了一個角度為θ的圓弧。如圖3 所示圓弧兩端的直線距離即為最大調整步長Stepmax，其計算方法如式（7）所示。

圖3 最大步長示意圖

射流落點的調整步長(ΔSteph，ΔStepv)是根據(jù)打擊誤差E(Δx，Δy)的大小確定的，調整步長隨著誤差距離的變大而變大，并呈梯度增長，但最大不能超過Stepmax。水平方向的調整步長如式（8）所示。豎直方向如式（9）所示。

3.3 射流穩(wěn)定補償方法

首先從目標識別與跟蹤模塊獲取t時刻的目標位置G(Gx(t)，Gy(t) )，代入式（1）和式（2）計算t時刻水炮水平電機運轉角度θ1(t)和豎直電機運轉角度θ2(t)：

水炮在打擊過程中會受到船體姿態(tài)變化的干擾，需要對船體的姿態(tài)變化進行補償。船體的姿態(tài)變化是通過IMU采集的，采集到的原始數(shù)據(jù)中有噪聲干擾，本文采用自適應卡爾曼濾波補償算法［20］過濾IMU 的噪聲，獲得t時刻的船體姿態(tài)角W(t)=[wr(t)，wp(t)，wy(t)]T。然后與記錄下來的船體靜止狀態(tài)的姿態(tài)Winit=[wr，wp，wy]T進行運算，得到船體的姿態(tài)變化角：

在安裝IMU時，我們將IMU的偏航角與水炮的偏航角對應，將IMU 的俯仰角與水炮的俯仰角對應，通過標定之后，IMU 采集到的偏航角變化與俯仰角變化就等同于水炮的變化。已知船體坐標系O-XbYbZb分別繞X軸、Y軸、Z軸旋轉一定角度之后可以得到水炮的坐標系O-XgYgZg，它們的關系可以描述為

其中為標定矩陣，如式（13）所示：

其中Skx、Sky、Skz為IMU 的安裝誤差系數(shù)，Kxy、Kxz、Kyx、Kyz、Kzx、Kzy為IMU的標定因數(shù)。

由于水炮本身僅有兩個關節(jié)電機，分別對應偏航角和俯仰角，無法有效地補償翻滾角，同時IMU無法采集到射流落點數(shù)據(jù)，無法對射流進行修正。因此，本系統(tǒng)引入了機器視覺進行射流分割與落點計算，并評估落點狀態(tài)，提出基于IMU 的船體姿態(tài)數(shù)據(jù)和射流落點狀態(tài)的穩(wěn)定補償方法，使用IMU采集到的姿態(tài)變化角計算水炮的姿態(tài)補償角，對水炮的偏航角與俯仰角進行補償，然后根據(jù)射流落點狀態(tài)計算水炮關節(jié)調整角，對水炮進行調整，從而提高射流打擊精確度。

使用式（11）求出的船體姿態(tài)變化量乘以式（13）的標定矩陣得出水炮的姿態(tài)變化量，水炮的姿態(tài)補償角Δθ(t)=[Δθ1(t)，Δθ2(t)]T計算方法如式（14）所示。

其中Δθ1(t)表示水炮水平電機補償角，對應偏航角補償，Δθ2(t)表示水炮豎直電機補償角，對應俯仰角補償。

將式（14）計算出來的水炮水平電機和豎直電機的補償角度作為負反饋輸入到控制器中即可完成偏航角和俯仰角的補償。關于翻滾角和其他因素的調整，本方法采用基于落點狀態(tài)State 的迭代調整策略來調整：根據(jù)t時刻的計算出來的落點狀態(tài)State，在射流裝置當前關節(jié)角上根據(jù)需要調整的方向加上或減去調整角度Δθ′( )t。調整角度是根據(jù)State中的方向和步長ΔStep計算的。

本文的控制流程如圖4 所示，將式（10）算出的水炮俯仰角和偏航角作為PID控制器的輸入x(t)：

圖4 控制器結構圖

通過PID 控制水炮電機轉動并打擊目標，水炮當前角度作為水炮電機的執(zhí)行量y(t)：

當監(jiān)測到船體發(fā)生運動時，對IMU采集到的數(shù)據(jù)進行處理，得到船體的姿態(tài)變化角Δθ(t)：

當監(jiān)控到射流時，使用3.2 節(jié)中的方法對射流圖像進行射流落點與評估，求出射流落點狀態(tài)State，根據(jù)落點狀態(tài)計算水炮調整角度Δθ′(t)：

PID 控制器包括比例Kp、微分Ti和積分項TD，其控制器表達式為

其中u(t)為PID 控制量的輸出，誤差量e（t）可用下式計算：

4 實驗

為了驗證本系統(tǒng)的實際性能以及測試射流的穩(wěn)定效果，本節(jié)實驗從使用真實采集的船舶姿態(tài)變化擾動的仿真實驗和基于圖1（b）的實際平臺進行實驗兩個方面展開。

4.1 仿真實驗

本文采集了真實船舶在真實海域行駛時的船體姿態(tài)變化，并經過濾波處理，作為仿真實驗的擾動輸入。其中200s 的姿態(tài)變化曲線如圖5（a）所示。仿真實驗中，本文將目標區(qū)域固定在離水炮直線距離26m 的位置，在實際應用中，若射流落點偏移超過5m，則說明計算出來的目標位置可能有誤，需要重新計算。因此，本文選擇在以目標為圓心，以5m 為半徑的區(qū)域內隨機生成一些落點，通過隨機生成落點的方法來模擬外界擾動因素造成的射流偏移和落點偏差，然后將船體擾動加入，使用射流模型補償?shù)姆椒ㄅc本文中的方法進行對比。記錄200s 內的射流落點偏差，每隔20s 的射流落點不同方向上的誤差如表1 所示，表中數(shù)據(jù)的符號代表落點偏離的方向，計算平均誤差時取絕對值。

表1 仿真實驗數(shù)據(jù)展示

圖5 實驗結果圖

分別記錄200s 內的射流落點偏差，并將水平方向和豎直反向上的誤差對比結果繪制成折線圖，如圖5（b）和圖5（c）所示。計算水平方向上落點與目標位置的平均打擊誤差，使用射流模型補償方法水平方向上的平均誤差約為2.17m，使用本文方法時，水平方向上的平均誤差約為0.15m。計算豎直方向上的落點與目標位置的平均打擊誤差，使用射流模型補償時的豎直方向上的平均誤差約為2.33m，使用本文方法時，豎直方向上的平均誤差約為0.13m 對比平均誤差可以看出使用射流模型補償?shù)姆椒〞r比未使用射流補償方法射流落點偏差有所降低，但是仍然有著較為明顯的偏差，且射流偏差隨船體姿態(tài)變化反復波動，無法持續(xù)、準確的打擊目標。使用本文方法時，射流落點與目標位置的誤差波動顯著減緩，相比于使用射流模型補償方法，使用本文方法的誤差縮小了84%，有效地提高打擊準確率。

4.2 實際實驗

實際實驗場地為校內小型人工湖，實驗設備如圖1（b）所示，湖中的藍色桶狀物為待打擊目標。六自由度活動平臺主要是為了模擬船舶在水中的運動，因此我們直接加載圖5（a）的真實船舶運動。實驗一共進行200s，前100s 使用未開啟本文控制方法，后100s 開啟本文控制方法，每秒記錄一次水炮射流的落點到平臺的距離，實驗一共重復20 次，實際打擊的效果如圖6所示。

圖6 實際實驗場景

從圖6中可以看出，前100s未開啟本文控制方法時，射流落點受外界影響較大，射流落點偏移明顯，后100s 開啟本文控制方法之后，射流落點受外界因素影響較小，雖然落點仍稍有偏差，但偏移距離顯著減少。經過統(tǒng)計實驗結果，計算射流落點與目標位置的平均誤差，使用射流模型補償方法時的平均誤差約為2.56m，使用本文方法時平均誤差約為0.46m，相比于使用射流模型補償方法平均縮小了約82%，符合仿真實驗的驗證結果。相比于其他穩(wěn)定控制方法，在船體姿態(tài)變化時，本文的方法能較快地進行調整，顯著降低船體姿態(tài)變化對射流落點的影響。同時，本文基于射流落點狀態(tài)調整水炮，進一步提高了射流落點的命中率。

5 結語

本文設計了一種裝備于運動船體的能精確射擊運動目標的智能水炮系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用光電云臺識別目標、跟蹤目標和獲取射流圖像，IMU 監(jiān)控船體姿態(tài)變化，水炮本體噴出射流打擊目標。為了提高船體運動時水炮射流對目標的射擊精度，提出一種水炮射流穩(wěn)定補償方法。該方法使用IMU 采集到船體姿態(tài)變化信息，控制水炮對應電機轉動進行補償，降低了船體運動對射流的影響，并根據(jù)射流落點狀態(tài)對水炮進行調整，提高了射流落點的命中率，實現(xiàn)了裝載于運動船體的水炮對運動目標的精準、自主打擊。