機載設備用目標定位方法及裝置的製作方法

2023-05-28 11:32:46

專利名稱：機載設備用目標定位方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於目標精確測量定位技術領域，涉及一種機載設備用目標定位方法及裝置。
背景技術：
·
當前國內外常用的目標定位技術多集中在單一傳感器應用領域，譬如雷射測距技術通過雷射器發射系統向測量目標發射調製光信號，到達測量目標後經過漫反射返回，通過接收系統接收，並將接收光信號轉換為電信號，然後傳給信號處理電路進行信號處理可計算出發射點和目標間直線距離；以圖像處理技術獲取目標在圖像上距離中心的像素偏移，結合成像裝置尺寸和鏡頭焦距可計算出目標偏離當前觀察中心的俯仰方位角度；通過圖像處理技術提取目標像素尺寸，結合已知的目標實際尺寸和成像系統光學焦距，利用三角變換可預估出目標距觀測點直線距離；通過對目標綁定GPS通訊設備可獲取其經緯高度信息。但以上技術均存在一定問題，如獲取直線距離或偏離視場中心角度僅適用於某些特殊應用領域；通過圖像和目標先驗知識計算直線距離存在較大誤差，亦僅能應用於特殊領域；而對目標綁定GPS通訊設備在人員搜救、林火監控、目標打擊等領域也是「不可能完成的任務」。所以如何實現迅速、有效、無接觸、高適應性的目標定位，已成為軍/民/警各領域、空/海/地環境中一個迫在眉睫的應用需求。

發明內容
本發明的目的是提供一種機載設備用目標定位方法及裝置，以實現迅速、有效、無接觸、高適應性的目標定位。為實現上述目的，本發明的機載設備用目標定位裝置技術方案如下該裝置包括信號處理單元及輸出信號均連入信號處理單元的雷射測距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機、組合慣導模塊和測角器，所述信號處理單元用於根據上傳的各信號解算出目標的位置信
肩、O所述信號處理單元由通訊連接的A/D、FPGA和DSP組成，所述A/D包括A/D模塊和422通訊模塊，所述FPGA包括視頻採集模塊、圖像數據調度模塊和通訊控制模塊，所述DSP包括目標定位解算模塊。本發明的機載設備用目標定位方法的步驟如下(I)將雷射測距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機、組合慣導模塊和測角器的輸出信號連入信號處理單元，來構建機載設備用目標定位裝置；(2)將機載設備用目標定位裝置設置於一載機中；(3)對準欲捕獲目標分別採集紅外圖像和可見光圖像，根據圖像來捕獲目標並鎖定，對鎖定的目標分別採集測距信息、俯仰、方位角偏移信息GPS坐標信息和載機航向、俯仰、橫滾信息並上傳給信息處理單元；
(4)信息處理單元通過機載設備用目標定位裝置方位俯仰信息和測距信息計算出其在載機固連坐標系中坐標，進而通過三維旋轉變換將坐標轉換為載機NED坐標系中坐標，再結合地球半徑、載機GPS信息計算目標實際經緯高度，實現目標的定位。本發明的機載設備用目標定位方法及裝置，融合載機GPS信息、載機姿態信息、觀測設備相對載機角度偏差、觀測設備對目標的測距信息實現對目標經緯高度的準確定位，本發明結合多傳感器優勢，利用多維空間變換原理實現迅速、有效、無接觸、高適應性的目標準確定位，可在森林防火、人員迅速搜救等領域使用，具備廣闊的技術和市場前景。


圖I是機載設備用目標定位裝置的結構示意圖；圖2是信號處理單元的結構示意圖；圖3是載機顧連坐標系中載機與目標方位關係圖；圖4是地球幾何形狀示意圖。
具體實施例方式基本定義I)載機NED坐標係為直角坐標系，原點固連在載機中心，OX軸指向正北，OY軸指向正東，OZ軸指向為鉛垂向下。此坐標系各軸指向與載機姿態角無關。2)載機固連坐標系直角坐標系，原點固連在載機中心，OX軸與飛機縱軸重合,指向機頭。OY軸指向飛機右側，OZ軸指向飛機下方。此坐標系的各軸指向由載機姿態角決
定。 3)載機偏航角飛機OX軸在水平面內投影與正北方向的夾角，從上向下看，指向正北時為0°，順時針旋轉為正，取值範圍[-180° 180° ]。4)載機俯仰角飛機OX軸與水平面的夾角，水平時為0°，抬頭為正，取值範圍[-90。 90。]。5)載機橫滾角飛機固連坐標系的OZ軸與包含飛機縱軸(0X軸)的鉛垂面之間的夾角，從飛機正後方沿縱軸向前看，順時針旋轉為正。取值範圍[-90°、0° ]。6)觀測設備方位角觀測設備前視方向在載機固連坐標系0Χ/0Υ軸平面的投影與飛機縱軸的夾角，指向飛機航向為0°，順時針旋轉為正，取值範圍
。7)觀測設備俯仰角觀測設備前視方向在載機固連坐標系0Χ/0Υ軸平面的投影與飛機縱軸的夾角，指向飛機航向為0°，順時針旋轉為正，取值範圍[-110° ^lO0 ]。如圖I所示，機載設備用目標定位裝置包括信號處理單元及輸出信號均連入信號處理單元的雷射測距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機、組合慣導模塊和測角器，信號處理單元用於根據上傳的各信號解算出目標的位置信息。其中前端傳感器負責提供計算輸入，譬如雷射測距儀提供的雷射測距信息，紅外熱像儀提供的場景紅外圖像信息、可見光攝像機提供的可見光圖像信息、組合慣導模塊提供的當前設備經緯高度信息和設備相對於地理坐標系的航向/俯仰/橫滾信息，測角器提供的當前視軸相對於設備的俯仰、偏移信息；信號處理電路將以上信息作為輸入，經由目標定位算法解算出目標的真實經緯高度信息。如圖2所示,信號處理單元由通訊連接的A/D、FPGA和DSP組成,所述A/D包括A/D模塊和422通訊模塊，所述FPGA包括視頻採集模塊、圖像數據調度模塊和通訊控制模塊，所述DSP包括目標定位解算模塊。A/D負責接收從紅外、可見光、雷射、組合慣導和測角器傳來的實時數據，經由FPGA進行整理後調度至DSP，由其對幾類傳感器傳來的數據進行融合解算。本發明的方法結合載機GPS信息、載機姿態信息、觀測設備在載機固連坐標系中俯仰方位信息(其中載機GPS信息由組合慣導模塊得到，載機姿態信息由組合慣導模塊得至IJ，觀測設備在載機固連坐標系中俯仰方位信息由測角器得到，目標測距信息由雷射測距儀得到)、對目標測距信息依據三維坐標變換原理計算目標位置的GPS信息通過觀測設備(即觀察組件，指紅外熱像儀和可見光攝像機)方位俯仰信息和測距信息計算出其在載機固連坐標系中坐標，進而通過三維旋轉變換將坐標轉換為載機NED坐標系中坐標，再結合地球半徑、載機GPS信息計算其實際經緯高度。機載設備用目標定位方法的步驟如下(I)將雷射測距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機、組合慣導模塊和測角器的輸出信號連入信號處理單元，來構建機載設備用目標定位裝置；(2)將機載設備用目標定位裝置設置於一載機中；( 3)對準欲捕獲目標分別採集紅外圖像和可見光圖像，根據圖像來捕獲目標並鎖定，對鎖定的目標分別採集測距信息、俯仰、方位角偏移信息GPS坐標信息和載機航向、俯仰、橫滾信息並上傳給信息處理單元；(4)信息處理單元通過機載設備用目標定位裝置方位俯仰信息和測距信息計算·出其在載機固連坐標系中坐標，進而通過三維旋轉變換將坐標轉換為載機NED坐標系中坐標，再結合地球半徑、載機GPS信息計算目標實際經緯高度，實現目標的定位。I，目標在載機固連坐標系中坐標計算如圖3所示，已知觀測設備在載機固連坐標系中相對於X軸和Z軸偏移角度μ、Φ，該偏移角度由測角器得到，用於測量觀察組件視場中心軸相對於設備的俯仰和偏移角度，以及雷射測距長度D，經過三角函數運算，得到目標在載機固連坐標系中坐標V =DX sin Φ X cos μV =DX sin Φ X sin μV =DXcos (Φ)注觀測設備方位與μ —致，俯仰角σ與φ的關係為Φ = |90。+σ|。2，目標在載機NED坐標系(即大地坐標系)中坐標計算目標從載機固連坐標系向載機NED坐標系轉換中需考慮兩坐標系間平移、旋轉關係載機與觀測設備直線距離在幾米內，與測距距離(若干公裡)相比可忽略不計，可認為兩坐標系同軸無平移，即轉換僅限於旋轉關係。載機固連坐標系是由載機NED坐標系經過偏航α、俯仰β、橫滾Υ (旋轉順序不能顛倒)得到的，根據相對關係理論，可認為載機固連坐標系經過逆向橫滾變換Α、逆向俯仰變換B、逆向偏航變換C (旋轉順序不能顛倒)得到載機NED坐標系，即
權利要求
1.一種機載設備用目標定位裝置，其特徵在於，該裝置包括信號處理單元及輸出信號均連入信號處理單元的雷射測距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機、組合慣導模塊和測角器，所述信號處理單元用於根據上傳的各信號解算出目標的位置信息。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於所述信號處理單元由通訊連接的A/D、FPGA和DSP組成，所述A/D包括A/D模塊和422通訊模塊，所述FPGA包括視頻採集模塊、圖像數據調度模塊和通訊控制模塊，所述DSP包括目標定位解算模塊。
3.一種機載設備用目標定位方法，其特徵在於，該方法的步驟如下 (1)將雷射測距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機、組合慣導模塊和測角器的輸出信號連入信號處理單元，來構建機載設備用目標定位裝置； (2)將機載設備用目標定位裝置設置於一載機中； (3 )對準欲捕獲目標分別採集紅外圖像和可見光圖像，根據圖像來捕獲目標並鎖定，對鎖定的目標分別採集測距信息、俯仰、方位角偏移信息GPS坐標信息和載機航向、俯仰、橫滾信息並上傳給信息處理單元； (4)信息處理單元通過機載設備用目標定位裝置方位俯仰信息和測距信息計算出其在載機固連坐標系中坐標，進而通過三維旋轉變換將坐標轉換為載機NED坐標系中坐標，再結合地球半徑、載機GPS信息計算目標實際經緯高度，實現目標的定位。
全文摘要
本發明涉及機載設備用目標定位方法及裝置，裝置包括信號處理單元及輸出信號均連入信號處理單元的雷射測距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機、組合慣導模塊和測角器，所述信號處理單元用於根據上傳的各信號解算出目標的位置信息；本發明融合載機GPS信息、載機姿態信息、觀測設備相對載機角度偏差、觀測設備對目標的測距信息實現對目標經緯高度的準確定位，本發明結合多傳感器優勢，利用多維空間變換原理實現迅速、有效、無接觸、高適應性的目標準確定位，可在森林防火、人員迅速搜救等領域使用，具備廣闊的技術和市場前景。
文檔編號G01C21/00GK102928861SQ20121037878
公開日2013年2月13日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者蔣曉陽, 王宗俐 申請人:凱邁(洛陽)測控有限公司