一種修正航空機載平臺與載機相對角位移的裝置和方法與流程
2023-12-09 19:46:16 1
本發明涉及航空機載平臺對目標定位技術領域，具體涉及一種修正航空機載平臺與載機相對角位移的裝置和方法。
背景技術：
為了擴大偵察範圍，大部分機載平臺都帶有軸繫結構，這樣成像系統(攝像機、照相機以及熱像儀等)可以在載機上通過轉動擴大偵察範圍。所以大部分機載平臺可以分為基座部分20和可轉動部分21。基座20用於固定到載機上，可轉動部分21通過軸系與基座連接，帶動成像系統轉動從而搜索目標。出於通用性和維修性的要求，在航空偵察中，機載平臺通常採用捷聯方式，而為了提高偵察成像質量，機載平臺的基座20通常需要通過減振器固定在載機上，從而隔離部分振動，提高平臺自身的穩定性。但絕大部分減振器主體採用的阻尼結構屬於柔性材料，所以在實際飛行過程中，受到發動機振動、風阻、載機飛行不平穩、平臺自身運動等因素的影響，機載平臺會產生相對於載機的位移。這些位移包括整體平移、角位移以及混合位移。
在現有的目標定位領域中，多數都需要用到被偵察目標相對載機的方向角。這個方向角是指相對於水平方向、天頂或豎直方向、北向或東向等約定俗成的基準參考方向的角度。在飛行過程中，若需要確定該角度，一方面需要知道機載平臺輸出的被偵察目標相對於機載平臺的角度，另一方面需要知道機載平臺自身相對於基準參考方向角的角度。機載平臺通過隔離載機的運動，獨立偵察目標，通過不斷轉動將目標鎖定在視場內，從而確定視軸相對於載機的方向。慣導單元(IMU)可以確定自身姿態角，但限於機載平臺的體積，慣導單元大多並未安放在機載平臺上，而是在載機上的其他艙裡。通過初始安裝時調整慣導單元在載機上的角度，認為平臺的基準零度方向與載機的零度方向一致。但是，在平臺產生位移的情況下，載機的零度方向和平臺的零度方向就有可能發生偏斜。此時機載平臺的航向指示線11就會發生移動和/或旋轉，各種旋轉當中，只有沿指示線方向的平移才是對定位精度影響可以忽略不計的情況。其餘任何方向的移動和旋轉，包括繞自身的旋轉都會對定位結果產生較大影響。當發生旋轉的時候，依靠平臺輸出的自身的俯仰角和方位角進行解算的時候，實際上是不準確的。即，獲得的目標相對於基準參考方向存在誤差。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供了一種修正航空機載平臺與載機相對角位移的裝置和方法，以機載平臺為基準，將該角位移分解疊加到載機的三個姿態角上，能夠減小坐標轉換過程中的誤差，從而提高定位精度。
一種修正航空機載平臺與載機相對角位移的裝置，包括十字架，探頭、照明系統、成像系統、位置控制系統以及總控系統；
所述十字架固定在機載平臺的基座的頂部；十字架的4個探測臂處於同一平面上，每一個探測臂上設置一個可徑向移動的探頭；每個探頭的外側端部均設置有照明系統和成像系統；照明系統用於對探頭對應的艙壁區域進行照明；成像系統用於對艙壁區域進行成像；
所述位置控制系統根據總控系統的控制指令控制探頭在各自探測臂中的位置，同時，探測探頭的位置信息，並反饋至總控系統；
所述總控系統根據位置控制系統反饋的探頭位置信息，向位置控制系統發送控制指令；同時，根據成像系統獲得的艙壁圖像，判斷十字架在隨機載平臺發生旋轉和/或平移後，獲得各個探頭相對於初始位置的位移量，由此得到十字架相對於載機的角位移大小，採用該角位移大小疊加到載機的對應姿態角度上，對目標的方向誤差進行修正。
一種航空機載平臺與載機相對角位移的修正方法，包括如下步驟：
步驟1：標校探頭初始位置：
當機載平臺的安裝平面調整到與載機自身的姿態角一致的時候，將機載平臺固定到載機上並升降到實際工作位置，將十字架的中心與基座的幾何中心重合；此時，啟動位置控制系統，將各探頭調整到抵近四面艙壁，並控制四個照明系統照亮正對的艙壁，供四個成像系統採集艙壁的圖像紋理，總控系統根據艙壁的圖像紋理記錄下此時各個探頭正對的艙壁位置，作為參考原點；
步驟2：實時採集位移並分析；
在飛行過程中，機載平臺以及其上的十字架相對載機發生旋轉，通過各個成像系統拍攝正對的艙壁，總控系統根據圖像紋理得到各個探頭相對於各自的參考原點發生的位移量，結合探頭臂長，得到十字架相對於載機的角位移大小，其中，所述角位移分別為俯仰角、滾轉角以及航向角的角位移；
步驟3：誤差校正：
將步驟2得到的十字架相對於載機的角位移大小疊加到載機對應的三個姿態角度上，對目標的方向誤差進行修正。
較佳的，步驟2中根據4個探頭相對於各自的參考原點發生的位移量得到十字架相對於載機的角位移大小的具體方法為：
將沿飛機飛行方向的前後兩個探頭分別定義為前探頭和後探頭，左右兩個探頭定義為左探頭和右探頭；以各探頭對應的艙壁上的參考原點為原點在艙壁平面上建立二維直角坐標系，定義為艙壁坐標系；
當探頭存在位移的時候，將各探頭的位移量分解到各自對應艙壁坐標系中的兩個坐標軸上，即表示為(u1,v1)、(u2,v2)、(u3,v3)和(u4,v4)；
定義前、後探頭之間的臂長為l12，左、右探頭之間臂長為l34，則俯仰角滾轉角航向角
本發明具有如下有益效果：
本發明的積極效果在於通過測量與計算得到實時角位移，可以將結果發送到平臺，作為誤差補償項，與載機當前姿態角疊加，得到更為準確的視軸角度值，有利於提高定位精度。而且該系統對空間和硬體資源的需求都較低。硬體結構緊湊、成本低、可以多種形式安裝；軟體計算量小、實時性高、修正有效，且前期初始角度零位的對準過程中，不需要增加在地面上的對準和標校，在幾分鐘內即可完成，通過採集初始值，在飛行中實時測量當前值並分析結果，濾除與定位結果無關的位移。
附圖說明
圖1為位移測量系統俯視圖。
圖2為位移測量系統安裝位置與工作原理圖。為了閱讀方便，圖中只給出了前後艙壁的示意圖，並未畫出左右艙壁。
u1-v1是以前探頭的初始位置為參考原點，在前艙壁上建立的艙壁坐標系，u1為水平方向，v1為豎直方向；u2-v2是以後探頭的初始位置為參考原點，在後艙壁上建立的艙壁坐標系。左右艙壁的未畫出。
其中，1-頂部；2-十字架；4，7,15,16-照明系統；5,8,18,19-成像系統；3-前探頭，6-後探頭,14-左探頭,17-右探頭；9-位置控制系統；10-總控系統；11-航向指示線，12-前壁；13-後壁；20-基座，21-可轉動部分。
具體實施方式
下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。
本發明是一整套系統，包含了軟體和硬體兩部分。
如附圖2所示，機載平臺包括基座20和可轉動部分21(與基座20通過軸系連接，可以繞多個軸旋轉，從而帶動偵察成像系統搜索目標)，在機載平臺的基座20的頂部1(平臺用於捷聯到載機的固定基座部分)固定一個測量十字架2，該十字架2的四條測量臂內包含四個可伸縮的探頭，前探頭3、後探頭6、左探頭14、右探頭17，各探頭由位置控制系統9控制，可以通過伸縮分別抵近載荷艙的四壁，即前壁12和後壁13(左壁和右壁未畫出)。前探頭3的外端有LED照明系統4和成像系統5；後探頭6的外端有LED照明系統7和成像系統8；左探頭14的外端有LED照明系統15和成像系統16；右探頭17的外端有LED照明系統16和成像系統18。探頭位置控制系統9含有四個小型電機和位置傳感器，用來接收總控系統10的信息，以此控制四個探頭在十字架2內的位置，並且將探頭的位置信息反饋給總控系統10。四個艙壁到測量十字架2的中心不一定是等距的，即十字架2的四個測量臂不一定等長，需要通過位置控制系統9反饋的位置信息確定。
總控系統10通過接收成像系統5,8,18,19的信號，測出四個探頭相對於參考原點的位移，結合測量臂的長度，通過坐標投影和三角函數即可得到十字架2相對於載機的偏轉角度，由於十字架2與機載平臺的基座20之間採用剛性連接，得到的三個偏轉角度，可以直接疊加到載機的姿態角上，並將結果發送給機載平臺的主控部分，在後續計算中進行誤差補償。其中，所述角位移分別為俯仰角、滾轉角以及航向角角位移；載機的三個姿態角當中，俯仰角是指載機機頭在豎直方向的俯仰；滾轉角是兩個機翼以機身為軸在豎直方向的滾動；航向角是指在水平面內偏離正北的角度。
其中，該系統安裝位置如附圖2所示，可以採用兩種方式與機載平臺結合。
第一種是該系統獨自集成，通過剛性連接固定在機載平臺的基座20上，整個系統為一個圓餅形，整體附著在基座20的上部，視空間的富餘程度選擇固定在基座20的內部或外部，並可採用乳膠包裹形成柔性密封，以達到防水要求。
第二種是測量十字架2和總控系統10採用分體式設計。測量架2需要剛性連接到機載平臺的基座20部分，總控系統10可以根據空間需求集成到機載平臺內部的合適位置。兩部分用傳輸線互聯通訊。
這兩種安裝方式都要求測量十字架2在實際工作的過程中四周仍有艙壁可供採集圖像，即平臺降至載荷艙外部時，探頭仍需在載荷艙內部。
一種修正機載平臺與載機之間角位移的方法，包括以下步驟：
步驟1：標校探頭初始位置。當機載平臺的安裝平面調整到與載機自身的姿態角一致的時候，將光電平臺固定到載機上並升降到實際工作位置，將十字架2的中心與基座20的幾何中心重合。此時，啟動位置控制系統9，將伸縮探頭調整到抵近四面艙壁，由於艙內一般較暗，四個LED照明系統通過照亮正對的艙壁，供四個成像系統分別通過採集圖像紋理和模式記錄下此時正對的艙壁位置，作為四個坐標系的參考原點，存儲到總控系統10內。在後續過程中，計算該平臺的相對位移時都以此為參考原點。
步驟2：實時採集位移並分析。由於在飛行過程中，當機載平臺處於工作位置時，由于振動、氣流擾動等因素，機載平臺受到的作用力包含了多種模式，由此產生的位移也多種多樣，對於定位影響較大的，是視軸的偏移，即平臺整體在減振器上產生的轉動。本發明採用的四探頭系統就是為了通過對側差分可以確定平臺與載機的相對位移是整體平移還是旋轉。若是平移，由於減振器的位移很小，平臺相對載機的位移可以控制在毫米(mm)量級，對定位的影響微乎其微；但若包含了旋轉，假設由於探測距離在千米(km)量級，則在輕小型平臺上(旋轉半徑在10cm)，1mm的旋轉就可以使1km處目標的定位誤差達到10m。
將沿飛機飛行方向的前後兩個探頭分別定義為前探頭3和後探頭6，左右兩個探頭定義為左探頭14和右探頭17；以各探頭對應的艙壁上的參考原點為原點在艙壁平面上建立二維直角坐標系，定義為艙壁坐標系；根據圖像紋理得到各個探頭相對於各自的參考原點發生的位移量，將每個探頭的位移按照水平-豎直方向投影到各自的坐標系中，形成帶符號的坐標對(uk,vk)，k代表1,2,3,4四個探頭。再結合探頭臂長，得到十字架2相對於載機的角位移大小，得到帶符號的向量對，例如(u1,v1)＝(3，-2)。
步驟3：誤差校正。
前後探頭之間的距離為l12，左右探頭之間距離為l34，則俯仰角滾轉角航向角此時得到的角度也是帶符號的，可以直接在定位過程中的坐標轉換的時候疊加到載機的三個姿態角上。若u1＝u2≠0，說明機載平臺在豎直方向進行了整體平移，該移動量一般在毫米級，對定位結果影響微乎其微，可以忽略。u3＝u4≠0、v1＝v2≠0的情況亦如此。
下面結合附圖詳細說明本發明內部的實施方式。四個探頭是同樣的結構，現先以前探頭3具體說明。LED照明燈4固定在前探頭3的外端，工作室光線照射到前艙壁12上，是為了在很暗的平臺艙內給微型高速CMOS攝像機提供充足的光照，以便於攝像機捕捉到的畫面有足夠的辨識度。CMOS攝像機正對前艙壁拍攝，成像後通過傳輸線送到總控系統10內的DSP晶片，由DSP晶片分析畫面當中紋理的變化，經過計算，得出前探頭3相對於前艙壁的移動量。同時，若DSP判斷CMOS攝像機捕捉到的畫面存在光照不足的情況時，會發出探頭位置不夠的信號，經傳輸線發送到位移控制系統9。位移控制系統9通過小型電機驅動前探頭3伸長，從而抵近前艙壁，以獲得足夠光照，同時將新的前探頭3的位置反饋到總控部分，用於後續計算。
同樣，其餘三個探頭的工作過程與此相同，總控部分通過計算兩對探頭之間的相對位置，得到兩個方向上位移線段的總長度，然後根據在艙壁上測得的位移量，用三角函數法計算得到平臺基座相對於載機在兩個方向上的偏移角度，此即為機載平臺與載機之間的角位移。
綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。