CN101226392A - 一种小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器 - Google Patents

Abstract

一种小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器，由控制计算机、载体惯性测量装置、CCD摄像机、小型直流减速伺服电机、无线图像及数据传输系统、地面控制站组成，控制计算机根据载体惯性测量装置及导航系统提供的速率、位置等信息计算出摄像机光轴的速率指令，并控制直流减速伺服电机按照该指令速率运动，实现光轴的半捷联式稳定；摄像机采用弹簧预加载控制，用于消除减速器的齿轮回差；无线图像传输系统将探测图像传回地面控制站，地面控制人员可根据图像信息，并通过无线图像及数据传输系统和控制计算机控制CCD摄像机的运动。本发明结构简单、体积小、重量轻、成本低、精度高，对小型无人机光电探测系统的研制具有重要的价值。

Description

一种小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器

技术领域

本发明涉及一种小型高精度低成本单自由度光电稳定器，适用于利用微小型无人机探测和跟踪地面运动目标的工程实现。

背景技术

机载光电稳定器在军事、公安、消防以及环境监控等领域有着较为广泛的应用，但目前现有的光电稳定器均采用陀螺稳定平台的形式，该类型的稳定器稳定精度较高且有比较成熟的应用，但体积和重量均较大，不适合对体积和重量要求比较严格的场合。利用微小型无人机侦察和跟踪地面可移动目标时，由于无人机自身的体积和有效载荷的限制，要求光电稳定器的重量不超过300g，同时要满足低成本和高稳定精度的要求，框架式陀螺稳定平台已不能满足以上需求，需要一种高精度、低成本小型光电稳定器。目前，国内外已经开始在导弹的红外导引头上使用半捷联稳定算法，但采用的仍然是力矩电机，体积和重量方面没有得到明显的改进，而且大部分研究还停留在理论仿真阶段。总之，目前国内外还没有在性能、价格、体积和重量上比较完备的光电稳定器。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有光电稳定器在体积、重量和成本等方面的不足，提供一种精度高、重量轻、体积小、成本低的单自由度光电稳定器。

本发明的技术解决方案是：一种小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器，由控制计算机、载体惯性测量装置、小型CCD摄像机、小型直流减速伺服电机、无线图像及数据传输系统、地面控制站组成。控制计算机根据载体惯性测量装置提供的速率信息，结合半捷联稳定算法计算出CCD摄像机光轴的指令速率并送至直流减速伺服电机，直流减速伺服电机根据接收到的速率指令直接驱动CCD摄像机按该指令运动；无线图像及数据传输系统将CCD摄像机探测到的图像信息传回地面控制站，当CCD摄像机的光轴出现不稳定时，地面控制人员根据图像信息及任务需求对光电稳定器进行相应的控制，无线图像及数据传输系统接收地面控制人员的控制信息后将数据传至控制计算机，控制计算机根据接收到的信息控制直流减速伺服电机运动，实现CCD摄像机的光轴在惯性空间内的稳定。

本发明的原理是：利用控制计算机中的半捷联稳定算法，根据载体惯性测量装置及导航系统提供的速率、位置等信息计算摄像机光轴的速率指令，控制直流减速伺服电机按照该指令速率运动，实现光轴的半捷联式稳定。同时，为了消除小型低成本减速电机的齿轮回差，采用弹簧预加载控制，光轴的正反转分别由电机和弹簧作为驱动力，大大提高了系统的稳定精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：克服了传统光电稳定器体积大、重量大、成本高、结构复杂等特点，构建了一种精度高、成本低小型光电稳定器，它具有以下的优点：(1)系统采用半捷联稳定算法，结构大大简化，重量大幅度减轻，整个稳定器的重量不超过300g，相比传统光电稳定器又节省了2个陀螺，成本大大降低；(2)高精度系数标定模块采用光电标定原理，可准确地测得摄像机安装不准引入的常值误差，便于软件补偿提高稳定精度；(3)弹簧预加载控制利用弹簧提供的力矩来消除齿轮减速箱的回差，光轴的正反转分别由电机和弹簧作为驱动力，提高了系统的稳定精度，同时也大大降低了对驱动系统的性能要求。

附图说明

图1为本发明的结构框架图；

图2为本发明的半捷联稳定算法流程图；

图3为本发明的弹簧预加载控制原理图；

图4为本发明的地面控制站的组成框图。

具体实施方式

本发明包括载体惯性测量装置1、控制计算机2、直流减速伺服电机3、CCD摄像机4、无线图像及数据传输系统5、地面控制站6，控制计算机2根据载体惯性测量装置1提供的速率信息，结合半捷联稳定算法11计算出摄像机4光轴的指令速率，摄像机4上安装有与电机轴固定的轴套7，并与电机轴之间通过顶丝8固定，直流减速伺服电机3根据接收到的速率指令直接驱动CCD摄像头4按该指令运动，实现光轴在惯性空间内的稳定；CCD摄像机4的镜头和固定板10之间安装有弹簧，系统采用弹簧预加载控制9来消除减速器的齿轮空回；无线图像及数据传输系统5将CCD摄像机4探测到的图像信息传回地面控制站6，当光轴不稳定时，地面控制人员根据图像信息及任务需求对光电稳定器进行相应的控制，无线图像及数据传输系统5接收地面控制人员的控制信息后将数据传至控制计算机2，控制计算机2根据接收到的信息控制电机运动，从而使光轴稳定，本发明的单自由度光电稳定器固连于飞机侧壁，光轴与飞机纵轴平行，其余轴与飞机固连不可运动。

如图2所示，本发明的半捷联稳定算法的实现步骤为：

(1)系统初始化后控制计算机根据地面控制站发送的控制信息判断系统是否已进入稳定状态，若进入稳定状态则执行以下步骤，否则就不进行任何操作；

(2)控制计算机读取载体惯性测量装置输出的无人机在机体坐标系O-X_mY_mZ_m中的角速率信息ω_mx，ω_my，ω_mz和无人机导航系统给出的机体姿态角ψ_m，θ_m，γ_m；

(3)根据上述的姿态和速率信息，结合摄像机坐标系和机体坐标系之间相对位置：平移向量(ΔX，ΔY，ΔZ)^-1和旋转角λ_x，λ_y，λ_z，可求得机体角速度在摄像机坐标系O-X_cY_cZ_c中的投影为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cmx}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mx}}\cos {\mathrm{\λ}}_z\cos {\mathrm{\λ}}_y+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{my}}\sin {\mathrm{\λ}}_z-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mz}}\cos {\mathrm{\λ}}_z\sin {\mathrm{\λ}}_z\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cmy}}=-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mx}}\sin {\mathrm{\λ}}_z\cos {\mathrm{\λ}}_y+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{my}}\cos {\mathrm{\λ}}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mz}}\sin {\mathrm{\λ}}_z\sin {\mathrm{\λ}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cmz}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mx}}\sin {\mathrm{\λ}}_y+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mz}}\cos {\mathrm{\λ}}_y\end{array}\right.$ 式(1)

(4)根据步骤(2)求得的机体角速度在摄像机坐标系中的投影(ω_cmx，ω_cmy，ω_cmz)^-1，可求得为保证光轴稳定所需的摄像机的角速度(ω_cpx，ω_cpy，ω_cpz)^-1＝(-ω_cmx，-ω_cmy，-ω_cmz)^-1，这样便可保证光轴相对于惯性空间的角速度(ω_cx，ω_cy，ω_cz)^-1＝(0，0，0)^-1，实现了光轴的半捷联稳定，其表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ax}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amx}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{apx}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amx}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amx}}=0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ay}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amy}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{apy}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amy}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amy}}=0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{az}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amz}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{apz}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amz}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amz}}=0\end{array}\right.$ 式(2)

(5)根据单自由度光电稳定器的运动轴与飞机纵轴平行的特点，控制计算机根据步骤(3)计算所得的三轴指令角速度值，再结合摄像机坐标系和机体坐标系之间的线位移量(ΔX，ΔY，ΔZ)^-1，可求得对直流减速伺服电机的速率指令为：ω_p＝ω_cmy+ω_cmy×ΔX/L，其中L为摄像机与目标之间的距离。电机执行该指令后能实现光轴的单自由度稳定。

如图2所示，本发明的CCD摄像机4和机体之间的相对位置精度对稳定精度有较大的影响，其误差表达式为：

E(ω_p)＝E(ω_cmy)＝E(ω_my cosλ_y-ω_mxλ_z)＝-ω_mxE(λ_z)＝-ω_mxλ_z0

其中λ_z0为摄像机的初始方位安装误差。由上式可知，摄像机和机体之间的安装位置误差对稳定精度有较大的影响，且为常值系数误差，需要高精度误差补偿模块进行补偿，其实现步骤为：

(1)将光电稳定系统安装于小飞机上，并将小飞机固定于速率转台上，同时将摄像机光轴中心瞄准L远处的靶标中心；

(2)控制转台使小飞机以一定的角速率ω_y绕飞机纵轴转过一个角度θ_y，此时光轴中心偏离靶标中心的距离为ΔX₁，ΔY₁，这样便可以测得单轴稳定系统方位项的安装误差角λ_z0＝atan(ΔX₁/2Ltan(θ_y/2)；

(3)求得λ_z0后，在半捷联稳定算法的计算过程中用λ_z-λ_z0的值替代λ_z的值，这样便可补偿该误差值，大大提高了系统的稳定精度。

如图3所示，弹簧预加载控制是指利用弹簧提供的力矩来消除齿轮减速器的回差，正转时电机克服弹簧力拒驱动摄像机运动，反转时弹簧克服电机力拒拉动摄像机运动，这样保证了电机轴和输出轴之间的齿轮一直处于啮合状态而不过间隙，保证了传动的线性关系，克服了减速器回差，大大提高了系统的稳定精度，其实现步骤：

(1)在CCD摄像机镜头和光电稳定系统固定板之间添加一弹簧，在零位时弹簧具有使摄像机逆时针方向运动的预加载力拒M；

(2)当光轴需要顺时针方向运动时，电机提供的动力拒M_d克服弹簧的阻力拒M_k驱动摄像机运动，此时电机力拒M_d＞M_k；

(3)当光轴需要逆时针方向运动时，弹簧提供动力拒M_k，电机提供阻力拒M_d，此时弹簧拉着摄像机运动，电机的力拒M＜M_d＜M_k；

(4)在整个运动过程中电机力拒M_d均大于零，不存在过零点，这样便消除了减速器的齿轮空回，提高了系统的稳定精度。

本发明的无线图像及数据传输系统5采用目前市场上通用的传输系统，例如航天恒星公司生产的KB1100LB微波图像传输系统以及深圳华奥通公司生产的LN868数据传输系统。

如图4所示：地面控制站6由图像接收机及图像显示设备、数传模块、图像处理装置、控制用操纵杆、控制按键组成，机载图像、数据传输系统将光电探测器探测到的图像传至地面图像接收装置，图像接收装置一方面将图像显示在显示设备上，便于地面控制人员观察，另一方面将图像送至工控机处理，工控机中拥有图像处理算法，能计算出被观测目标相对图像中心的偏移量dx，dy；计算所得的偏移量通过数传模块传至机载控制计算机，用于控制光电稳定器跟踪目标。控制人员还可以通过显示的图像信息及任务需求对光电稳定器进行相应的控制，数传模块能将地面控制人员的控制信息传至无人机，实现相应的控制指令。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器，其特征在于：包括载体惯性测量装置(1)、控制计算机(2)、直流减速伺服电机(3)、安装在飞机机体上的CCD摄像机(4)、无线图像及数据传输系统(5)、地面控制站(6)，控制计算机(2)根据载体惯性测量装置(1)提供的速率信息，结合半捷联稳定算法(11)计算出摄像机(4)光轴的指令速率并送至直流减速伺服电机(3)，直流减速伺服电机(3)根据接收到的速率指令直接驱动CCD摄像机(4)按该指令运动；无线图像及数据传输系统(5)将CCD摄像机(4)探测到的图像信息传回地面控制站(6)，当CCD摄像机(4)的光轴不稳定时，地面控制人员根据图像信息及任务需求对光电稳定器进行相应的控制，无线图像及数据传输系统(5)接收地面控制人员的控制信息后将数据传至控制计算机(2)，控制计算机(2)根据接收到的信息和惯性测量装置的测量值控制直流减速伺服电机(3)运动，实现CCD摄像机(4)的光轴在惯性空间内的稳定。

2.根据权利要求1所述的小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器，其特征在于：所述的半捷联稳定算法(11)的实现步骤为：

(1)系统初始化后控制计算机根据地面控制站发送的控制信息判断系统是否已进入稳定状态，若进入稳定状态则执行以下步骤，否则就不进行任何操作；

(2)控制计算机读取载体惯性测量装置(1)输出的无人机在机体坐标系O-X_mY_mZ_m中的角速率信息ω_mx，ω_my，ω_mz和无人机导航系统给出的机体姿态角ψ_m，θ_m，γ_m；

(3)根据上述的姿态和速率信息，结合摄像机坐标系和机体坐标系之间相对位置：平移向量(ΔX，ΔY，ΔZ)^-1和旋转角λ_x，λ_y，λ_z，求得机体角速度在摄像机坐标系O-X_cY_cZ_c中的投影为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cmx}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mx}}\cos {\mathrm{\λ}}_z\cos {\mathrm{\λ}}_y+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{my}}\sin {\mathrm{\λ}}_z-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mz}}\cos {\mathrm{\λ}}_z\sin {\mathrm{\λ}}_z\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cmy}}=-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mx}}\sin {\mathrm{\λ}}_z\cos {\mathrm{\λ}}_y+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{my}}\cos {\mathrm{\λ}}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mz}}\sin {\mathrm{\λ}}_z\sin {\mathrm{\λ}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{cmz}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mx}}\sin {\mathrm{\λ}}_y+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mz}}\cos {\mathrm{\λ}}_y\end{array}\right.$ 式(1)

(4)根据步骤(3)求得的机体角速度在摄像机坐标系中的投影(ω_cmx，ω_cmy，ω_cmz)^-1，求得为保证光轴稳定所需的摄像机的角速度(ω_cpx，ω_cpy，ω_cpz)^-1＝(-ω_cmx，-ω_cmy，-ω_cmz)^-1，这样便可保证光轴相对于惯性空间的角速度(ω_cx，ω_cy，ω_cz)^-1＝(0，0，0)^-1，实现了光轴的半捷联稳定，其表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ax}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amx}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{apx}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amx}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amx}}=0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ay}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amy}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{apy}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amy}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amy}}=0\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{az}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amz}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{apz}}={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amz}}-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{amz}}=0\end{array}\right.$ 式(2)

(5)根据单自由度光电稳定器的运动轴与飞机纵轴平行的特点，控制计算机根据步骤(4)计算所得的三轴指令角速度值，再结合摄像机坐标系和机体坐标系之间的线位移量(ΔX，ΔY，ΔZ)^-1，求得对直流减速伺服电机的速率指令为：ω_p＝ω_cmy+ω_cmy×ΔX/L，其中L为摄像机与目标之间的距离，ω_cmy×ΔX/L为摄像机线运动而造成的角速率变化量，电机执行该指令后能实现光轴的单自由度稳定。

3.根据权利要求1所述的小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器，其特征在于：所述的CCD摄像机(4)上安装有与电机轴固定的轴套(7)，并与电机轴之间通过顶丝(8)固定。

4.根据权利要求1所述的小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器，其特征在于：所述的CCD摄像机(4)的镜头和其固定板(10)之间安装有弹簧(10)，采用弹簧预加载控制(9)来消除电机减速器的齿轮空回。

5.根据权利要求2所述的小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器，其特征在于：所述的安装在飞机机体上的CCD摄像机(4)和飞机机体之间的安装位置误差需要采用高精度误差补偿模块进行补偿，所述的高精度误差补偿模块的实现步骤如下：

(a)将光电稳定系统安装于小飞机上，并将小飞机固定于速率转台上，同时将摄像机光轴中心瞄准L远处的靶标中心；

(b)控制转台使转台连同小飞机以一定的角速率ω_y绕飞机纵轴转过一个角度θ_y，此时光轴中心偏离靶标中心的距离为ΔX₁，ΔY₁，这样便可以测得单轴稳定系统方位项的安装误差角λ_z0＝atan(ΔX₁/2Ltan(θ_y/2)；

(c)求得λ_z0后，在半捷联稳定算法的计算过程中用λ_z-λ_z0的值替代λ_z的值，这样便可补偿该误差值，大大提高了系统的稳定精度。

6.根据权利要求2所述的小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器，其特征在于：所述的弹簧预加载控制的实现步骤：

(1)在CCD摄像机(4)的镜头和其固定板之间添加一弹簧(10)，在零位时弹簧(10)具有使摄像机逆时针方向运动的预加载力拒M；

(2)当光轴需要顺时针方向运动时，直流减速伺服电机(3)提供的动力拒M_d克服弹簧(10)的阻力拒M_k驱动CCD摄像机(4)运动，此时直流减速伺服电机(3)的力拒M_d＞M_k；

(3)当光轴需要逆时针方向运动时，弹簧(10)提供动力拒M_k，直流减速伺服电机(3)提供阻力拒M_d，此时弹簧(10)拉着CCD摄像机(4)运动，直流减速伺服电机(3)的力拒M＜M_d＜M_k；

(4)在整个运动过程中直流减速伺服电机(3)的力拒M_d均大于零，不存在过零点，这样便消除了减速器的齿轮空回，提高了系统的稳定精度。

7.根据权利要求1所述的小型机载高精度低成本单自由度光电稳定器，其特征在于：所述的地面控制站由图像接收机及图像显示设备、数传模块，图像处理装置、控制用操纵杆组成，机载图像、数据传输系统将光电探测器探测到的图像传至地面图像接收装置，图像接收装置一方面将图像显示在显示设备上，便于地面控制人员观察，另一方面将图像送至工控机处理，工控机中拥有图像处理算法，能计算出被观测目标相对图像中心的偏移量dx，dy；计算所得的偏移量通过数传模块传至机载图像及数据传输系统，用于控制光电稳定器跟踪目标。控制人员还可以通过显示的图像信息及任务需求对光电稳定器进行相应的控制，数传模块能将地面控制人员的控制信息传至无人机，实现相应的控制指令。

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