CN103575277B - 一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置 - Google Patents
一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，包括光学传感器、导航信息处理腔、惯导设备腔、图像处理模块、处理器控制模块、惯性信息测量模块、惯导设备、第一接插件、第二接插件、第三接插件与第四接插件。本发明提供的光惯导航一体化装置其一体化特征在于：一体化同轴安装与一体化同腔安装，即光学传感器、导航信息处理腔、惯导设备腔同轴装配，图像处理模块、处理器控制模块、惯性信息测量模块同腔安装；采用本发明提供的装配方法可以使光惯导航装置通信方式与组织结构更加紧凑简洁。
Description
技术领域
本发明属于高空无人飞行装置目标探测、导航与控制技术领域，尤其是一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置。
背景技术
近几十年来，我国在导航研究领域取得了突飞猛进的进展，导航技术的应用已经渗透到国民经济发展的各个方面，并且涉及到越来越多的学科领域。
目前国内外高空无人飞行器主要是通过惯导和卫星导航系统组合方式来确保导航精度，最为著名的卫星导航系统是美国的全球定位系统。我国自主研制的“北斗”卫星系统尚未形成完整体系，同时考虑到卫星信号易受电磁干扰、传输质量受天气影响等缺点，使得研究具有高精度、高速度、小型化与一体化特点的光学惯性导航装置成为高空无人飞行器的研究重点。
在现阶段，我国光惯组合导航技术的研究与发展还处于较低的水平，传统的光惯组合导航装置在导航通讯实时化、体积结构小型化、系统装配一体化等方面难于满足当前日益发展的高要求，而且传统的组合导航装置还具有通讯方式冗余与组织结构臃肿等缺点，增加了高空无人飞行器的体积、重量、功耗和成本。因而，进一步研究导航通讯实时化、体积结构小型化、系统装配一体化的光惯组合导航技术满足我国导航事业发展的迫切需求。
发明内容
为了克服现有高空无人飞行装置中组合导航系统存在的通讯方式冗余与组织结构臃肿等缺点，本发明提供了一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，以实现导航通讯实时化、体积结构小型化、系统装配一体化的光惯组合导航技术。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，包括光学传感器、导航信息处理腔、惯导设备腔、图像处理模块、处理器控制模块、惯性信息测量模块、惯导设备、第一接插件、第二接插件、第三接插件与第四接插件。
所述光学传感器安装在光惯导航一体化装置最前端，用于实时获取高空无人飞行器下方的目标图像信息。
所述导航信息处理腔安装在光惯导航一体化装置中部，用于安装图像处理模块、处理器控制模块、惯性信息测量模块。
所述惯导设备腔安装在光惯导航一体化装置尾部，用于安装惯导设备。
所述图像处理模块安装在导航信息处理腔的1/2位置处，与光学传感器相连，用于将光学传感器的模拟图像信号转换成数字图像信号，再用JPEG标准算法对数字图像信号进行压缩存储。
所述处理器控制模块通过第一接插件与图像处理模块相连，通过第二接插件和第三接插件，与惯性信息测量模块相连，用于将图像处理模块获得的目标图像特征信息，与惯性信息测量模块获得的三轴角速率和三轴加速度信息融合处理，解算出高空无人飞行器的全姿态信息与位置信息。
所述惯性信息测量模块安装在导航信息处理腔的底部，通过第二接插件和第三接插件，与处理器控制模块相连；通过第四接插件与惯导设备相连，用于实时获取三轴角速率陀螺仪与三轴加速度计的测量数据。
所述惯导设备安装在惯导设备腔内，用于测量高空无人飞行器的三轴角速率和三轴加速度信息，包括三轴角速率陀螺仪和三轴加速度计；三轴角速率陀螺仪与惯性信息测量模块连接，用于测量高空无人飞行器的姿态信息；三轴加速计与惯性信息测量模块连接，其经积分运算得出无人机的位置信息。
所述第一接插件用于连接图像处理模块与处理器控制模块，实现图像处理模块与处理器控制模块之间的数据通信。
所述第二接插件、第三接插件用于连接处理器控制模块与惯性信息测量模块，实现处理器控制模块与惯性信息测量模块之间的数据通信。
所述第四接插件，其特征在于：用于连接惯性信息测量模块与惯导设备，实现惯性信息测量模块与惯导设备之间的数据通信；用于连接光惯导航一体化装置内部设备与外部设备，实现光惯导航一体化装置内部设备与外部设备之间的数据通信。
一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，其一体化特征在于：
一体化同轴安装：光学传感器、导航信息处理腔和惯导设备腔同轴安装，该轴是系统装配中心轴；所述系统装配中心轴由第一中心点、第二中心点与第三中心点三点共线确定；所述第一中心点是光学传感器底座圆心；所述第二中心点是导航信息处理腔底面圆心；所述第三中心点是惯导设备腔底面圆心。
一体化同腔安装：图像处理模块、处理器控制模块、惯性信息测量模块同腔安装，该腔体是导航信息处理腔；图像处理模块安装在导航信息处理腔的1/2位置处，惯性信息测量模块安装在靠近导航信息处理腔的底面，处理器控制模块安装在图像处理模块与惯性信息测量模块的中间位置。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，系统结构采用同轴同腔安装方法，惯导设备采用微机电传感器，运用集成化、小型化设计手段，将尽可能多的元器件高度集成在电路板中，使整个装置具备体积小、重量轻、结构紧凑等优点。
本发明提供一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，适用于高空无人飞行器的姿态测量、精确制导与一体化通信，减少了高空无人飞行器的有效载荷，提高了工作效率，实现了导航通讯实时化、体积结构小型化、系统装配一体化的光惯组合导航技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单介绍：
图1：本发明实施例提供一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置的结构示意图与一体化同轴安装方法示意图；
图2：本发明实施例提供导航信息处理腔俯视图；
图3：本发明实施例提供导航信息处理腔C-C剖视图；
图4：本发明实施例提供图像处理模块、处理器控制模块、惯性信息测量模块、第一接插件、第二接插件、第三接插件与第四接插件连接关系示意图；
图5：本发明实施例提供图像处理模块内部与外部连接关系图；虚线框内代表图像处理模块内部连接关系；连接实线代表数据流方向；
图6：本发明实施例提供处理器控制模块内部与外部连接关系图；虚线框内代表处理器控制模块内部连接关系；连接实线代表数据流方向；
图7：本发明实施例提供惯性信息测量模块内部与外部连接关系图；虚线框内代表惯性信息测量模块内部连接关系；连接实线代表数据流方向；
图中，1-光学传感器、2-导航信息处理腔、3-惯导设备腔、4-系统装配中心轴、5-第一中心点、6-第二中心点、7-第三中心点、8-图像处理模块、9-处理器控制模块、10-惯性信息测量模块、11-第一接插件、12-第二接插件、13-第三接插件、14-第四接插件与15-通信总线；
801-第一前端放大器芯片、802-第一时钟芯片、803-第一A/D转换芯片、804-第一FPGA芯片、805-第一DSP芯片、806-存储芯片与807-第一板间通信管理芯片；
901-第二板间通信管理芯片、902-第三板间通信管理芯片、903-第二FPGA芯片与904-第二DSP芯片；
1001-第二前端放大器芯片、1002-第二时钟芯片、1003-第二A/D转换芯片、1004-第三FPGA芯片、1005-第三DSP芯片与1006-第四板间通信管理芯片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，如图1所示，该装置包括光学传感器1、导航信息处理腔2、惯导设备腔3、图像处理模块8、处理器控制模块9、惯性信息测量模块10、惯导设备、第一接插件11、第二接插件12、第三接插件13与第四接插件14。
如图1所示，所述光学传感器1安装在光惯导航一体化装置最前端，采用E2V公司生产的自带光学镜头的CCD97，用于实时获取高空无人飞行器下方的目标图像信息。
如图1所示，所述导航信息处理腔2安装在光惯导航一体化装置中部，采用航空铝材制作，用于安装图像处理模块8、处理器控制模块9、惯性信息测量模块10。
如图1所示，所述惯导设备腔3安装在光惯导航一体化装置尾部，采用航空铝材制作，用于安装惯导设备。
如图3所示，所述图像处理模块8安装在导航信息处理腔2的1/2位置处，与光学传感器相1连，用于将光学传感器1的模拟图像信号转换成数字图像信号，再用JPEG标准算法对数字图像信号进行压缩存储。
如图4所示，所述处理器控制模块9通过第一接插件11与图像处理模块8相连，通过第二接插件12和第三接插件13，与惯性信息测量模块10相连，用于将图像处理模块8获得的目标图像特征信息，与惯性信息测量模块10获得的三轴角速率和三轴加速度信息融合处理，解算出高空无人飞行器的全姿态信息与位置信息。
如图3所示，所述惯性信息测量模块10安装在导航信息处理腔2的底部；如图4所示，通过第二接插件12和第三接插件13，惯性信息测量模块10与处理器控制模块9相连；通过第四接插件14，惯性信息测量模块10与惯导设备相连，用于实时获取三轴角速率陀螺仪与三轴加速度计的测量数据。
所述惯导设备安装在惯导设备腔3内，包括三轴角速率陀螺仪和三轴加速度计，用于测量高空无人飞行器的三轴角速率和三轴加速度信息；三轴角速率陀螺仪与惯性信息测量模块10连接，用于测量高空无人飞行器的姿态信息；三轴加速计与惯性信息测量模块10连接，其经积分运算得出无人机的位置信息。
如图4所示，所述第一接插件11用于连接图像处理模块8与处理器控制模块9，实现图像处理模块8与处理器控制模块9之间的数据通信；
如图4所示，所述第二接插件12、第三接插件13用于连接处理器控制模块9与惯性信息测量模块10，实现处理器控制模块9与惯性信息测量模块10之间的数据通信；
如图4所示，所述第四接插件14，其特征在于：用于连接惯性信息测量模块10与惯导设备，实现惯性信息测量模块10与惯导设备之间的数据通信；用于连接光惯导航一体化装置内部设备与外部设备，实现光惯导航一体化装置内部设备与外部设备之间的数据通信。
所述一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，其一体化特征在于：
如图1所示，一体化同轴安装：光学传感器1、导航信息处理腔2和惯导设备腔3同轴安装，该轴是系统装配中心轴4；所述系统装配中心轴4由第一中心点5、第二中心点6与第三中心点7三点共线确定；所述第一中心点5是光学传感器1底座圆心；所述第二中心点6是导航信息处理腔2底面圆心；所述第三中心点7是惯导设备腔3底面圆心；
如图3所示，一体化同腔安装：图像处理模块8、处理器控制模块9、惯性信息测量模块10同腔安装，该腔体是导航信息处理腔2；图像处理模块8安装在导航信息处理腔2的1/2位置处，惯性信息测量模块10安装在靠近导航信息处理腔2的底面，处理器控制模块9安装在图像处理模块8与惯性信息测量模块10的中间位置；
如图5所示，所述图像处理模块8，其特征在于：包括第一前端放大器芯片801、第一时钟芯片802、第一A/D转换芯片803、第一FPGA芯片804、第一DSP芯片805、存储芯片806与第一板间通信管理芯片807；第一时钟芯片802用于为第一A/D转换芯片803与第一FPGA芯片804提供工作时钟；存储芯片806用于存储基准图像信号；光学传感器1实时产生目标场景的模拟图像信号，该信号经过第一前端放大器芯片801放大，再经过第一A/D转换芯片803转换成数字图像信号，第一FPGA芯片804将该信号缓存；第一DSP芯片805读取第一FPGA芯片804中的数字图像信号，并用JPEG标准算法对该信号压缩处理，压缩后的数字图像信号与存储芯片806中的基准图像信号进行比较匹配，获得目标图像特征信息；目标图像特征信息通过第一FPGA芯片804与第一板间通信管理芯片807传输到通信总线15上；所述通信总线15用于图像处理模块8、处理器控制模块9与惯性信息测量模块10之间的数据通信。
如图6所示，所述处理器控制模块9，其特征在于：包括第二板间通信管理芯片901、第三板间通信管理芯片902、第二FPGA芯片903与第二DSP芯片904；第二板间通信管理芯片901用于获取通信总线15上的目标图像特征信息；第三板间通信管理芯片902用于获取通信总线15上的三轴角速率和三轴加速度信息；第二FPGA芯片903用于驱动第二板间通信管理芯片901与第三板间通信管理芯片902，同时对通信总线15传输进来的目标图像特征信息、三轴角速率和三轴加速度信息高速缓存；第二DSP芯片904用于读取第二FPGA芯片903中的目标图像特征信息、三轴角速率和三轴加速度信息，解算出高空无人飞行器的全姿态信息与位置信息。
如图7所示，所述惯性信息测量模块10，其特征在于：包括第二前端放大器芯片1001、第二时钟芯片1002、第二A/D转换芯片1003、第三FPGA芯片1004、第三DSP芯片1005与第四板间通信管理芯片1006；第二时钟芯片1002为第二A/D转换芯片1003与第三FPGA芯片1004提供工作时钟；三轴加速度计产生三轴加速度模拟信号，经第二前端放大器芯片1001放大，第二A/D转换芯片1003将放大后的三轴加速度模拟信号转换成三轴加速度数字信号，第三FPGA芯片1004将该数字信号缓存；三轴角速率陀螺仪产生三轴角速率数字信号，第三FPGA芯片1004将该数字信号缓存；第三DSP芯片1005读取第三FPGA芯片1004中的三轴加速度数字信号与三轴角速率数字信号，并对其进行低通滤波处理；低通滤波后的三轴加速度信息与三轴角速率信息经第三FPGA芯片1004与第四板间通信管理芯片1006传输到通信总线15上。
所述一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，其特征在于：所述的三轴角速率陀螺仪采用微机电角速率陀螺仪，所述的三轴加速度计采用微机电加速度计。
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 (2)
1.一种用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，其特征在于：包括光学传感器（1）、导航信息处理腔（2）、惯导设备腔（3）、图像处理模块（8）、处理器控制模块（9）、惯性信息测量模块（10）、惯导设备、第一接插件（11）、第二接插件（12）、第三接插件（13）与第四接插件（14）；
所述光学传感器（1）安装在光惯导航一体化装置最前端，实时获取高空无人飞行器下方的目标图像信息；
所述导航信息处理腔（2）安装在光惯导航一体化装置中部，其内安装图像处理模块（8）、处理器控制模块（9）、惯性信息测量模块（10）；
所述惯导设备腔（3）安装在光惯导航一体化装置尾部，其内安装惯导设备；
所述图像处理模块（8）安装在导航信息处理腔（2）的1/2位置处，与光学传感器（1）相连，将光学传感器（1）的模拟图像信号转换成数字图像信号，再用JPEG标准算法对数字图像信号进行压缩存储；
所述处理器控制模块（9）通过第一接插件（11）与图像处理模块（8）相连，通过第二接插件（12）和第三接插件（13）与惯性信息测量模块（10）相连，用于将图像处理模块（8）获得的目标图像特征信息，与惯性信息测量模块（10）获得的三轴角速率和三轴加速度信息融合处理，解算出高空无人飞行器的全姿态信息与位置信息；
所述惯性信息测量模块（10）安装在导航信息处理腔（2）的底部，通过第四接插件（14）与惯导设备相连，用于实时获取三轴角速率陀螺仪与三轴加速度计的测量数据；
所述惯导设备安装在惯导设备腔（3）内，用于测量高空无人飞行器的三轴角速率和三轴加速度信息，包括三轴角速率陀螺仪和三轴加速度计；三轴角速率陀螺仪与惯性信息测量模块（10）连接，用于测量高空无人飞行器的姿态信息；三轴加速计与惯性信息测量模块（10）连接，其经积分运算得出无人机的位置信息；
所述第一接插件（11）用于连接图像处理模块（8）与处理器控制模块（9），实现图像处理模块（8）与处理器控制模块（9）之间的数据通信；
所述第二接插件（12）、第三接插件（13）用于连接处理器控制模块（9）与惯性信息测量模块（10），实现处理器控制模块（9）与惯性信息测量模块（10）之间的数据通信；
所述第四接插件（14）用于连接惯性信息测量模块（10）与惯导设备，实现惯性信息测量模块（10）与惯导设备之间的数据通信；用于连接光惯导航一体化装置内部设备与外部设备，实现光惯导航一体化装置内部设备与外部设备之间的数据通信；
一体化同轴安装：光学传感器（1）、导航信息处理腔（2）和惯导设备腔（3）同轴安装，该轴是系统装配中心轴（4）；所述系统装配中心轴（4）由第一中心点（5）、第二中心点（6）与第三中心点（7）三点共线确定；所述第一中心点（5）是光学传感器（1）底座圆心；所述第二中心点（6）是导航信息处理腔（2）底面圆心；所述第三中心点（7）是惯导设备腔（3）底面圆心；
一体化同腔安装：图像处理模块（8）、处理器控制模块（9）、惯性信息测量模块（10）同腔安装，该腔体是导航信息处理腔（2）；图像处理模块（8）安装在导航信息处理腔（2）的1/2位置处，惯性信息测量模块（10）安装在靠近导航信息处理腔（2）的底面，处理器控制模块（9）安装在图像处理模块（8）与惯性信息测量模块（10）的中间位置；
所述图像处理模块（8）包括第一前端放大器芯片（801）、第一时钟芯片（802）、第一A/D转换芯片（803）、第一FPGA芯片（804）、第一DSP芯片（805）、存储芯片（806）与第一板间通信管理芯片（807）；第一时钟芯片（802）用于为第一A/D转换芯片（803）与第一FPGA芯片（804）提供工作时钟；存储芯片（806）用于存储基准图像信号；光学传感器（1）实时产生目标场景的模拟图像信号，该信号经过第一前端放大器芯片（801）放大，再经过第一A/D转换芯片（803）转换成数字图像信号，第一FPGA芯片（804）将该信号缓存；第一DSP芯片（805）读取第一FPGA芯片（804）中的数字图像信号，并用JPEG标准算法对该信号压缩处理，压缩后的数字图像信号与存储芯片（806）中的基准图像信号进行比较匹配，获得目标图像特征信息；目标图像特征信息通过第一FPGA芯片（804）与第一板间通信管理芯片（807）传输到通信总线（15）上；所述通信总线（15）用于图像处理模块（8）、处理器控制模块（9）与惯性信息测量模块（10）之间的数据通信；
所述处理器控制模块（9）包括第二板间通信管理芯片（901）、第三板间通信管理芯片（902）、第二FPGA芯片（903）与第二DSP芯片（904）；第二板间通信管理芯片（901）用于获取通信总线（15）上的目标图像特征信息；第三板间通信管理芯片（902）用于获取通信总线（15）上的三轴角速率和三轴加速度信息；第二FPGA芯片（903）用于驱动第二板间通信管理芯片（901）与第三板间通信管理芯片（902），同时对通信总线（15）传输进来的目标图像特征信息、三轴角速率和三轴加速度信息高速缓存；第二DSP芯片（904）用于读取第二FPGA芯片（903）中的目标图像特征信息、三轴角速率和三轴加速度信息，解算出高空无人飞行器的全姿态信息与位置信息；
所述惯性信息测量模块（10）包括第二前端放大器芯片（1001）、第二时钟芯片（1002）、第二A/D转换芯片（1003）、第三FPGA芯片（1004）、第三DSP芯片（1005）与第四板间通信管理芯片（1006）；第二时钟芯片（1002）为第二A/D转换芯片（1003）与第三FPGA芯片（1004）提供工作时钟；三轴加速度计产生三轴加速度模拟信号，经第二前端放大器芯片（1001）放大，第二A/D转换芯片（1003）将放大后的三轴加速度模拟信号转换成三轴加速度数字信号，第三FPGA芯片（1004）将该数字信号缓存；三轴角速率陀螺仪产生三轴角速率数字信号，第三FPGA芯片（1004）将该数字信号缓存；第三DSP芯片（1005）读取第三FPGA芯片（1004）中的三轴加速度数字信号与三轴角速率数字信号，并对其进行低通滤波处理；低通滤波后的三轴加速度信息与三轴角速率信息经第三FPGA芯片（1004）与第四板间通信管理芯片（1006）传输到通信总线（15）上。
2.根据权利要求1所述的用于高空无人飞行器的光惯导航一体化装置，其特征在于：所述的三轴角速率陀螺仪采用微机电角速率陀螺仪，所述的三轴加速度计采用微机电加速度计。
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