CN105573328A - 光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于参数校准技术领域，具体涉及一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置及其使用方法，目的是解决现有技术无法实现对光学跟踪/瞄准系统动态性能进行校准的问题。该装置包括载体姿态模拟系统(1)和目标模拟器(2)，待测设备(3)安装在载体姿态模拟系统(1)上，载体姿态模拟系统(1)模拟三维空间内6个自由度的运动，复现载体的姿态变化；目标模拟器(2)安装在某一高度的平台上，相距一定距离，模拟目标运动的运动轨迹。该方法包括稳定精度校准和跟踪精度校准两个步骤。本发明采用载体姿态模拟系统，可模拟三维空间内6个自由度的运动，可最大限度模拟系统在车载、舰载、机载以及陆基条件下的使用环境。

Description

光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置及其使用方法

技术领域

本发明属于参数校准技术领域，具体涉及一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置及其使用方法。

背景技术

光学跟踪/瞄准系统作为一种具有成像、捕获、跟踪、瞄准以及测量功能的光机电一体化设备，近年来在航空、航天、船舶以及兵器等领域得到迅猛发展。光学跟踪/瞄准系统利用目标物体的运动特性、几何特性、物理特性以及目标背景的光学特性，对目标进行感知、跟踪、瞄准，并可输出目标物体的位置、速度以及加速度等信息。与雷达相比，光学跟踪/瞄准系统对中、近距离的目标进行跟踪瞄准，具有可视性、无死角及抗隐形等优点。

根据载体的不同，光学跟踪/瞄准系统可分为静基座和动基座两大类，静基座主要固定于地面或建筑物上，主要用于关键设施或大型盛会场馆的防护，例如在北京奥运会时静基座光学跟踪/瞄准系统对重要场馆的保护也发挥了不可替代的作用。动基座主要安装在舰船、飞行器、车辆上，实现对目标的监视防护。

但是，对光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准尚无统一的校准方法和评定标准。目前各单位对光学跟踪/瞄准系统动态参数的常见校准方法包括：

a)稳定精度的单项校准方法

常采用将光学跟踪/瞄准系统的稳定平台置于简易摇摆台上，在给定摇摆台输入的情况下测试稳定平台的稳定精度；另外，也有单位采取在给定稳定平台输入的情况下对比稳定平台姿态输出的方法。

上述方法的问题在于虽然可以在一定程度上评价稳定平台的稳定精度，但与实际使用状态差距较大。

b)跟踪精度的单项校准方法

对于跟踪精度的校准，目前各单位通常采用在特定现场对随机出现的空中或地面目标进行跟踪试验的方法，以检验系统的特性。

此方法的问题在于测试环境的不统一，由于特定现场选取困难、目标出现的随机性和不可控性、以及现场很少能够配备运动模拟系统，因此对跟踪精度的校准不能达到准确量化、全指标覆盖的基本要求。

总之，目前对光学跟踪/瞄准系统的参数校准尚无统一的校准方法和评定标准，各单位只是根据各自的条件进行标定与测试，且只能进行单项测试，不能确切反映光学跟踪/瞄准系统的整体性能。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术无法实现对光学跟踪/瞄准系统动态性能进行校准的问题，提供一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置及其使用方法。

本发明是这样实现的：

一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置，包括载体姿态模拟系统和目标模拟器，待测设备安装在载体姿态模拟系统上，载体姿态模拟系统模拟三维空间内6个自由度的运动，复现载体的姿态变化；目标模拟器安装在某一高度的平台上，相距一定距离，模拟目标运动的运动轨迹。

如上所述的载体姿态模拟系统包括机械台体与控制系统，其中，机械台体包括动平台、电动或液压缸、伺服电机、静平台、上万向铰、下万向铰；控制系统包括驱动器、控制器以及人机交互模块。

如上所述的动平台为金属制六边形框架结构，负载安装在动平台的上部；静平台为金属制六边形框架结构，底部固定在地基上；电动或液压缸的伸缩杆分别通过上万向铰与下万向铰与动平台和静平台连接；伺服电机安装在电动或液压缸上，驱动电动或液压缸的伸缩杆伸长和缩短，实现并联机构六个自由度的调整，完成要求的位姿调整运动。

如上所述的载体姿态模拟系统的控制系统的控制器接收来自伺服电机和电动或液压缸的位置反馈信息，以及来自人机交互模块的控制输入信息，按照伺服控制方法进行处理，并向驱动器发送控制信号；驱动器接收来自控制器的控制信号，驱动伺服电机带动电动或液压缸伸长或缩短，实现并联机构六个自由度的调整；人机交互模块实现对控制输入的采集，并将其发送给控制器。

如上所述的载体姿态模拟系统的电动或液压缸上安装直线位移传感器，电动或液压缸缸体的直线位移作为控制系统的信息。

如上所述的目标模拟器包括目标光源、折光反射镜、离轴抛物面反射镜、下反射镜和上反射镜；其中，折光反射镜放置在目标光源发射的光束路线上，离轴抛物面反射镜放置在该光束路线上、折光反射镜后侧；离轴抛物面反射镜放置在上述光束经折光反射镜折射后的光路上，上反射镜位于折光反射镜折射出的光束经离轴抛物面反射镜反射后的光路上，下反射镜位于离轴抛物面反射镜反射出的光束经上反射镜反射后的光路上。

如上所述的目标光源为激光光源、可见光光源或者红外光源。

一种根据如上所述的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步：稳定精度校准；

第二步：跟踪精度校准。

如上所述的稳定精度校准步骤，包括如下步骤：

(1)将待测设备——光学跟踪/瞄准系统安装载体姿态模拟系统之上，且使光学跟踪/瞄准系统的安装面与载体姿态模拟系统的动平台固连；

(2)将目标模拟器放置在载体姿态模拟系统旁边，并保持一定的距离；

(3)启动目标模拟器，根据光学跟踪/瞄准系统的实际目标运动特性来设定目标模拟器相应的运动轨迹、运动速度与运动加速度；

(4)启动载体姿态模拟系统，根据光学跟踪/瞄准系统的实际载体类型提供相应的运动姿态变化；

(5)当载体姿态模拟系统与目标模拟器都运动时，通过光学跟踪/瞄准系统对运动目标跟踪时的脱靶量信息，对光学跟踪/瞄准系统的跟踪精度进行校准。

如上所述的稳定精度校准步骤，包括如下步骤：

(1)将待测设备——光学跟踪/瞄准系统安装载体姿态模拟系统之上，且使光学跟踪/瞄准系统的安装面与载体姿态模拟系统的动平台固连；

(2)将目标模拟器放置在载体姿态模拟系统旁边，并保持一定的距离；

(3)启动目标模拟器，根据光学跟踪/瞄准系统的实际目标运动特性设定目标模拟器相应的运动轨迹、运动速度与运动加速度；

(4)启动载体姿态模拟系统，根据光学跟踪/瞄准系统的实际载体类型提供相应的运动姿态变化；

(5)当载体姿态模拟系统与目标模拟器都运动时，通过光学跟踪/瞄准系统对运动目标跟踪时的脱靶量信息，来对光学跟踪/瞄准系统的跟踪精度进行校准。

本发明的有益效果在于：

本发明采用载体姿态模拟系统1，可模拟三维空间内6个自由度(俯仰、滚转、偏航、垂直、纵向、侧向)的运动，此6个自由度已包含载体姿态的所有自由度，可最大限度的模拟光学跟踪/瞄准系统在车载、舰载、机载以及陆基条件下的使用环境。采用目标模拟器2，可实现对目标运动的运动轨迹、运动速度以及运动加速度的模拟；载体姿态模拟系统可复现载体的姿态变化。通过目标模拟器与载体姿态模拟系统的组合来为光学跟踪/瞄准系统提供可重复、可量化的测试环境。

附图说明

图1是本发明的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置的结构示意图；

图2是图1中载体姿态模拟系统的结构示意图；

图3是图1中目标模拟器的结构示意图；

图中，1.载体姿态模拟系统，2.目标模拟器，3.待测设备，4.动平台，5.电动或液压缸，6.伺服电机，7.静平台，8.上万向铰，9.下万向铰，10.目标光源，11.折光反射镜，12.离轴抛物面反射镜，13.下反射镜，14.上反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置进行描述：

如图1所示，一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置，包括载体姿态模拟系统1和目标模拟器2，待测设备3安装在载体姿态模拟系统1上，载体姿态模拟系统1模拟三维空间内6个自由度(俯仰、滚转、偏航、垂直、纵向、侧向)的运动，复现载体的姿态变化。目标模拟器2安装在某一高度的平台上，相距一定距离，模拟目标运动的运动轨迹。

在本实施例中，如图2所示，载体姿态模拟系统1包括机械台体与控制系统，其中，机械台体包括动平台4、电动或液压缸5、伺服电机6、静平台7、上万向铰8、下万向铰9；控制系统包括驱动器、控制器以及人机交互模块。

载体姿态模拟系统1的机械台体采用并联式结构，如图2所示，动平台4为金属制六边形框架结构，负载安装在动平台4的上部。静平台7为金属制六边形框架结构，底部固定在地基上。电动或液压缸5的伸缩杆分别通过上万向铰8与下万向铰9与动平台4和静平台7连接。伺服电机6安装在电动或液压缸5上，驱动电动或液压缸5的伸缩杆伸长和缩短，实现并联机构六个自由度的调整，从而完成要求的位姿调整运动。

载体姿态模拟系统1的控制系统的控制器接收来自伺服电机6和电动或液压缸5的位置反馈信息，以及来自人机交互模块的控制输入信息，按照现有的伺服控制方法进行处理，并向驱动器发送控制信号。

驱动器接收来自控制器的控制信号，驱动伺服电机带动电动或液压缸5伸长或缩短，实现并联机构六个自由度的调整，从而完成要求的位姿调整运动。

人机交互模块实现对控制输入的采集，并将其发送给控制器。

在本实施例中，控制器可采用智能处理芯片、微型计算机、PLC控制器等实现，驱动器和人机交互模块采用通用产品实现。

为了提高载体姿态模拟系统1的控制精度，本发明中所述载体姿态模拟系统1的电动或液压缸5上安装了直线位移传感器，消除伺服电机与缸体之间的连接间隙，以电动或液压缸5缸体的直线位移作为控制系统的位置反馈信息。

如图3所示，目标模拟器2包括目标光源10、折光反射镜11、离轴抛物面反射镜12、下反射镜13和上反射镜14。其中，目标光源10可设置为激光光源、可见光光源或者红外光源。折光反射镜11放置在目标光源10发射的光束路线上，离轴抛物面反射镜12放置在该光束路线上、折光反射镜11后侧。离轴抛物面反射镜12放置在上述光束经折光反射镜11折射后的光路上，上反射镜13位于折光反射镜11折射出的光束经离轴抛物面反射镜12反射后的光路上，下反射镜14位于离轴抛物面反射镜12反射出的光束经上反射镜13反射后的光路上。

目标光源10经过折光反射镜11的折射后进入离轴抛物面反射镜12的焦面上，经离轴抛物面反射镜12的准直后形成平行光目标，再经过由上反射镜13、下反射镜14组成的转臂。上述转臂配合旋转运动机构，在其驱动下作圆周运动，上下转臂之间的距离可设定，由此通过切换不同光源形成各种波长的无穷远活动目标。

本发明的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置的使用方法包括如下步骤：

第一步：稳定精度校准；

进行稳定精度校准，具体包括如下步骤：

(1)将光学跟踪/瞄准系统3安装载体姿态模拟系统1之上，且使光学跟踪/瞄准系统3的安装面与载体姿态模拟系统1的动平台4固连；

(2)将目标模拟器2放置在载体姿态模拟系统1旁边，并保持一定的距离，一般为3米至5米；

(3)启动目标模拟器2并保持目标源静止，使光学跟踪/瞄准系统3锁定目标源；

(4)启动载体姿态模拟系统1，根据光学跟踪/瞄准系统3的实际载体类型来提供相应的运动姿态变化；

(5)当载体姿态模拟系统1运动时，目标模拟器2静止，通过光学跟踪/瞄准系统3跟踪目标源的脱靶量信息，来对光学跟踪/瞄准系统3的稳定精度进行校准。

第二步：跟踪精度校准；

进行跟踪精度校准，具体包括如下步骤：

(1)将待测设备3——光学跟踪/瞄准系统安装载体姿态模拟系统1之上，且使光学跟踪/瞄准系统的安装面与载体姿态模拟系统1的动平台4固连；

(2)将目标模拟器2放置在载体姿态模拟系统1旁边，并保持一定的距离，一般为3米至5米；

(3)启动目标模拟器2，根据光学跟踪/瞄准系统3的实际目标运动特性来设定目标模拟器2相应的运动轨迹、运动速度与运动加速度；

(4)启动载体姿态模拟系统1，根据光学跟踪/瞄准系统3的实际载体类型来提供相应的运动姿态变化；

(5)当载体姿态模拟系统1与目标模拟器2都运动时，通过光学跟踪/瞄准系统3对运动目标跟踪时的脱靶量信息，来对光学跟踪/瞄准系统3的跟踪精度进行校准。

本发明采用载体姿态模拟系统1，可模拟三维空间内6个自由度(俯仰、滚转、偏航、垂直、纵向、侧向)的运动，此6个自由度已包含载体姿态的所有自由度，可最大限度的模拟光学跟踪/瞄准系统在车载、舰载、机载以及陆基条件下的使用环境。采用目标模拟器2，可实现对目标运动的运动轨迹、运动速度以及运动加速度的模拟；载体姿态模拟系统可复现载体的姿态变化。通过目标模拟器与载体姿态模拟系统的组合来为光学跟踪/瞄准系统提供可重复、可量化的测试环境。

Claims (10)

1.一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置，包括载体姿态模拟系统(1)和目标模拟器(2)，待测设备(3)安装在载体姿态模拟系统(1)上，载体姿态模拟系统(1)模拟三维空间内6个自由度的运动，复现载体的姿态变化；目标模拟器(2)安装在某一高度的平台上，相距一定距离，模拟目标运动的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置，其特征在于：所述的载体姿态模拟系统(1)包括机械台体与控制系统，其中，机械台体包括动平台(4)、电动或液压缸(5)、伺服电机(6)、静平台(7)、上万向铰(8)、下万向铰(9)；控制系统包括驱动器、控制器以及人机交互模块。

3.根据权利要求2所述的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置，其特征在于：所述的动平台(4)为金属制六边形框架结构，负载安装在动平台(4)的上部；静平台(7)为金属制六边形框架结构，底部固定在地基上；电动或液压缸(5)的伸缩杆分别通过上万向铰(8)与下万向铰(9)与动平台(4)和静平台(7)连接；伺服电机(6)安装在电动或液压缸(5)上，驱动电动或液压缸(5)的伸缩杆伸长和缩短，实现并联机构六个自由度的调整，完成要求的位姿调整运动。

4.根据权利要求2所述的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置，其特征在于：所述的载体姿态模拟系统(1)的控制系统的控制器接收来自伺服电机(6)和电动或液压缸(5)的位置反馈信息，以及来自人机交互模块的控制输入信息，按照伺服控制方法进行处理，并向驱动器发送控制信号；驱动器接收来自控制器的控制信号，驱动伺服电机(6)带动电动或液压缸(5)伸长或缩短，实现并联机构六个自由度的调整；人机交互模块实现对控制输入的采集，并将其发送给控制器。

5.根据权利要求4所述的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置，其特征在于：所述的载体姿态模拟系统的电动或液压缸(5)上安装直线位移传感器，电动或液压缸(5)缸体的直线位移作为控制系统的信息。

6.根据权利要求1所述的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置，其特征在于：所述的目标模拟器(2)包括目标光源(10)、折光反射镜(11)、离轴抛物面反射镜(12)、下反射镜(13)和上反射镜(14)；其中，折光反射镜(11)放置在目标光源(10)发射的光束路线上，离轴抛物面反射镜(12)放置在该光束路线上、折光反射镜(11)后侧；离轴抛物面反射镜(12)放置在上述光束经折光反射镜(11)折射后的光路上，上反射镜(13)位于折光反射镜(11)折射出的光束经离轴抛物面反射镜(12)反射后的光路上，下反射镜(14)位于离轴抛物面反射镜(12)反射出的光束经上反射镜(13)反射后的光路上。

7.根据权利要求6所述的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置，其特征在于：所述的目标光源(10)为激光光源、可见光光源或者红外光源。

8.一种根据权利要求1-6任何一项所述的一种光学跟踪/瞄准系统的动态参数校准装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步：稳定精度校准；

第二步：跟踪精度校准。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的稳定精度校准步骤，包括如下步骤：

(1)将待测设备(3)——光学跟踪/瞄准系统安装载体姿态模拟系统(1)之上，且使光学跟踪/瞄准系统的安装面与载体姿态模拟系统(1)的动平台(4)固连；

(2)将目标模拟器(2)放置在载体姿态模拟系统(1)旁边，并保持一定的距离；

(3)启动目标模拟器(2)，根据光学跟踪/瞄准系统的实际目标运动特性来设定目标模拟器(2)相应的运动轨迹、运动速度与运动加速度；

(4)启动载体姿态模拟系统(1)，根据光学跟踪/瞄准系统的实际载体类型提供相应的运动姿态变化；

(5)当载体姿态模拟系统(1)与目标模拟器(2)都运动时，通过光学跟踪/瞄准系统对运动目标跟踪时的脱靶量信息，对光学跟踪/瞄准系统的跟踪精度进行校准。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的稳定精度校准步骤，包括如下步骤：

(1)将待测设备(3)——光学跟踪/瞄准系统安装载体姿态模拟系统(1)之上，且使光学跟踪/瞄准系统的安装面与载体姿态模拟系统(1)的动平台(4)固连；

(2)将目标模拟器(2)放置在载体姿态模拟系统(1)旁边，并保持一定的距离；

(3)启动目标模拟器(2)，根据光学跟踪/瞄准系统(3)的实际目标运动特性设定目标模拟器(2)相应的运动轨迹、运动速度与运动加速度；

(4)启动载体姿态模拟系统(1)，根据光学跟踪/瞄准系统(3)的实际载体类型提供相应的运动姿态变化；

(5)当载体姿态模拟系统(1)与目标模拟器(2)都运动时，通过光学跟踪/瞄准系统(3)对运动目标跟踪时的脱靶量信息，来对光学跟踪/瞄准系统(3)的跟踪精度进行校准。