CN106005455B - 一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统 - Google Patents
一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，包括两轴吊舱结构单元、测控单元、传输系统和地面监控站，两轴吊舱结构单元由基板、方位框和俯仰框构成，承载高精度自动驾驶仪和遥感载荷；测控单元由高精度自动驾驶仪、码盘、俯仰电机和驱动板、方位电机和驱动板构成，实现遥感载荷视轴地理坐标下的测量和控制；传输系统由数传电台和图传电台构成，实现两轴吊舱系统数据和遥感载荷图像的实时传送；地面监控站由数传接收机、图传接收机和地面显示终端构成，实时显示两轴吊舱系统遥感载荷地理坐标系下的角度信息，并根据任务需求向两轴吊舱系统发送控制指令；本发明基于遥感载荷视轴在地理坐标系下的指向信息进行直接控制，保证了两轴吊舱系统多扰环境下的控制精度，且成本低、应用方便，具有重要的工程价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，可用于多类无人机、有人机进行高分辨率遥感拍摄，特别适用于具有大范围多目标巡视需求的电力巡线、国土资源测绘。
背景技术
两轴吊舱系统具有尺寸小、成本低、机动灵活等优点，可以隔离运动载体非理想姿态干扰对载荷视轴的影响，实现对地面物体进行精确定位拍摄功能，在军用、民用及科研方面应用前景非常广泛。
高分辨率遥感载荷在进行航摄时要求运动载体做匀速、稳定的理想运动，以使获得的图像能够满足数据处理中对相邻时刻两幅图像间覆盖重叠度的要求。运动载体在实际执行任务过程中因受到自身振动和随机风场干扰影响，容易形成复杂多模式的非理想运动，进而导致运动成像发生模糊、散焦、变形、像素混叠而出现严重降质。此外，高分辨率遥感载荷属于远距离拍摄，基于映射原理，遥感载荷视轴指向角的微小误差将导致其无法获得指定区域的图像信息，使相邻采样时刻两幅图像之间的像素覆盖部分减少，影响后期处理效果。因此，飞行载体的非理想运动将导致成像质量退化。
两轴吊舱系统安装在运动载体上，隔离运动载体的非理想运动对遥感载荷的影响，提高运动过程中遥感载荷视轴的稳定精度和指向精度，从而提高遥感载荷的成像质量，即增大遥感作业时相邻时刻两幅图像之间的像素重叠率和提高系统的工作效率。
目前发展比较成熟的两轴吊舱系统，以安装在俯仰和方位框的码盘信息为外环角度信息，陀螺测量信息为内环角速度信息进行遥感载荷视轴姿态调整，但由于飞行载体的位置和姿态的时变特性，遥感载荷视轴地理坐标下指向精度不能精确获得，很难按照预定规划角度进行控制；另外一种相对高端的具有视觉跟踪功能的两轴吊舱系统，以载荷图像的像素差作为外环角度信息，陀螺测量信息为内环角速度信息进行遥感载荷视轴姿态调整，但这种跟踪拍摄模式，需要通过人工初始获得地面拍摄物体信息后，才能连续控制使拍摄物体位于图像中央，在工作过程中需人工时刻干预，不利于进行大范围多目标的全自主跟踪控制。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有两轴吊舱平台系统的不足，提出一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，通过安装与遥感载荷视轴平行的自动驾驶仪，实时获得遥感载荷视轴地理坐标下的测量信息并进行控制，实现复杂多扰环境下的全自主跟踪控制。
本发明的技术解决方案是：一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，包括两轴吊舱结构单元(1)、测控单元(2)、传输系统(3)和地面监控站(4)，其中：
两轴吊舱结构单元(1)由基板(11)、方位框(12)和俯仰框(13)构成，基板(11)作为两轴吊舱系统与运动载体的过渡环节，通过减震器固连于两轴吊舱系统和运动载体之间，隔离运动载体的非理想高频运动干扰；方位框(12)作为两轴吊舱系统的最外环，承载俯仰框，实现两轴吊舱系统方位方向的旋转，进而影响遥感载荷视轴在地理坐标系下方位方向的偏转；俯仰框(13)作为两轴吊舱系统的最内环，承载高精度自动驾驶仪和遥感载荷，实现两轴吊舱系统俯仰方向的旋转，进而影响遥感载荷视轴在地理坐标系下俯仰方向的偏转；
测控单元(2)作为两轴吊舱系统的核心，具有测量和控制功能，由高精度自动驾驶仪(21)、码盘(22)、俯仰电机驱动板和电机(23)、方位电机驱动板和电机(24)构成，高精度自动驾驶仪(21)提供安装平面地理坐标下的角度信息，码盘(22)分别安装在俯仰框和方位框旋转轴上，提供框架间的相对角度信息，俯仰电机驱动板和电机(23)接收高精度自动驾驶仪(21)产生的PWM信号，驱动俯仰框电机进行转动，方位电机驱动板和电机(24)接收高精度自动驾驶仪(21)产生的PWM信号，驱动方位框电机进行转动，测量功能通过高精度自动驾驶仪(21)和码盘(22)实现，提供遥感载荷视轴在地理坐标系下的指向精度和框架运动角度，控制功能通过高精度自动驾驶仪(21)、俯仰电机驱动板和电机(23)和方位电机驱动板和电机(24)实现，基于映射关系构建地理坐标系的两轴吊舱惯性稳定平台动力学方程，产生相应的框架运动调整遥感载荷视轴地理坐标系的指向，实现多扰环境下遥感载荷视轴控制；
传输系统(3)由数传电台(31)和图传电台(32)构成，数传电台(31)将载荷视轴在地理坐标系下的俯仰和方位的角度和角速度、俯仰框和方位框码盘的角度实时回传到地面控制终端，图传电台(32)将载荷图像信息实时回传到地面控制终端；
地面监控站(4)由数传接收机(41)、图传接收机(42)和地面显示终端(43)构成，数传接收机(41)接收数传电台(31)回传的载荷视轴在地理坐标系下的角度和角速度、俯仰框和方位框码盘的角度，并通过串口发送到地面显示终端(43)，图传接收机(42)接收图传电台(32)回传的遥感载荷图像信息，并通过串口发送到地面显示终端(43)，地面显示终端(43)接收数传电台和图传电台的信息进行实时显示，并根据任务需求向两轴吊舱系统发送控制指令；
本发明的一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，所述的测控单元(2)的测量功能通过高精度自动驾驶仪(21)和码盘(22)实现，不需要陀螺和加速度计传感器，通过在两轴吊舱结构单元的俯仰框设计平面工装，将高精度自动驾驶仪(21)和遥感载荷固定于同一基准面，测量轴系相互平行，从而高精度自动驾驶仪(21)可以提供遥感载荷视轴在地理坐标系的指向角度，即俯仰框在地理坐标下的俯仰角和方位角，对遥感载荷视轴在地理坐标系的偏差提供绝对基准，俯仰框和方位框相对于地理坐标系的角速度数据通过高精度自动驾驶仪(21)和码盘计算得到；
本发明的一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，所述的测控单元(2)的基于映射关系构建地理坐标系的两轴吊舱惯性稳定平台动力学方程如下
其中，和分别为遥感载荷视轴在地理坐标下的俯仰角和方位角，通过高精度自动驾驶仪测量得到，表示俯仰框相对地理坐标系的x,y,z方向的角速率，表示方位框相对地理坐标系的x,y,z方向的角速率，通过高精度自动驾驶仪和码盘计算得到，为运动载体的角速度信息，由运动载体提供，Jpx,Jpy,Jpz表示俯仰框x,y,z方向的转动惯量，Jax,Jay,Jaz表示方位框x,y,z方向的转动惯量；θp表示俯仰框相对方位框的转角，由码盘测量得到，Jm表示电机的转动惯量，J1＝Jpx+N2Jm，J3＝Jaz+N2Jm+Jpzcos2θp，N表示电机传动比，Ke表示反电动势常数，Kt表示电机力矩系数；Rm表示电机电阻，Lm表示电机电感，up,ua分别表示俯仰和方位框电机输入电压，Tdm表示电机干扰力矩，Tda表示作用到方位框上的干扰力矩；
两轴吊舱惯性稳定平台动力学输入为俯仰框和方位框的电机输入电压，输出为遥感载荷视轴在地理坐标系的俯仰和方位角度和角速度变化量，从而基于遥感载荷期望角度与实际测量角度的误差值，通过PID控制方法产生俯仰框和方位框的驱动命令，在线调整俯仰框和方位框实现遥感载荷视轴的调整。
本发明的原理是：通过安装在两轴吊舱系统俯仰框的高精度自动驾驶仪，实时获得遥感载荷视轴在地理坐标系下的俯仰和方位的绝对角度，通过框架映射关系建立基于地理坐标系的两轴吊舱惯性稳定平台动力学方程，以俯仰框和方位框的电机电压为输入，遥感载荷视轴地理坐标系下的俯仰和方位角度为被控对象，实时调控两轴吊舱惯性稳定平台地理坐标系下视轴指向，实现全自主控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出的基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，直接以遥感载荷视轴在地理坐标系下的俯仰和方位的绝对角度为被控对象，有效隔离飞行载体非理想姿态干扰对视轴的影响，控制精度高，抗干扰能力强；
(2)本发明提出的基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱稳定平台，通过安装在两轴吊舱俯仰框的高精度自动驾驶仪，实时获得遥感载荷视轴在地理坐标系下的位置信息，基于目标对象与遥感载荷视轴的绝对位置信息，可以全自主的实时规划遥感载荷视轴的调节角度，在大范围多目标跟踪过程中无需人工参与，智能性强。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明的俯仰方向控制精度图；
图3为本发明的方位方向控制精度图；
具体实施方式
如图1所示，本发明主要包括两轴吊舱结构单元(1)、测控单元(2)、传输系统(3)和地面监控站(4)，测控单元(2)和传输系统(3)安装与两轴吊舱结构单元(1)上；
两轴吊舱结构单元(1)由基板(11)、方位框(12)和俯仰框(13)构成，基板(11)作为两轴吊舱系统与运动载体的过渡环节，通过减震器固连于两轴吊舱系统和运动载体之间，隔离运动载体的非理想高频运动干扰，方位框(12)作为两轴吊舱系统的最外环，承载俯仰框，实现两轴吊舱系统方位方向的旋转，进而影响遥感载荷视轴在地理坐标系下方位方向的偏转，俯仰框(13)作为两轴吊舱的最内环，承载高精度自动驾驶仪和遥感载荷，实现两轴吊舱系统俯仰方向的旋转，进而影响遥感载荷视轴在地理坐标系下俯仰方向的偏转；
测控单元(2)由高精度自动驾驶仪(21)、码盘(22)、俯仰电机驱动板(23)和方位电机驱动板(24)构成，高精度自动驾驶仪(21)由惯性自动驾驶仪(IMU)、全球定位系统(GPS)接收机、磁罗盘、气压高度计、控制板构成，惯性自动驾驶仪(IMU)提供姿态信息，全球定位系统(GPS)提供位置信息，磁罗盘提供航向信息，气压高度计提供高度信息，控制板负责采集传感器提供的测量信息，并通过捷联解算和卡尔曼滤波实时获得高精度自动驾驶仪(21)所在安装平面的地理坐标下的位置、姿态、角速度信息，码盘(22)分别安装在俯仰框和方位框旋转轴上，提供框架间的相对角度信息，测量功能通过高精度自动驾驶仪(21)和码盘(22)实现，不需要陀螺和加速度计传感器，通过在两轴吊舱结构单元的俯仰框设计平面工装，将高精度自动驾驶仪(21)和遥感载荷固定于同一基准面，测量轴系相互平行，从而高精度自动驾驶仪可以提供遥感载荷视轴在地理坐标系的指向角度，对遥感载荷视轴在地理坐标系的偏差提供绝对基准，俯仰框和方位框相对于地理坐标系的角速度数据通过高精度自动驾驶仪和码盘计算得到；
俯仰电机驱动板和电机(23)接收高精度自动驾驶仪(21)产生的PWM信号，驱动俯仰框电机进行转动，方位电机驱动板和电机(24)接收高精度自动驾驶仪(21)产生的PWM信号，驱动方位框电机进行转动；
控制功能基于地理坐标系的两轴吊舱惯性稳定平台动力学方程如下
其中，和分别为遥感载荷视轴在地理坐标下的俯仰角和方位角，通过高精度自动驾驶仪测量得到，表示俯仰框相对地理坐标系的x,y,z方向的角速率，表示方位框相对地理坐标系的x,y,z方向的角速率，通过高精度自动驾驶仪和码盘计算得到，为运动载体的角速度信息，由运动载体提供，Jpx,Jpy,Jpz表示俯仰框x,y,z方向的转动惯量，Jax,Jay,Jaz表示方位框x,y,z方向的转动惯量；θp表示俯仰框相对方位框的转角，由码盘测量得到，Jm表示电机的转动惯量，J1＝Jpx+N2Jm，J3＝Jaz+N2Jm+Jpzcos2θp，N表示电机传动比，Ke表示反电动势常数，Kt表示电机力矩系数；Rm表示电机电阻，Lm表示电机电感，up,ua分别表示俯仰和方位框电机输入电压，Tdm表示电机干扰力矩，Tda表示作用到方位框上的干扰力矩；
两轴吊舱惯性稳定平台动力学输入为俯仰框和方位框的电机输入电压，输出为遥感载荷视轴在地理坐标系的俯仰和方位角速度变化量，从而基于遥感载荷期望角度与实际测量角度的误差值，通过PID控制方法产生俯仰框和方位框的驱动命令PWM信号，俯仰电机驱动板(23)接收高精度自动驾驶仪(21)产生的PWM信号，从而进一步驱动俯仰框电机进行运动；方位电机驱动板(24)接收高精度自动驾驶仪(21)产生的PWM信号，从而驱动方位框电机进行运动，通过框架的转动在线调整俯仰框和方位框实现遥感载荷视轴的调整；
传输系统(3)由数传电台(31)和图传电台(32)构成，数传电台(31)由5V直流供电，载波频率为900MHz，将载荷视轴在俯仰和方位的角度、俯仰和码盘的角度实时回传到地面控制终端；图传电台(32)由12V直流供电，载波频率为1.2GHz，将载荷图像信息实时回传到地面控制终端；
地面监控站(4)由数传接收机(41)、图传接收机(42)和地面显示终端(43)构成，数传接收机(41)接收数传电台(31)回传的载荷视轴在俯仰和方位的角度、角速度和码盘的角度，并通过串口发送到地面显示终端(43)，图传电台(42)接收图传电台(32)回传的遥感载荷图像信息，并通过串口发送到地面显示终端(43)，地面显示终端(43)接收数传电台和图传电台的信息进行实时显示，并根据任务需求向两轴吊舱系统发送控制指令。
为验证基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统控制性能，进行了相应的飞行测试，通过高精度自动驾驶仪的输出数据与期望角度之间的关系来评估系统的性能，某次实验的飞行结果如图2、图3所示。
基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统在地理坐标系下实现了稳定的控制，俯仰方向的标准差是0.021度，调节时间为1.1秒，方位方向的标准差是0.018，调节时间为0.4秒。
本发明基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统克服了现有两轴吊舱系统地不足，有效的隔离飞行载体非理想姿态干扰对视轴的影响，实现遥感载荷视轴在地理坐标系下的俯仰和方位的高精度控制。
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 (3)
1.一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，其特征在于包括：两轴吊舱结构单元(1)、测控单元(2)、传输系统(3)和地面监控站(4),其中：
两轴吊舱结构单元(1)由基板(11)、方位框(12)和俯仰框(13)构成，基板(11)作为两轴吊舱系统与运动载体的过渡环节，通过减震器固连于两轴吊舱系统和运动载体之间，隔离运动载体的非理想高频运动干扰；方位框(12)作为两轴吊舱系统的最外环，承载俯仰框，实现两轴吊舱系统方位方向的旋转，进而影响遥感载荷视轴在地理坐标系下方位方向的偏转；俯仰框(13)作为两轴吊舱系统的最内环，承载高精度自动驾驶仪和遥感载荷，实现两轴吊舱系统俯仰方向的旋转，进而影响遥感载荷视轴在地理坐标系下俯仰方向的偏转；
测控单元(2)作为两轴吊舱系统的核心，具有测量和控制功能，由高精度自动驾驶仪(21)、码盘(22)、俯仰电机驱动板和电机(23)、方位电机驱动板和电机(24)构成，高精度自动驾驶仪(21)提供安装平面地理坐标下的角度信息，码盘(22)分别安装在俯仰框和方位框旋转轴上，提供框架间的相对角度信息，俯仰电机驱动板和电机(23)接收高精度自动驾驶仪(21)产生的PWM信号，驱动俯仰框电机进行转动，方位电机驱动板和电机(24)接收高精度自动驾驶仪(21)产生的PWM信号，驱动方位框电机进行转动，测量功能通过高精度自动驾驶仪(21)和码盘(22)实现，提供遥感载荷视轴在地理坐标系下的指向精度和框架运动角度，控制功能通过高精度自动驾驶仪(21)、俯仰电机驱动板和电机(23)和方位电机驱动板和电机(24)实现，基于映射关系构建地理坐标系的两轴吊舱惯性稳定平台动力学方程，产生相应的框架运动调整遥感载荷视轴地理坐标系的指向，实现多扰环境下遥感载荷视轴控制；
传输系统(3)由数传电台(31)和图传电台(32)构成，数传电台(31)将载荷视轴在地理坐标系下的俯仰和方位的角度和角速度、俯仰框和方位框码盘的角度实时回传到地面控制终端，图传电台(32)将载荷图像信息实时回传到地面控制终端；
地面监控站(4)由数传接收机(41)、图传接收机(42)和地面显示终端(43)构成，数传接收机(41)接收数传电台(31)回传的载荷视轴在地理坐标系下的角度和角速度、俯仰框和方位框码盘的角度，并通过串口发送到地面显示终端(43)，图传接收机(42)接收图传电台(32)回传的遥感载荷图像信息，并通过串口发送到地面显示终端(43)，地面显示终端(43)接收数传电台和图传电台的信息进行实时显示，并根据任务需求向两轴吊舱系统发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，其特征在于：所述的测控单元(2)的测量功能通过高精度自动驾驶仪(21)和码盘(22)实现，不需要陀螺和加速度计传感器，通过在两轴吊舱结构单元的俯仰框设计平面工装，将高精度自动驾驶仪(21)和遥感载荷固定于同一基准面，测量轴系相互平行，从而高精度自动驾驶仪(21)可以提供遥感载荷视轴在地理坐标系的指向角度，即俯仰框在地理坐标下的俯仰角和方位角，对遥感载荷视轴在地理坐标系的偏差提供绝对基准，俯仰框和方位框相对于地理坐标系的角速度数据通过高精度自动驾驶仪(21)和码盘计算得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于地理坐标系指向控制的两轴吊舱系统，其特征在于：所述的测控单元(2)的基于映射关系构建地理坐标系的两轴吊舱惯性稳定平台动力学方程如下
其中，和分别为遥感载荷视轴在地理坐标下的俯仰角和方位角，通过高精度自动驾驶仪测量得到，表示俯仰框相对地理坐标系的x,y,z方向的角速率，表示方位框相对地理坐标系的x,y,z方向的角速率，通过高精度自动驾驶仪和码盘计算得到，为运动载体的角速度信息，由运动载体提供，Jpx,Jpy,Jpz表示俯仰框x,y,z方向的转动惯量，Jax,Jay,Jaz表示方位框x,y,z方向的转动惯量；θp表示俯仰框相对方位框的转角，由码盘测量得到，Jm表示电机的转动惯量，J1＝Jpx+N2Jm，J3＝Jaz+N2Jm+Jpzcos2θp，N表示电机传动比，Ke表示反电动势常数，Kt表示电机力矩系数；Rm表示电机电阻，Lm表示电机电感，up,ua分别表示俯仰和方位框电机输入电压，Tdm表示电机干扰力矩，Tda表示作用到方位框上的干扰力矩；
两轴吊舱惯性稳定平台动力学输入为俯仰框和方位框的电机输入电压，输出为遥感载荷视轴在地理坐标系的俯仰和方位角度和角速度变化量，从而基于遥感载荷期望角度与实际测量角度的误差值，通过PID控制方法产生俯仰框和方位框的驱动命令，在线调整俯仰框和方位框实现遥感载荷视轴的调整。
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