CN109573088A - 一种舰载无人机光电引导着舰系统及着舰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种舰载无人机光电引导着舰系统，包括舰上观测组件和反光板；所述反光板固设于无人机机身，和/或，机翼上；所述舰上观测组件包括常平台、跟踪转台、红外热像仪、激光测距仪和控制单元；所述常平台固设于舰艇甲板上；所述跟踪转台安装于常平台上，且跟踪转台可沿竖直轴线做转动式运动；所述红外热像仪和激光测距仪安装于跟踪转台上，且红外热像仪和激光测距仪可做俯仰式运动；所述控制单元获得跟踪转台的方位转角数据、红外热像仪和激光测距仪的俯仰转角数据、激光测距仪检测的无人机的相对距离后，通过运算获得无人机的侧偏距、待飞距、相对甲板高度信息并引导其至着陆点着舰。

Description

一种舰载无人机光电引导着舰系统及着舰方法
技术领域
本发明涉及一种舰载光电导引系统，具体涉及一种舰载无人机光电引导着舰系统及着舰方法，主要用于为无人机自主着舰提供导引信息。
背景技术
精确导引技术是发展舰载无人机首先要解决的关键技术，研究无人机自主着舰导引技术对发展舰载无人机具有重要意义。目前，能否安全可靠地实现自动回收已成为评价无人机性能好坏的重要指标之一。
在无人机自动着舰过程中，应用最广泛的是利用GPS/INS或DGPS/INS组合导航系统。然而，由于惯性导航存在累积误差，GPS信号易受干扰，并在高精度领域受到技术封锁的影响，在使用上受到很大限制，一旦信号丢失，其导航技术将不能发挥作用。尤其在无人机着舰时，由于复杂海况和舰艇运动的影响，如果没有其他辅助导航方法，将无法完成无人机安全回收任务。
考虑到GPS在我国使用的限制，采用基于视觉导引的无人机着舰技术大力发展起来，即利用机载/地面红外或者可见光传感器获得图像，通过图像处理得到无人机导航定位姿态参数。在“飞行力学”第30卷第5期论文《舰载无人机精确着舰轨迹控制及飞行验证》中采用双地基摄像机视频叠加算法完成无人机回收阶段的位置定位。由于该方法标定工作复杂且无法在动基座和夜间环境上使用，因而并不适用于无人机自主着舰技术领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种舰载无人机光电引导着舰系统及着舰方法，是一种基于红外探测、红外跟踪、激光测距的光电引导着舰系统及着舰方法，可可靠地应用于无人机自主着舰技术领域。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种舰载无人机光电引导着舰系统，包括舰上观测组件和反光板；
所述反光板固设于无人机机身，和/或，机翼上；
所述舰上观测组件包括常平台、跟踪转台、红外热像仪、激光测距仪和控制单元；所述常平台固设于舰艇甲板上；所述跟踪转台安装于常平台上，且跟踪转台可沿竖直轴线做转动式运动；所述红外热像仪和激光测距仪安装于跟踪转台上，且红外热像仪和激光测距仪可做俯仰式运动；
所述控制单元获得跟踪转台的方位转角数据、红外热像仪和激光测距仪的俯仰转角数据、红外热像仪监测的无人机姿态参数、激光测距仪检测的无人机的相对距离后，通过运算获得无人机的侧偏距、待飞距、相对甲板高度信息并引导其至着陆点着舰。
进一步地，所述红外热像仪包括红外相机、红外探测器、信号处理器和图像处理器；所述探测器、信号处理器和图像处理器依次通过信号传输线路连接。
进一步地，所述跟踪转台包括转台壳体和安装于转台壳体内的跟踪控制器、伺服控制器、运动执行机构和第一传感器；
所述跟踪控制器获得控制单元的信息并传递给伺服控制器；
所述第一传感器用于检测跟踪转台的转速或转角信号并传递给伺服控制器；
所述伺服控制器依据跟踪控制器的跟踪信号控制运动执行机构驱动跟踪转台转动并对准无人机。
进一步地，还包括功率放大器；所述功率放大器通过信号传输线路连接于伺服控制器和运动执行机构中间。
进一步地，还包括俯仰驱动器和第二传感器；
所述俯仰驱动器安装于跟踪转台上，用于驱动红外热像仪和激光测距仪做俯仰运动；
所述第二传感器安装于跟踪转台上，用于检测红外热像仪和激光测距仪的俯仰角度并传递给控制单元。
进一步地，还包括电子水平仪；所述电子水平仪安装于常平台上，用于检测红外热像仪和激光测距仪相对于水平位置的倾斜角。
本发明的另一技术方案：一种舰载无人机光电引导着舰系统的着舰方法，包括如下步骤：
(1)控制单元控制舰上观测组件运作；
(2)跟踪转台做转动；红外热像仪和激光测距仪做俯仰运动；
(3)红外热像仪监测无人机姿态参数、激光测距仪检测无人机相对距离；所述红外热像仪和激光测距仪将检测的数据传递给控制单元；
(4)所述控制单元通过运算计算出无人机的侧偏距、待飞距、相对夹板高度信息并引导其至着陆点着舰。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明是一种基于红外探测、红外跟踪、激光测距的光电引导着陆系统；该光电引导着陆系统依赖舰上观测组件内的红外探测和跟踪设备实现无人机回收过程中的实时跟踪，同时利用激光测距仪测距功能对无人机进行测距，结合此时的俯仰角与偏转角实时解算出无人机与光电引导地面站的相对位置；
(2)该系统通过对无人机相对降落点的精确定位，可以实现对无人机的精确控制，完成无人机的进场、降落，既确保较高的精度，又有很强的独立性，有效解决战时导航信号受限的问题；
(3)该系统复杂程度低，可靠性高；地面设备重量轻，易布设；在无人机上仅需安装反光板，对无人机影响小；
(4)采用了先进的红外成像技术，使本系统可昼夜工作；采用大面阵红外焦平面探测器，先进的信号处理技术，使红外热像仪灵敏度高，保证针对红外辐射较弱的无人机也可做到较远距离的有效探测，同时具备足够的分辨率，满足系统高精度的指向精度。
附图说明
图1为光电引导着舰系统组成框图；
图2为光电引导着舰系统组成原理框图；
图3为跟踪转台功能框图；
图4为信号处理器和图像处理器硬件框图；
图5为光电引导着舰系统定位原理图；
图6为光电引导着舰系统与无人机纵向几何关系图；
图7为光电引导着舰系统与回收绳(网)的舰上布置图；
图8为光电引导着舰系统侧偏距与差分GPS对比图；
图9为光电引导着舰系统待飞距与差分GPS对比图；
图10为光电引导着舰系统相对高度与差分GPS对比图。
图中：1-激光测距仪，2-无人机。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种舰载无人机光电引导着舰系统，包括舰上观测组件和反光板；
所述反光板贴合于无人机2机身和机翼上，用作激光测距光信号的反射部；
所述舰上观测组件包括常平台、跟踪转台、红外热像仪、激光测距仪、俯仰驱动器、第二传感器和控制单元；
其中，所述常平台固设于舰艇甲板上，并位于着陆点延长线上的某一点；其在舰艇行驶的过程中，可保持常平台的工作面处于水平；
所述红外热像仪包括红外相机、红外探测器、信号处理器和图像处理器；所述红外探测器、信号处理器和图像处理器依次通过信号传输线路连接；
所述跟踪转台安装于常平台的工作面上，且跟踪转台可沿竖直轴线做转动式运动；所述跟踪转台包括转台壳体和安装于转台壳体内的跟踪控制器、伺服控制器、运动执行机构和第一传感器；所述跟踪控制器获得控制单元的信息并传递给伺服控制器；所述第一传感器可为测角/测速元件，并用于检测跟踪转台的转速或转角信号并传递给伺服控制器；所述伺服控制器依据跟踪控制器的跟踪信号控制运动执行机构驱动跟踪转台转动并对准无人机2；
所述俯仰驱动器安装于跟踪转台上，用于驱动红外热像仪和激光测距仪1做俯仰运动；所述第二传感器安装于跟踪转台上，用于检测红外热像仪和激光测距仪1的俯仰角度并传递给控制单元；
所述控制单元获得跟踪转台的方位转角数据、红外热像仪和激光测距仪1的俯仰转角数据、红外热像仪监测的无人机2姿态参数、激光测距仪1检测的无人机2的相对距离后，通过运算获得无人机2的侧偏距、待飞距、相对甲板高度信息并引导其至着陆点着舰。
还包括功率放大器；所述功率放大器通过信号传输线路连接于伺服控制器和运动执行机构中间。
还包括电子水平仪；所述电子水平仪安装于常平台上，用于检测红外热像仪和激光测距仪1相对于水平位置的倾斜角。
该系统采用实时跟踪激光测距技术，激光光轴与跟踪光轴平行，在连续稳定跟踪的同时保证了对无人机2位置的准确测量；舰上观测设备布放在指定位置，具有搜索、跟瞄、测距、方位俯仰角度测量、距地面高度测量等功能；其视频信号和测量数据通过线缆或同轴电缆传递给无人机地面控制站。
各个部件的作用：
1)跟踪转台：跟踪转台安装于常平台上，用作红外热像仪和激光测距仪1的承载平台；在跟踪转台的安装、调整过程中，通过电子水平仪调节，使得基座水平，以提供精确的角度测量基准；跟踪转台的工作模式可选用锁定模式、随动模式、自动/手动跟踪模式、区域扫描模式中的任意一种；
(1)跟踪控制器负责与上位机的通讯、协调跟踪转台的管理工作、跟踪时进行目标速度、位置预测等；
(2)伺服控制器接受测角/测速元件采集的跟踪转台位置、速度的信息后，进行跟踪转台的运动控制并产生执行机构的控制参数；
(3)功率放大器依据伺服控制器的信号产生PWM驱动运动执行机构运动；
(4)测角/测速元件用于测角，再采用后向差分的方法得到实时速度；
2)红外热像仪
红外热像仪包含红外相机、红外探测器、信号处理器和图像处理器。其中，红外相机采用一个双分离望远物镜成像，并在像面位置附近加入两片式场镜，然后再用两片透镜把景物聚焦在红外探测器焦平面上；红外探测器采用大面阵红外焦平面阵列器件提高光学系统分辨率；图像处理器以TI公司的高速数字信号处理器TMS320C6416为核心，结合现场可编程门阵列FPGA，构成实时红外图像处理系统；信号处理器以高速度的FPGA器件对信息进行预处理，再通过数字图像处理器TMS320C6416，对图像信息进行实时的目标提取，同时还具有标准的扩展接口，能够再进行各种扩展应用设计；其中信号处理器和图像处理器硬件框图如图4所示；
3)电子水平仪：高精度电子水平仪用于测量相对于水平位置的倾斜角，作为精确坐标系调校基准；
4)激光测距仪：激光测距仪的基本原理是利用光在待测距离上往返传播的时间换算出距离，激光测距仪与无人机2上反光板配合，完成光电导引着舰系统和无人机2实时距离的测量。
一种舰载无人机光电引导着舰系统的着舰方法，包括如下步骤：
(1)控制单元控制舰上观测组件运作；
(2)跟踪转台做转动；红外热像仪和激光测距仪1做俯仰运动；
(3)红外热像仪监测无人机2姿态参数、激光测距仪1检测无人机2相对距离；所述红外热像仪和激光测距仪1将检测的数据传递给控制单元；
(4)所述控制单元通过运算计算出无人机的侧偏距、待飞距、相对夹板高度信息并引导其至着陆点着舰。
定位原理：
光电导引着舰系统设备布放在着陆点的延长线上，工作前需测量与着陆点的距离L，系统调平，并将零位方向指向着陆点(可软件设置，无需人为旋转设备)；
光电导引着舰系统对无人机2进行测量；其中，平面角度距离关系如图5所示，L已知，由激光测距仪1测得d，α为光电导引着舰系统航向偏差角，由跟踪系统测量，根据三角关系可以得出无人机2与着陆点中心的方位偏差角θ，进一步可以计算得到无人机的侧偏距,；
在纵向平面内，光电导引着舰系统调平后，俯仰偏差角可由跟踪系统直接测出，得到俯仰偏差角与距离信息后，可计算得出无人机高度信息。
请参阅图6-7，具体计算为：
光电导引着舰系统与着陆点(无人机回收绳或网)在舰上的布置如图7所示；
以光电引导地面站为原点o、x轴指向舰艇右侧、y轴指向舰艇尾部，建立平面直角坐标系；
无人机回收网/绳与光电引导地面站的相对位置已知，即△x0和△y0已知；
光电导引着舰系统与无人机2在纵向平面内的结合关系图如图6所示；
激光测距仪1测得无人机2相对光电导引着舰系统的距离为d，俯仰偏差角为γ，则图7中
结合航向偏差角α，可以计算得到：
侧偏距Z＝△x-△x0＝dcosγcosα-△x0
待飞距D＝△y-△y0＝dcosγsinα-△y0
相对地面/夹板高度H＝H测+H0，H0为光电地面站相对舰艇表面的高度。
请参阅图8-10，光电导引着舰系统在无人机绳钩回收阶段的侧偏距、待飞距和相对高度与差分GPS的对比图；从图中可知，光电导引着舰系统侧偏距、待飞距和相对高度测量趋势一致，精度相当。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种舰载无人机光电引导着舰系统，其特征在于：包括舰上观测组件和反光板；
所述反光板固设于无人机（2）机身，和/或，机翼上；
所述舰上观测组件包括常平台、跟踪转台、红外热像仪、激光测距仪和控制单元；所述常平台固设于舰艇甲板上；所述跟踪转台安装于常平台上，且跟踪转台可沿竖直轴线做转动式运动；所述红外热像仪和激光测距仪安装于跟踪转台上，且红外热像仪和激光测距仪可做俯仰式运动；
所述控制单元获得跟踪转台的方位转角数据、红外热像仪和激光测距仪（1）的俯仰转角数据、激光测距仪（1）检测的无人机（2）的相对距离后，通过运算获得无人机（2）的侧偏距、待飞距、相对甲板高度信息并引导其至着陆点着舰。
2.根据权利要求1所述的舰载无人机光电引导着舰系统，其特征在于：所述红外热像仪包括红外相机、红外探测器、信号处理器和图像处理器；所述探测器、信号处理器和图像处理器依次通过信号传输线路连接。
3.根据权利要求2所述的舰载无人机光电引导着舰系统，其特征在于：所述跟踪转台包括转台壳体和安装于转台壳体内的跟踪控制器、伺服控制器、运动执行机构和第一传感器；
所述跟踪控制器获得控制单元的信息并传递给伺服控制器；
所述第一传感器用于检测跟踪转台的转速或转角信号并传递给伺服控制器；
所述伺服控制器依据跟踪控制器的跟踪信号控制运动执行机构驱动跟踪转台转动并对准无人机（2）。
4.根据权利要求3所述的舰载无人机光电引导着舰系统，其特征在于：还包括功率放大器；所述功率放大器通过信号传输线路连接于伺服控制器和运动执行机构中间。
5.根据权利要求4所述的舰载无人机光电引导着舰系统，其特征在于：还包括俯仰驱动器和第二传感器；
所述俯仰驱动器安装于跟踪转台上，用于驱动红外热像仪和激光测距仪（1）做俯仰运动；
所述第二传感器安装于跟踪转台上，用于检测红外热像仪和激光测距仪（1）的俯仰角度并传递给控制单元。
6.根据权利要求5所述的舰载无人机光电引导着舰系统，其特征在于：还包括电子水平仪；所述电子水平仪安装于常平台上，用于检测红外热像仪和激光测距仪（1）相对于水平位置的倾斜角。
7.一种权利要求1-6中任一项所述的舰载无人机光电引导着舰系统的着舰方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）控制单元控制舰上观测组件运作；
（2）跟踪转台做转动；红外热像仪和激光测距仪（1）做俯仰运动；
（3）红外热像仪监测无人机（2）姿态参数、激光测距仪（1）检测无人机（2）相对距离；所述红外热像仪和激光测距仪（1）将检测的数据传递给控制单元；
（4）所述控制单元通过运算计算出无人机的侧偏距、待飞距、相对夹板高度信息并引导其至着陆点着舰。
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