CN109945861A - 小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置及方法 - Google Patents
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Abstract
小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置及方法属于无线光通信技术领域。现有技术尚未实现小型无人机与地面端单向无线光通信。本发明之对准跟踪装置包括地面端和无人机端；无人机端由小型无人机承载；在无人机端中，惯性传感器、成像光学系统安装于二维转台上；跟踪相机安装于成像光学系统焦平面处；惯性传感器、跟踪相机分别与控制器连接；控制器与二维转台、射频通信模块分别连接；在地面端，成像光学系统安装于二维转台上；跟踪相机安装于成像光学系统焦平面处；跟踪相机与控制器连接；控制器与二维转台、射频通信模块分别连接；跟踪辅助光源发光方向朝向无人机端。无人机端、地面端彼此对准跟踪同步动态进行；均包括初始对准、粗跟踪、精跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置及方法，属于无线光通信技术领域。
背景技术
无人机的应用范围很广。在军用方面，当作为空中侦察平台和武器平台时，通过携带不同的装备，能够执行侦察监视、目标定位、通信中继、电子干扰、对地攻击以及攻击损伤有效性评估等任务。在民用方面，无人机可用于航空摄影、气象探测、勘探测绘、环境研究、核辐射探测、通信中继、水灾监视、森林火灾防救、电力线路检查、大型牧场和城区监视等。
通信系统是无人机重要的组成部分，维系着空中的无人机与外界之间的信息交换，如空中无人机之间、空中无人机与地面端之间的信息交换，能够满足无人机起降控制、平台监控、传感器监控、任务执行以及传感器数据传输的需要。随着无人机性能的加强和功能的提升，射频通信在通信速率和通信带宽方面已经不能满足要求，唯有无线光通信方能胜任。
对准、跟踪是无线光通信的一个前提环节，作为通信双方或者通信一方的无人机，必需安装对准跟踪系统，这样才能建立和保持彼此之间的无线光通信。
大型无人机的无线光通信的通信距离为百公里级别，并且，由于其任务需求，其无线光通信多为双向通信，包括空中无人机之间、空中无人机与地面端之间的通信，这就要求其对准跟踪系统应当具有高精度、高稳定性的对准、跟踪能力。为此，要求大型无人机使用的无线光通信对准、跟踪装置能够依次完成初始对准、粗跟踪、精跟踪。如图1所示，二维转台固定在无人机上，主光学系统、信标光发射光学系统、粗跟踪接收光学系统均安装在二维转台上，且三者光轴平行；信标光光源位于信标光发射光学系统焦点；信标光发射光学系统束散角大于主光学系统束散角，粗跟踪接收光学系统视场大于主光学系统视场。GPS定位模块与初始对准控制单元电连接；GPS定位模块采集、记录本身无人机位置信息，并同时传输给初始对准控制单元和对方无人机；同样，初始对准控制单元也实时接收对方无人机位置信息；在处理本身无人机、对方无人机位置信息后，发送控制信号驱动二维转台调整姿态，直到对方无人机进入到本身无人机粗跟踪接收光学系统视场，完成初始对准。
双方无人机中的信标光光源发出的光由信标光发射光学系统作为信标光照向对方无人机，由主光学系统、粗跟踪接收光学系统接收。
粗跟踪相机安装于粗跟踪接收光学系统焦点处；粗跟踪接收光学系统接收来自对方无人机的信标光并成像于粗跟踪相机上，由粗跟踪相机给出双方主光学系统之间的偏移信息，传输给粗跟踪控制单元后，经粗跟踪控制单元计算纠偏调整量，发送控制信号驱动二维转台调整姿态，直到对方主光学系统进入本身无人机主光学系统视场，完成粗跟踪。
主光学系统接收的来自对方无人机的信标光依次由快速倾斜镜1、三波长选择分光片2、两波长选择分光片3的反射，由精跟踪接收光学系统接收；精跟踪相机安装于精跟踪接收光学系统焦点处；精跟踪接收光学系统接收的来自对方无人机的信标光成像于精跟踪相机上，由精跟踪相机给出双方主光学系统之间的微小偏移信息，传输给精跟踪控制单元后，经精跟踪控制单元计算纠偏调整量，发送控制信号驱动快速倾斜镜1调整姿态，直到对方主光学系统与本身无人机主光学系统同轴，完成精跟踪。
在通信双方彼此保持精跟踪状态过程中，即可进行双向无线光通信。也就是，通信光光源发出的通信光经通信光发射光学系统后，自三波长选择分光片2透射、由快速倾斜镜1反射，最后由主光学系统投向对方无人机。本身无人机主光学系统接收对方无人机投放的通信光后，先后由快速倾斜镜1、三波长选择分光片2反射，自两波长选择分光片3透射，由通信光接收光学系统成像于光电探测器。
小型无人机的重量不超过25公斤、飞行高度不超过150米；用于采集并向地面发送图像和视频信号。在小型无人机与地面端之间，以射频通信的方式发送指令、反馈信息，以及单向传送图像和视频信号，通信距离仅在公里级别上。然而，相比于无线光通信，射频通信的通信速率和带宽要小得多，无法高速传输大数据量信号。同时，相比于大型无人机，小型无人机重量轻、尺寸小，虽然因而具有灵活方便的特点，但也限制了辅助设备的配备，如对准跟踪装置，也就是说无法将现有大型无人机的对准跟踪装置直接用到小型无人机上。另外，如果采用无线光通信的方式自小型无人机向地面端发送大数据量信号，由于这只是单向通信，并且地面端固定，因而对对准、跟踪精度要求不高，通信距离又近，大可不必引入大型无人机的对准跟踪装置。再有，由于大型无人机的对准跟踪装置结构复杂、造价高，而小型无人机之所以易于普及，原因之一就是本身造价低，为了保持这一成本优势，同样不能将现有大型无人机的对准跟踪装置直接用到小型无人机上。
发明内容
为了实现小型无人机与地面端单向无线光通信，我们发明了一种小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置及方法，在实现小型无人机单向无线光通信的同时，对准跟踪装置具有结构简单、体积小、重量轻、能耗低、造价低的特点。
本发明之小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置其特征在于，包括地面端和无人机端，如图2所示；无人机端由小型无人机承载；
在无人机端中，惯性传感器、成像光学系统安装于二维转台上；跟踪相机安装于成像光学系统焦平面处；惯性传感器、跟踪相机分别与控制器连接；控制器与二维转台、射频通信模块分别连接；
在地面端，成像光学系统安装于二维转台上；跟踪相机安装于成像光学系统焦平面处；跟踪相机与控制器连接；控制器与二维转台、射频通信模块分别连接；跟踪辅助光源发光方向朝向无人机端；
无人机端的射频通信模块发送无人机端二维转台的空间姿态数据，地面端的射频通信模块接收所述无人机端二维转台的空间姿态数据；无人机端的成像光学系统将地面端的跟踪辅助光源成像于无人机端的跟踪相机；地面端的成像光学系统将承载无人机端的小型无人机成像于地面端的跟踪相机。
本发明之小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪方法其特征在于，如图2所示，无人机端、地面端彼此对准跟踪同步动态进行；
在无人机端与地面端对准跟踪过程中，由惯性传感器的空间姿态表征无人机端二维转台的空间姿态，进而表征无线光通信无人机端的空间姿态；在小型无人机起飞前，惯性传感器记录下对准跟踪装置的无人机端与地面端的空间姿态关系；惯性传感器从小型无人机起飞前、飞行中直到空中悬停，全程采集无人机端二维转台的空间姿态数据，并传输给控制器，以及经由控制器传输给无人机端射频通信模块；所述射频通信模块向地面端发送无人机端二维转台的空间姿态数据；同时，无人机端控制器根据小型无人机飞行中、空中悬停时与起飞前空间姿态数据的变化，计算二维转台朝向地面端所应当具有的空间姿态数据，输出控制信号驱动二维转台转动，调整无人机端成像光学系统的视轴取向，实现无人机端与地面端的初始对准；之后，无人机端控制器继续实时接收惯性传感器持续输出的二维转台实时空间姿态数据，并根据二维转台空间姿态的变化情况，计算补偿量，实时驱动二维转台转动，使地面端进入无人机端成像光学系统视场，实现粗跟踪；无人机端的成像光学系统将地面端的跟踪辅助光源成像于无人机端的跟踪相机，跟踪相机将图像数据传输给控制器，由控制器计算所述跟踪辅助光源图像偏移量，实时驱动二维转台转动，实现精跟踪；
在地面端与无人机端对准跟踪过程中，由地面端二维转台表征无线光通信地面端的空间姿态；地面端射频通信模块接收无人机端射频通信模块发送的无人机端二维转台的空间姿态数据，并传输给地面端控制器，计算二维转台朝向无人机端所应当具有的空间姿态数据，输出控制信号驱动二维转台转动，调整地面端成像光学系统的视轴取向，实现地面端与无人机端的初始对准；之后，地面端射频通信模块继续实时接收无人机端射频通信模块发送的无人机端二维转台实时空间姿态数据，并传输给地面端控制器，控制器根据无人机端二维转台空间姿态的变化情况，计算得到能够使地面端二维转台保持朝向无人机端所应当获得的空间姿态数据补偿量，实时输出控制信号驱动二维转台转动，实现粗跟踪；地面端的成像光学系统将承载对准跟踪装置无人机端的小型无人机成像于地面端的跟踪相机，跟踪相机将图像数据传输给地面端控制器，由控制器计算小型无人机图像偏移量，实时驱动二维转台转动，实现精跟踪。
本发明其技术效果如下所述。
小型无人机与地面端单向无线光通信系统也包括地面端和无人机端两部分。如图3所示，地面端由接收光学系统和光电探测器构成，光电探测器位于接收光学系统的焦平面处，接收光学系统安装于对准跟踪装置地面端的二维转台上，接收光学系统的光轴与对准跟踪装置地面端的成像光学系统的光轴平行；无人机端由发光二极管和光束整形发射系统构成，发光二极管位于光束整形发射系统的焦平面处，光束整形发射系统安装于对准跟踪装置无人机端的二维转台上，光束整形发射系统的光轴与对准跟踪装置无人机端的成像光学系统的光轴平行。
可见，当采用本发明之小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪方法实现对准跟踪装置无人机端中的成像光学系统与地面端的成像光学系统之间的对准跟踪，也就实现了小型无人机与地面端单向无线光通信系统中的无人机端的光束整形发射系统与地面端的接收光学系统的对准跟踪。
与现有大型无人机双向无线光通信对准跟踪技术相比，由于通信距离短，又是单向通信，因此，将本发明之对准跟踪装置的结构设计得比较简单，体积、重量也都大幅减小，造价因此也大幅降低。现有大型无人机通信双方采用相同的对准跟踪装置，而本发明之对准跟踪装置的地面端与无人机端结构及实现对准跟踪的方式则不相同，本发明借助射频通信技术，无人机端、地面端共享无人机端中的惯性传感器采集的空间姿态信息，在地面端的一个跟踪辅助光源的辅助下，就能够实现无人机端与地面端的精跟踪，更为简单是，地面端与无人机端的精跟踪以小型无人机的图像信号为原始控制信号即可实现。
附图说明
图1是现有大型无人机双向无线光通信一方的对准跟踪系统及通信系统结构示意图。图2是本发明之小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置及方法示意框图，该图同时作为摘要附图。图3是采用本发明之小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置及方法实现小型无人机与地面端单向无线光通信效果示意框图。
具体实施方式
需要对本发明之小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置作进一步限定的内容包括：
无人机端的成像光学系统与跟踪相机的初始安装位置关系应当满足成像光学系统将地面端的跟踪辅助光源成像于跟踪相机像面中心的要求；地面端的成像光学系统与跟踪相机的初始安装位置关系应当满足成像光学系统将小型无人机成像于跟踪相机像面中心的要求；跟踪相机的成像器件为CCD或者CMOS。
惯性传感器内部包含三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，采样频率为2000Hz，内置信号处理电路和放大电路，能够满足高探测灵敏度和输出信号信噪比要求，能够实时测量无人机端二维转台的空间姿态变化信息以及小型无人机空间位置变化信息。
无人机端和地面端的射频通信模块采用2.4G通信协议标准，由无人机端射频通信模块向地面端射频通信模块以低速通信的方式发送无人机端二维转台的空间姿态数据。
跟踪辅助光源为面型LED光源，功率为5～10W，发光表面自带透镜结构，能够抑制光束发散，延长照射距离。
需要对本发明之小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪方法作进一步限定的内容为：
惯性传感器采集的空间姿态数据包括分别由惯性传感器内部的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计采集的三轴加速度数据、三轴角速度数据、三轴磁力数据。
Claims (7)
1.一种小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置，其特征在于，包括地面端和无人机端；无人机端由小型无人机承载；
在无人机端中，惯性传感器、成像光学系统安装于二维转台上；跟踪相机安装于成像光学系统焦平面处；惯性传感器、跟踪相机分别与控制器连接；控制器与二维转台、射频通信模块分别连接；
在地面端，成像光学系统安装于二维转台上；跟踪相机安装于成像光学系统焦平面处；跟踪相机与控制器连接；控制器与二维转台、射频通信模块分别连接；跟踪辅助光源发光方向朝向无人机端；
无人机端的射频通信模块发送无人机端二维转台的空间姿态数据，地面端的射频通信模块接收所述无人机端二维转台的空间姿态数据；无人机端的成像光学系统将地面端的跟踪辅助光源成像于无人机端的跟踪相机；地面端的成像光学系统将承载无人机端的小型无人机成像于地面端的跟踪相机。
2.根据权利要求1所述的小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置，其特征在于，无人机端的成像光学系统与跟踪相机的初始安装位置关系应当满足成像光学系统将地面端的跟踪辅助光源成像于跟踪相机像面中心的要求；地面端的成像光学系统与跟踪相机的初始安装位置关系应当满足成像光学系统将小型无人机成像于跟踪相机像面中心的要求；跟踪相机的成像器件为CCD或者CMOS。
3.根据权利要求1所述的小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置，其特征在于，惯性传感器内部包含三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。
4.根据权利要求1所述的小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置，其特征在于，无人机端和地面端的射频通信模块采用2.4G通信协议标准。
5.根据权利要求1所述的小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪装置，其特征在于，跟踪辅助光源为面型LED光源，功率为5～10W，发光表面自带透镜结构。
6.一种小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪方法，其特征在于，无人机端、地面端彼此对准跟踪同步动态进行；
在无人机端与地面端对准跟踪过程中，由惯性传感器的空间姿态表征无人机端二维转台的空间姿态，进而表征无线光通信无人机端的空间姿态；在小型无人机起飞前，惯性传感器记录下对准跟踪装置的无人机端与地面端的空间姿态关系；惯性传感器从小型无人机起飞前、飞行中直到空中悬停，全程采集无人机端二维转台的空间姿态数据，并传输给控制器，以及经由控制器传输给无人机端射频通信模块；所述射频通信模块向地面端发送无人机端二维转台的空间姿态数据；同时，无人机端控制器根据小型无人机飞行中、空中悬停时与起飞前空间姿态数据的变化，计算二维转台朝向地面端所应当具有的空间姿态数据，输出控制信号驱动二维转台转动，调整无人机端成像光学系统的视轴取向，实现无人机端与地面端的初始对准；之后，无人机端控制器继续实时接收惯性传感器持续输出的二维转台实时空间姿态数据，并根据二维转台空间姿态的变化情况，计算补偿量，实时驱动二维转台转动，使地面端进入无人机端成像光学系统视场，实现粗跟踪；无人机端的成像光学系统将地面端的跟踪辅助光源成像于无人机端的跟踪相机，跟踪相机将图像数据传输给控制器，由控制器计算所述跟踪辅助光源图像偏移量，实时驱动二维转台转动，实现精跟踪；
在地面端与无人机端对准跟踪过程中，由地面端二维转台表征无线光通信地面端的空间姿态；地面端射频通信模块接收无人机端射频通信模块发送的无人机端二维转台的空间姿态数据，并传输给地面端控制器，计算二维转台朝向无人机端所应当具有的空间姿态数据，输出控制信号驱动二维转台转动，调整地面端成像光学系统的视轴取向，实现地面端与无人机端的初始对准；之后，地面端射频通信模块继续实时接收无人机端射频通信模块发送的无人机端二维转台实时空间姿态数据，并传输给地面端控制器，控制器根据无人机端二维转台空间姿态的变化情况，计算得到能够使地面端二维转台保持朝向无人机端所应当获得的空间姿态数据补偿量，实时输出控制信号驱动二维转台转动，实现粗跟踪；地面端的成像光学系统将承载对准跟踪装置无人机端的小型无人机成像于地面端的跟踪相机，跟踪相机将图像数据传输给地面端控制器，由控制器计算小型无人机图像偏移量，实时驱动二维转台转动，实现精跟踪。
7.根据权利要求6所述的小型无人机与地面端单向无线光通信对准跟踪方法，其特征在于，惯性传感器采集的空间姿态数据包括分别由惯性传感器内部的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计采集的三轴加速度数据、三轴角速度数据、三轴磁力数据。
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