CN110088561A - 用于安装在移动载体上的通过恒星重置的目标定位装置 - Google Patents

用于安装在移动载体上的通过恒星重置的目标定位装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种目标定位装置(1)，包括：摄像头(2)，摄像头可以被定向在看到目标的定向中以使得摄像头获取目标的图像，以及定向在看到恒星的定向中以使得摄像头获取恒星的至少一个图像；惯性单元(4)，被配置为计算摄像头(2)的位置和定向数据；重置模块(6)，被配置为基于恒星的图像来对数据进行恒星重置，以产生重置数据；定位模块(8)，被配置为根据目标的图像(T)和重置数据来估计目标(T)的位置；通信接口，用于与操作员站通信，摄像头(2)响应于接口所接收到的操作员站发出的命令从一个定向转向另一个定向。

Description

用于安装在移动载体上的通过恒星重置的目标定位装置
技术领域
本发明涉及一种用于安装在载体上的实现恒星校正的目标定位装置。
背景技术
在现有技术中已知一种用于安装在飞行器上的目标定位装置，该装置包括：
移动摄像头，被配置为朝向目标；
惯性单元，被配置为计算摄像头的位置和/或取向数据；
定位模块，被配置为根据惯性单元提供的数据估计目标的位置。
该装置通常安装在飞行器的壁上，以使得飞行器飞行时能够对地面目标进行定位。
然而，惯性单元提供的数据可能受到漂移的不良影响，从而导致定位模块估计的位置可能距离目标的实际位置非常远。
众所周知为了校正这样的漂移，在飞行器上安装一个恒星取景器。恒星取景器安装在飞行器的顶壁上，以使得恒星取景器能够面向天空。
恒星取景器包括：获取至少一个位置预定的恒星的图像的摄像头；以及被配置为将惯性单元提供的数据用于文献中被称为“恒星校正”或“恒星视线校正”的处理的模块。由恒星取景器的摄像头获取的图像能够揭示恒星的假定位置与其实际位置之间的偏差。通过恒星校正，该偏差用于校正影响惯性单元所计算数据的漂移误差。由于恒星是可靠的参考点，因此该校正是有效的。
然而，载体经受机械变形，这会导致用于观测目标的摄像头相对于恒星取景器的相对位置可能发生不可预测地变化，因此影响恒星校正的效率。
此外，恒星取景器是相对庞大的装置，会加重载体的负担，当载体是无人机类型的轻型飞行器时，这尤其是有害的。
因此，在文献EP1440329B1中已经提出了一种使用移动摄像头来定位目标的方法。
发明内容
本发明的一个目的是在不加重载体的负担的情况下改善用于安装在载体上的定位装置的定位性能。
因此，根据第一方面，提出了一种用于安装在移动载体上的目标定位装置，该装置包括：
能够相对于载体定向在第一定向和第二定向的摄像头，在第一定向下，所述摄像头朝向所述目标，使得所述摄像头获取所述目标的图像，以及在第二定向下，所述摄像头朝向至少一个预定恒星，使得所述摄像头获取所述恒星的至少一个图像；
惯性单元，被配置为计算所述摄像头的位置和定向数据；
恒星校正模块，被配置为基于所述恒星的图像对所述惯性单元所计算的数据进行恒星校正，以产生校正的位置和定向数据；
定位模块，被配置为根据所述目标的图像和所述校正的数据估计所述目标的位置；
与操作员站通信的接口，所述摄像头还被配置为响应于所述通信接口接收到的所述操作员站发出的命令从所述第一定向和所述第二定向中的一个定向切换到另一个定向。
在所提出的装置中，使用同一个摄像头来观测目标以定位，并且获取显示用于实施恒星校正的至少一个预定恒星的图像。由于无需使用额外的摄像头，因此降低了定位装置的总体积。
此外，该装置的定位性能不会受到载体机械变形的干扰。
当技术上可行的情况下，根据第一方面的方法可以借助于以下特征中的一个或组合来完成。
所述定位装置可以包括不确定度估计模块，所述不确定度估计模块被配置为估计影响由所述定位模块所估计的位置的准确度的误差的不确定度，并且所述摄像头可以被配置为当所述不确定度超过第一预定阈值时从所述第一定向切换到所述第二定向。
所述不确定度可以是影响所述定位模块所估计的目标的位置的位置误差的不确定度。
可替代地，所述不确定度可以是影响所述惯性单元所计算出的航向数据的所述摄像头的航向误差的不确定度。
第一阈值可以小于或等于0.3毫弧度。
所述摄像头可以被配置为当第二不确定度超过第二预定阈值时从第二定向切换到第一定向。
第二阈值可以小于或等于第一阈值。
所述摄像头可以被配置为在红外采集模式下获取所述预定恒星的图像，在所述红外采集模式中，所述摄像头对红外波长敏感。
根据第二方面，还提出了一种飞行器，例如无人机，所述飞行器包括根据第一方面的目标定位装置。
根据第三方面，还提出了一种目标定位方法，包括以下步骤：
将安装在移动载体上的移动摄像头定向在第一定向中，在所述第一定向中，所述目标在所述摄像头的视线范围内；
通过惯性单元计算所述摄像头的位置和定向数据；
由所述摄像头获取所述目标的至少一个图像；
将所述摄像头相对于所述载体定向在第二定向中，在所述第二定向中，预定的恒星在所述摄像头的视线范围内；
通过所述摄像头获取所述恒星的至少一个图像；
根据所述恒星的图像对所述惯性单元计算的数据进行恒星校正，以产生校正的位置和定向数据；
根据所述目标的图像和所述校正的数据来估计所述目标的位置，
其中，所述摄像头响应于接收到的操作员站发出的命令而从所述第一定向和所述第二定向中的一个定向切换到另一个定向。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优点将从以下描述中变得显而易见，该描述仅是说明性的而非限制性的，并且应该参考附图阅读，在附图中：
图1是目标、安装有用于目标定位装置的载体和恒星在相对于地面的垂直面中的视图。
图2是示出根据一个实施例的定位装置的内部组件的示意图。
图3是图1中已经示出的载体和目标在相对于地面的水平面中的视图。
图4是根据一个实施例的目标定位方法的步骤流程图。
在所有附图中，类似的元件具有相同的参考标记。
具体实施方式
目标定位装置
参考图1，诸如飞行器A的移动载体包括用于定位目标T的装置。恒星S也在图1中示出。
飞行器A包括无人机、直升机、飞机等。在图1中，飞行器为直升机。
参考图2，定位装置1包括摄像头2、惯性单元4、恒星校正模块6和目标定位模块8。
定位装置1安装在飞行器A的底壁P上，也就是说，当飞行器A飞行时面向地面的壁上。
可替代地，定位装置1可以安装在飞行器A的另一个壁上，例如飞行器A的顶壁，也就是说，当飞行器A飞行时面向天空的壁。
定位装置1还包括壳体10，壳体通过诸如球形接头连接件12可旋转地安装在飞行器A的壁上。
摄像头2、惯性单元4、校正模块6和定位模块8容纳在壳体10中，并且例如，可以相对于壳体固定。
特别地，惯性单元4优选地固定到摄像头2上。
摄像头2可相对于载体A在多个定向之间移动。
一方面，摄像头2能够定向为朝向地面。
另一方面，摄像头2能够定向为朝向天空。优选地，摄像头2能够采取以下定向：在该定向中，摄像头2的光轴的最大仰角为30度(即，摄像头2的光轴相对于平行于地面的水平面形成30度的正角度，并且该光轴不会高于天顶)。
摄像头2安装在飞行器A上，使得摄像头2的光轴可以定向为朝向地面或朝向天空，而不受装置所安装的壁的阻碍，或者更一般地不受到飞行器A的机体的阻碍。摄像头例如安装在飞行器A的底壁P的前边缘上(如图1所示)，或安装在该底壁P的侧边缘上。
实际上，当摄像头2固定到壳体10上时，定位装置1作为整体可相对于飞行器的壁旋转地移动并且能够采用这样的仰角。
摄像头2包括设有标线的透镜。标线穿过摄像头2的光轴O。
摄像头2的瞬间视场(IFOV)小于或等于0.1毫弧度。IFOV是与摄像头2获取的图像的像素相关联的视场。这种摄像头2适合于对非常大距离处的目标进行定位。
此外，摄像头2对可见和/或红外范围内的波长敏感，例如在1至2微米范围内的SWIR(短波长红外)波段中的红外长度。
例如，摄像头2能够被配置为采用几种采集模式，每种采集模式使得摄像头2对该采集模式特有的波长敏感。例如，摄像头2不仅能够被配置为采用其中对红外范围内的波长敏感的红外采集模式，而且还能够被配置为采用其他采集模式(可见光、UV等)。
此外，惯性单元4是本身已知的装置，包括多个惯性传感器，通常是加速度计和速率陀螺仪。
惯性单元4被配置为计算摄像头2的位置和定向数据。
恒星校正模块6为现有技术中已知的，例如从文献EP3073223A1中已知。
定位模块8被配置为估计目标T的位置，这也是现有技术中已知的。
定位模块8包括测距仪。测距仪被配置为估计摄像头2与摄像头2所观测到的目标T之间的距离。
测距仪可以是主动式测距仪，例如本身已知的激光测距仪。
可替代地，测距仪是被动型的。它基于目标T所在的位置的数值模型来计算摄像头2和目标T之间的距离。
该装置还包括不确定度估计模块14，该不确定度估计模块被配置为估计误差的不确定度，该误差可能影响由定位模块8所估计的目标位置T的准确度。
校正模块、定位模块和估计模块可以是单独的物理装置、相同的物理装置、由装置的一个或多个处理器执行的不同计算机程序、或者由装置的一个或多个处理器执行的同一计算机程序的不同部分。
该装置还包括用于使装置相对于载体旋转的电机16。该装置，特别是电机16，由载体提供电能。
该装置还包括与操作员站通信的接口。
在无人机以外的飞行器A的情况下，操作员站可以是飞行器A的站，通信接口例如是有线通信接口或无线无线电通信接口。
操作员站可以交替地在地面站中或者在载有装置的载体之外的载体中。在这种情况下，通信接口是无线电通信接口。
该装置通常形成除了受飞行器A供电外相对于飞行器A自主操作的陀螺稳定球(BGS)。
在其他实施例中，模块6、8、14可以在飞行器内偏移。
没有恒星校正的目标定位方法
假设飞行器A在飞行中。目标T位于地面上。
参考图4，根据第一定向，摄像头2朝向目标T(步骤100)。
要定位目标T，装置将执行以下步骤。
惯性单元4计算摄像头2的位置和/或定向数据(步骤102)。
摄像头获取目标T的至少一个图像(步骤104)。
(激光-主动或被动)测距仪估计摄像头2看到的目标T与摄像头2之间的距离。
定位模块8通过将测距仪估计的距离与摄像头2的定向和位置数据以及所获取的图像相组合来估计目标T的位置(步骤118)。
可选地，在定位模块8实现的估计中还考虑摄像头2的光轴与穿过摄像头2的点和目标T的点的轴之间的角度偏差。根据在步骤104中由摄像头2在第一定向中获取的图像中在通过光轴的摄像头2的标线和目标T的像素之间的像素偏差来计算角度偏差。当标线重叠在所获取的图像中的目标T上时，该偏差为零。例如，可以考虑对摄像头2进行定向，以便获得这种叠加，这使得可以不考虑由定位模块8实现的估计中的这种偏差。
因此，定位模块8可以使用以下类型的公式来进行这种估计：
P目标＝f1(E)+f2(θ)+f3(D)
其中
P目标是定位模块8所估计的目标T的位置，该位置以与地球相关的坐标系来表示，
E是由惯性单元4所估计的航态，其包括由惯性单元4所提供的摄像头2的至少一个位置数据PBGS和至少一个定向数据OrientationBGS，例如，这些数据在以装置为中心的地理坐标系中表示，并且包括指向地球北部的轴、指向东部的轴以及第三轴，这三个轴形成正交坐标系，
θ是摄像头2的光轴与穿过摄像头2的点和目标点T的轴之间的角度偏差。该角度偏差根据摄像头2在第一定向中获取的图像中的在摄像头2的标线和目标T的像素之间(可选地，如上所述)的像素偏差来变化，
D是测距仪所测量的距离，
函数fi是预定函数。
具有恒星校正的目标定位方法
如在引言中所指出的，惯性单元4在步骤102中产生的数据可能受到误差的影响，特别是漂移误差。
对装置提供的位置准确度特别有害的误差是由惯性单元4所计算的摄像头2的航向所影响的误差。参考图3，航向是在以下两个轴之间形成的角度C：
摄像头2投影在与地面平行的水平面上(图3的平面，显示了从上方观测的飞行器和目标)的轴O，以及
指向该水平面中所包括的北部的轴N(已知图3中表示的轴E是指向东部的轴)。
因此，当目标T位于距飞行器A很远的距离的位置时，即使非常小的航向误差也会对装置所产生的最终定位误差造成非常大的影响。
当摄像头2采用第一定向(朝向目标T)时，估计模块估计惯性单元4所造成的航向误差的不确定度(步骤106)。估计模块本身可以是惯性单元4，然后，除了摄像头2的位置和定向数据之外，惯性单元4还直接提供关于航向误差的不确定度数据。
当航向误差的不确定度超过预定阈值时，估计模块控制摄像头2朝向适于的第二定向进行位移，使得预定的恒星S在摄像头2的视线范围内(步骤108)。
优选地，第一阈值小于或等于0.3毫弧度，例如0.1毫弧度。
第二定向由估计模块根据惯性单元4所提供的定向数据和预定恒星S的定位信息确定。
在第二定向，摄像头2获取显示恒星S的至少一个图像(步骤110)。
由于影响惯性单元4的定向数据的误差，在摄像头2在第二定向上所获取的图像中的在显示摄像头2的标线的像素与显示恒星S的像素之间存在一定的像素偏差。因此，该偏差表示惯性单元4的定位和定向误差。
校正模块6基于摄像头2的位置和/或定向数据实现现有技术中已知的恒星校正，以便产生校正的位置和/或定向数据(步骤114)。
定位模块8使用校正的数据而不是惯性单元4所提供的误差影响数据来在上述步骤118中估计目标T的位置。
优选地，摄像头2被配置为采用红外采集模式以获取显示恒星S的图像。该红外采集模式是能够获得恒星S的最敏感图像并因此提高恒星校正的校正能力的模式，特别是通过减少未观测到目标T的时间段。
当摄像头2位于第二定向时，对于恒星重复图像采集步骤110和114，并且在步骤108中在将摄像头重新定向为朝向另一个恒星之后，可以针对至少一个其他恒星进一步实施图像采集步骤。
不确定度估计步骤106也随时间重复，例如以规则的间隔重复，即使在摄像头朝向恒星时也是如此。
当估计模块14检测到航向误差低于第二预定阈值时，估计模块控制摄像头2朝向第一定向进行位移(在离开第一定向时对第一定向进行预先存储)(步骤116)。
第二阈值小于或等于第一阈值。
如果在检测到超过第一阈值时将摄像头2配置为采用与红外获取模式不同的获取模式，则将摄像头2重新配置为采用原始获取模式以观测目标T.
可以使用其他标准来从摄像头2的一个定向切换到另一定向。
例如，摄像头2可以被配置为响应于通信接口接收的由操作员站所发出的命令而从第一定向和第二定向中的一个定向切换到另一个定向(步骤108，116)。例如，可能确实迫切需要将朝向目标T的摄像头2重新定向，以便在不确定度尚未低于第二阈值时观测目标T，尽管事实上这些条件还不是计算该目标T的准确位置的最佳条件。
在通信接口接收到从第一定向到第二定向的重定向命令的特定情况下，摄像头可以以延迟的方式执行该命令。在某些情况下，例如当飞行器在背后或当天空不在摄像头的可能的定向区域时，如果立即将摄像头重新定向到第二位置，则摄像头将无法看到恒星。因此，不仅目标不再处于摄像头的视线范围内，而且恒星校正也可能无法正常工作。
因此，有利地，摄像头被配置为在接收到命令之后等待移动载体具有相对于恒星的如下定向：该定向使得摄像头在从第一定向切换到第二定向之前能够观测到第二定向下的恒星。例如，摄像头可以包括用于检测飞行器相对于地面或天空的定向的装置，或者摄像头通过其通信接口接收如下信息：该信息使得摄像头从移动载体级别的可用信息中能够获取用于管理这种等待的上述定向。
另一方面，除了航向误差的不确定度之外的不确定度可以用作触发从一个定向切换到另一个定向的标准。
例如，为此目的，可以提供目标T的位置的不确定度，除了目标T本身的位置估计之外，由定位模块8计算该不确定度。在这种情况下，第一阈值优选地选择小于或等于10米。
这种以协方差形式CovPOS_目标表示的位置误差不确定度通常由估计模块14通过如下方式计算：
其中：
·CovINS：由惯性单元估计的航态E的协方差(该航态包括在步骤102中估计的位置和定向数据)
·Coverr_摄像头：摄像头2坐标系中关注点的指定测量噪声的协方差，
·Coverr_测距仪：摄像头2与目标之间的距离D(通常使用激光测距仪)的指定测量噪声的协方差。
这个等式是一个简单的总和，因为误差是独立的。
有利地，定位装置1在飞行器A类型的载体中(特别是无人机)实现，这种类型的载体通常用于定位在非常远的距离处的目标。但是，该装置可以安装在其他类型的载体上，例如陆地车辆、船舶等。

Claims (13)

1.一种用于定位目标(T)的装置(1)，所述装置用于安装在移动载体(A)上，所述装置包括：
能够相对于载体(A)定向在如下定向中的摄像头(2)：
朝向所述目标的第一定向，在所述第一定向中，所述摄像头能够获取所述目标(T)的图像，以及
朝向至少一个预定恒星的第二定向，在所述第二定向中，所述摄像头能够获取所述恒星的至少一个图像；
惯性单元(4)，被配置为计算所述摄像头(2)的位置和定向数据；
恒星校正模块(6)，被配置为基于所述恒星的所述图像对所述惯性单元(4)所计算的所述数据进行恒星校正，以产生校正的位置和定向数据；
定位模块(8)，被配置为根据所述目标(T)的所述图像和所述校正的位置和定向数据来估计所述目标(T)的位置；
其特征在于，所述装置包括与操作员站通信的接口，并且在于所述摄像头(2)还被配置为响应于所述通信接口所接收到的所述操作员站发出的命令而从所述第一定向和所述第二定向中的一个定向切换到另一个定向。
2.根据前一权利要求所述的装置(1)，其中，所述摄像头被配置为在接收到所述命令之后，等待所述移动载体相对于所述恒星具有如下定向：所述定向使得所述摄像头在从所述第一定向切换到所述第二定向之前能够观测到所述第二定向下的所述恒星。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，包括不确定度估计模块(14)，所述不确定度估计模块被配置为估计影响所述定位模块(8)所估计的所述位置的准确度的误差的不确定度，并且其中，所述摄像头(2)被配置为当所述不确定度超过第一预定阈值时从所述第一定向切换到所述第二定向。
4.根据前一权利要求所述的装置(1)，其中，所述不确定度是影响所述定位模块(8)所估计的所述目标(T)的所述位置的位置误差的不确定度。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的装置(1)，其中，所述不确定度是影响所述惯性单元(4)所计算的航向数据的所述摄像头(2)的航向误差的不确定度。
6.根据前一权利要求所述的装置(1)，其中，所述第一阈值小于或等于0.3毫弧度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，包括不确定度估计模块(14)，所述不确定度估计模块被配置为估计影响所述定位模块(8)所估计的所述位置的准确度的误差的不确定度，并且其中，所述摄像头(2)被配置为当所述不确定度超过第二预定阈值时从所述第二定向切换到所述第一定向。
8.根据权利要求3和权利要求7所述的装置(1)，其中，所述第二预定阈值小于或等于所述第一预定阈值。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其中，所述摄像头(2)被配置为在红外采集模式下获取所述预定恒星的所述图像，在所述红外采集模式中，所述摄像头(2)对红外波长敏感。
10.一种飞行器(A)，例如无人机，所述飞行器包括根据前述权利要求中任一项所述的用于定位目标(T)的装置(1)。
11.一种定位目标(T)的方法，包括：
将安装在移动载体(A)上的移动摄像头(2)定向(100)在第一定向中，在所述第一定向中，所述目标(T)在所述摄像头(2)的视线范围内；
通过惯性单元(4)计算(102)所述摄像头(2)的位置和定向数据；
通过所述摄像头(2)获取(104)所述目标(T)的至少一个图像；
将所述摄像头(2)相对于所述载体(A)定向(108)在第二定向中，在所述第二定向中，预定的恒星在所述摄像头(2)的视线范围内；
通过所述摄像头(2)获取(110)所述恒星的至少一个图像；
根据所述恒星的所述图像对所述惯性单元(4)所计算的所述数据进行恒星校正(114)，以产生校正的位置和定向数据；
根据所述目标(T)的所述图像和所述校正的位置和定向数据来估计(118)所述目标(T)的位置；
其特征在于，所述摄像头(2)响应于接收到的操作员站发出的命令而从所述第一定向和所述第二定方向中的一个定向切换到另一个定向。
12.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述摄像头在接收到所述命令之后，等待所述移动载体相对于所述恒星具有如下定向：所述定向使得所述摄像头能够在从所述第一定向切换到所述第二定向之前观测到所述第二定向下的所述恒星。
13.根据权利要求11和12中任一项所述的方法，其中，所述载体(A)是飞行器，例如无人机。
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