CN110362120A - 一种二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法。该方法根据宽幅成图区间范围要求，在实时飞行状态下，根据飞行速度姿态解算，实时合成二维扫描稳定平台外横滚框和内俯仰框的扫描指令角度，利用合成的指令，以横滚编码器、俯仰编码器为反馈，控制二维扫描平台转动，可完成指定角度范围的宽幅摆扫。本发明具有指令解算简单、精度高，适用于航空宽幅成像二维扫描稳定平台。

Description

一种二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法

技术领域

本发明涉及一种面阵宽幅成像二维扫描稳定平台扫描控制方法。

背景技术

目前，国内宽幅成像多采用镜头拼接技术，利用面阵摆扫实现宽幅成图的技术较少。现有的面阵宽幅摆扫稳定平台，生成的是欧拉速度扫描指令，无法直接与测量反馈元件比较完成控制，需要经过复杂的转换，且不利于扫描条带间的对齐，不利于后期图像处理及三维成图。

发明内容

本发明提出了一种二维扫描宽幅成像平台新的扫描控制方法，解决了现有技术控制算法复杂、不利于后期图像处理及三维成图等问题。

本发明的原理是：

1、参见图3，对于成像条带上的任意位置点A，取当地水平扫描系M(L)为基准，均可以通过两次欧拉角转动实现：旋转分两步进行，将任意点A向当地M系(L系)俯仰轴所在铅锤面与地平面交线OX上投影得到A2点，先沿M系横滚轴旋转横滚角到A2点，再沿着当前俯仰轴旋转俯仰角θ_Los由A2到A点，完成旋转。由此可得当地M系(L系)与期望LOS的关系。

2、结合M系(L系)与基座B系的关系，可以得到LOS在B系的坐标，进而求得指令角度。

3、扫描指令由两部分决定：一方面由扫描幅宽及扫描周期决定，另一方面受飞行载体与目标条带的相对运动影响。其中飞行载体与目标的相对运动包括两部分，飞行器的飞行运动及目标条带的运动(地球自转)；

其中飞行运动分量为：

根据扫描周期选择是否考虑地球自转的影响：如果扫描周期短，地球自转运动在扫描周期内影响较小，通常可忽略，如案例一；如果扫描周期较长，地球自转运动在扫描周期内影响不可忽略，如案例二。根据当前宽幅成图区间范围α、扫描周期T要求，将飞行载体与目标条带的相对运动加以修正，得到扫描周期内各个时刻期望视轴LOS相对当地水平扫描系的横滚、俯仰欧拉角：

或

基于此，本发明的技术解决方案如下：

该二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法，所述二维扫描宽幅成像平台包括外横滚框和内俯仰框，光电载荷搭载内俯仰框上；外横滚框由横滚电机驱动，并配置有横滚编码器；内俯仰框由俯仰电机驱动，并配置有俯仰编码器；该控制方法包括：在实时飞行状态下，根据当前宽幅成图区间范围α、扫描周期T要求，测量当前飞行速度及姿态，取当地水平扫描坐标系为基准，得到扫描周期内各时刻期望视轴LOS与当地水平扫描坐标系的关系，再结合当地水平扫描坐标系与二维扫描宽幅成像平台基座坐标系的关系，得到期望视轴LOS在二维扫描宽幅成像平台基座坐标系中的坐标，进而求得二维扫描稳定平台的外横滚框指令角度θ_o和内俯仰框指令角度θ_i，并以横滚编码器、俯仰编码器的信号为反馈构成位置回路，位置回路输出为速度指令；安装于内框架的两轴陀螺反馈速度信号构成速度回路，控制横滚电机和俯仰电机转动，实现指定角度范围的宽幅摆扫。

本发明具有以下优点：

扫描指令解算简单、精度高，合成的角度指令可直接与反馈元件比较实现闭环控制。

以当地水平扫描坐标系为基准，不要求扫描过程中载机的航向与扫描条带垂直；扫描条带整齐，不会因扫描过程中载机航向变化造成条带偏转。

附图说明：

图1为本发明实施例一的示意图。

图2为本发明实施例二的示意图。

图3为成图条带上任意位置LOS两步旋转运动分解。

图4为扫描稳定平台控制原理框图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例作进一步详述。

实施例一，参见图1：

1)设宽幅扫描成图角度-50°～+10°，每个扫描条带周期为3s，可以算得扫描角速率为

2)当地水平扫描坐标系M与扫描条带垂直，取当地水平扫描坐标系M偏航角为初始偏航角；

3)第一个扫描条带开始，t＝0，横滚欧拉角初值俯仰欧拉角初值θ_Los＝0°，ω_FOV取为+20°/s；

4)取采样时间Δt_s＝100ms，每100ms同步采集安装在二维扫描稳定平台基座上的POS系统输出的数据，包括偏航角俯仰角θ、横滚角北东地速度向量以及俯仰内框内激光测距机所测量数据R_LOS；

5)根据初始偏航角计算得到地理坐标系N到当地水平扫描坐标系M的变换矩阵

6)根据采集数据计算当前时刻当地水平扫描系M中相对于基座B系的变换矩阵

7)根据采集数据计算当前时刻飞行速度在当地水平扫描系M中的速度分量

8)将采样时间内增量与上一时刻结果相加，得到当前采样时刻的期望视轴LOS相对当地水平扫描系的欧拉角

9)由期望视轴(LOS)相对当地水平扫描坐标系M的横滚俯仰欧拉角θ_Los，得到LOS相对于M系的姿态变换矩阵

10)由步骤6得到的矩阵和步骤9得到的矩阵可以算得LOS在基座系的坐标

11)进而得到当前时刻外横滚框指令角度θ_o、内俯仰框指令角度θ_i；

12)由步骤11得到控制指令，横滚框编码器、俯仰编码器为实时反馈，比较控制二维扫描平台转动；

13)从0时刻到扫描周期3秒，重复步骤3-12，完成一个扫描条带扫描指令的合成以及反馈调节。

完成第一个条带扫描后，第二个扫描条带开始，t＝0，横滚欧拉角初值俯仰欧拉角初值θ_Los＝0°，ω_FOV取为-20°/s，从0时刻到扫描周期3秒，按照步骤3-13，完成第二个扫描条带扫描指令的合成以及反馈调节。

周期性重复步骤完成多个扫描条带扫描指令的合成以及反馈调节。

实施例二，参见图2：

1)设宽幅扫描成图角度-50°～+10°，每个扫描条带周期为3s，可以算得扫描角速率为

2)第一个扫描条带开始，t＝0，横滚欧拉角初值俯仰欧拉角初值θ_Los＝0°，ω_FOV取为+20°/s。

3)取采样时间Δt_s＝100ms，每100ms同步采集安装在二维扫描稳定平台基座上的POS系统输出的位置和姿态数据，包括偏航角俯仰角θ、横滚角北东地速度向量经度log、纬度lat、高度h，以及俯仰内框内激光测距机所测量数据R_LOS。

4)根据初始偏航角计算得到地理坐标系N到当地水平坐标系L的变换矩阵

5)根据采集数据计算当前时刻当地水平系L中相对于基座B系的变换矩阵

6)根据采集数据计算当前时刻地球坐标系E到地理坐标系N变换矩阵

7)根据采集数据计算当前时刻飞行速度在当地水平系L中的速度分量。

8)根据采集数据计算当前时刻地球自转速度在当地水平系L中的速度分量。

9)将采样时间内增量与上一时刻结果相加，得到当前采样时刻的期望视轴LOS相对当地水平系的欧拉角。

10)由期望视轴(LOS)相对当地水平坐标系L的横滚俯仰欧拉角θ_Los，得到LOS相对于当地L系的姿态变换矩阵

11)由步骤5、10可以算得LOS在基座系的坐标

12)由步骤11可以得到当前时刻外横滚框指令角度θ_o、内俯仰框指令角度θ_i。

13)由步骤12得到控制指令，横滚框编码器、俯仰编码器为实时反馈，比较控制二维扫描平台转动。

14)从0时刻到扫描周期3秒，重复步骤2-13，完成第一个扫描条带扫描指令的合成以及反馈调节。

完成第一个条带扫描后，第二个扫描条带开始，t＝0，横滚欧拉角初值俯仰欧拉角初值θ_Los＝0°，ω_FOV取为-20°/s，从0时刻到扫描周期3秒，重复步骤2-14，完成第二个扫描条带扫描指令的合成以及反馈调节。

周期性重复完成多个扫描条带扫描指令的合成以及反馈调节。

如图4所示，本发明根据宽幅成图幅宽要求，结合当前飞行速度及姿态解算，实时合成二维扫描稳定平台外横滚框和内俯仰框的扫描指令角度，以横滚编码器、俯仰编码器的信号为反馈构成位置回路，位置回路输出为速度指令；安装于内框架的两轴陀螺反馈速度信号构成速度回路，控制横滚电机(外框)和俯仰电机(内框)转动，实现指定角度范围的宽幅摆扫。

Claims (6)

1.一种二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法，所述二维扫描宽幅成像平台包括外横滚框和内俯仰框，光电载荷搭载内俯仰框上；外横滚框由横滚电机驱动，并配置有横滚编码器；内俯仰框由俯仰电机驱动，并配置有俯仰编码器；其特征在于：该控制方法包括：

在实时飞行状态下，根据当前宽幅成图区间范围α、扫描周期T要求，测量当前飞行速度及姿态；

取当地水平扫描坐标系为基准，得到扫描周期内各时刻期望视轴LOS与当地水平扫描坐标系的关系；

再结合当地水平扫描坐标系与二维扫描宽幅成像平台基座坐标系的关系，得到期望视轴LOS在二维扫描宽幅成像平台基座坐标系中的坐标；

进而求得二维扫描稳定平台的外横滚框指令角度θ_O和内俯仰框指令角度θ_i，并以横滚编码器、俯仰编码器的信号为反馈构成位置回路，位置回路输出为速度指令；

安装于内框架的两轴陀螺反馈速度信号构成速度回路，控制横滚电机和俯仰电机转动，实现指定角度范围的宽幅摆扫。

2.根据权利要求1所述的二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法，其特征在于：解算外横滚框指令角度θ_o和内俯仰框指令角度θ_i的具体步骤如下：

1)测量当前飞行速度及姿态，其中飞行速度的向量记为即载机相对于地理坐标系的运动，姿态包括偏航角俯仰角θ、横滚角

2)当地水平扫描坐标系M与扫描条带垂直，取当地水平扫描坐标系M偏航角为初始偏航角，得到地理坐标系N到当地水平扫描坐标系M的变换矩阵：

3)得到当地水平扫描坐标系M相对于二维扫描宽幅成像平台基座坐标系B的姿态变换矩阵

4)得到当前飞行速度在当地水平扫描坐标系M中的速度分量：

5)根据当前宽幅成图区间范围α、扫描周期T要求，得到扫描周期内各时刻期望视轴LOS相对当地水平扫描坐标系M的横滚、俯仰欧拉角：

式中，R_LOS为光轴到目标的距离；

6)由期望视轴LOS相对当地水平扫描坐标系M的横滚欧拉角俯仰欧拉角θ_LOS，得到期望视轴LOS相对于当地水平扫描坐标系M的姿态转换矩阵

7)计算期望LOS在二维扫描宽幅成像平台基座坐标系B的坐标

8)最终得到外横滚框指令角度θ_o、内俯仰框指令角度θ_i：

3.根据权利要求1所述的二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法，其特征在于：解算外横滚框指令角度θ_o和内俯仰框指令角度θ_i的具体步骤如下：

1)测量当前飞行速度及姿态和平台基座位置；其中，飞行速度的向量记为即载机相对于地理坐标系的运动，姿态包括偏航角俯仰角θ、横滚角平台基座位置包括经度log、纬度lat、高度h；

2)当地水平扫描坐标系L与扫描条带垂直，取当地水平扫描坐标系L偏航角为初始偏航角，得到地理坐标系N到当地水平扫描坐标系L的变换矩阵：

3)得到当地水平扫描坐标系L相对于二维扫描宽幅成像平台基座坐标系B的姿态变换矩阵

4)得到地球坐标系E到地理坐标系N的变换矩阵：

5)得到当前飞行速度在当地水平扫描坐标系L中的速度分量：

6)得到地球自转速度在当地水平扫描坐标系L中的速度分量：

7)根据当前宽幅成图区间范围α、扫描周期T要求，得到扫描周期内当前时刻期望视轴LOS相对当地水平扫描坐标系L的横滚、俯仰欧拉角：

式中，R_LOS为光轴到目标的距离；

8)期望视轴LOS相对当地水平扫描坐标系L的横滚欧拉角俯仰欧拉角θ_LOS，得到期望视轴LOS相对于当地水平扫描坐标系L的姿态转换矩阵

9)计算期望LOS在二维扫描宽幅成像平台基座坐标系B的坐标：

10)最终得到外横滚框指令角度θ_o、内俯仰框指令角度θ_i：

4.根据权利要求2或3所述的二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法，其特征在于：步骤1)的测量信息均通过安装在二维扫描宽幅成像平台基座上的POS系统获得。

5.根据权利要求2或3所述的二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法，其特征在于：所述光轴到目标的距离R_LOS由安装于内俯仰框的激光测距机测得。

6.根据权利要求2或3所述的二维扫描宽幅成像平台扫描控制方法，其特征在于：所述地理坐标系N采用北东地系。