CN111470055A - 光电导航吊舱及光电导航系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电导航吊舱及光电导航系统，所述光电导航吊舱包括：红外热像仪，用于对导引目标进行捕获跟踪，将导引目标的视频信息发送给控制单元；激光测距机，用于实时测量与所述引导目标的距离，将导引目标连续测距信息发送给控制单元；控制单元，用于接收地面显控单元的控制指令，根据所述控制指令控制光电导航吊舱的转动，控制光电导航吊舱的稳定性，接收所述导引目标的视频信息，根据所述导引目标连续测距信息和移动载体自身测角装置发送的角度信息，计算出引导目标的导航信息，并通过数据链将所述导航信息传递给所述引导目标，以使引导目标根据所述导航信息调整飞行状态完成定点回收。
Description
技术领域
本发明涉及导航技术领域，尤其是涉及一种。光电导航吊舱及光电导航系统
背景技术
目前无人机的定位系统均采用卫星导航与惯性导航的方式，但是，上述两种定位方式受限于飞机的使用环境，必须在无遮挡并且L波段没有电磁干扰的环境下使用。此外，在战时状态或电磁环境复杂的情况下卫星导航处于非工作状态，惯性导航精度也会随着时间增长呈现大幅下降。因此，无人机在没有导航卫星信号下如何进行定点回收是亟须解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电导航吊舱及光电导航系统，能够对没有导航卫星信号的无人机进行定点回收；
本发明提供一种光电导航吊舱，安装于移动载体上，包括：
红外热像仪，设置于吊舱本体内，与控制单元连接，用于对导引目标进行捕获跟踪，将导引目标的视频信息发送给控制单元；
激光测距机，设置于吊舱本体内，与所述控制单元连接，用于实时测量与所述引导目标的距离，将导引目标连续测距信息发送给控制单元；
控制单元，设置于吊舱本体内，与所述红外热像仪和所述激光测距机连接，用于接收地面显控单元的控制指令，根据所述控制指令控制光电导航吊舱的转动，控制光电导航吊舱的稳定性，接收所述导引目标的视频信息，根据所述导引目标连续测距信息和移动载体自身测角装置发送的角度信息，计算出引导目标的导航信息，并通过数据链将所述导航信息传递给所述引导目标，以使引导目标根据所述导航信息调整飞行状态完成定点回收。
本发明提供一种光电导航系统，包括上述光电导航吊舱，还包括：地面显控单元；所述地面显控单元，用于向所述光电导航吊舱发送控制指令，对所述光电导航吊舱进行控制；并根据接收到的导引目标的视频信息向用户显示导引目标视频。
采用本发明实施例，在不受电磁干扰、卫星遮挡及战时状态等环境的影响下，对引导目标进行导航，从而进行定点回收。适合多种无人侦察机目标监控、回收引导等任务需求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的光电导航吊舱的示意图；
图2是本发明实施例的陀螺控制原理示意图；
图3是本发明实施例的光电导航系统的示意图；
图4是本发明实施例的光电导航吊舱系统原理框图。
具体实施方式
为了提高无人机的战略使用意义，通过本发明实施例的光电导引吊舱，完成对无人机的定位回收。光电导引吊舱配置红外热像仪、可见光相机和高精度激光测距机，具有作用距离远、跟踪精度高、两轴四框陀螺稳定等特点，操作简单，适合多种无人侦察机目标监控、回收引导等任务需求。
红外热像仪或可见光相机对无人机或其它目标进行捕获跟踪，通过高精度测距仪实时测量被测目标的距离，通过设备自身高精度测角装置结合算法推算出目标的偏航距、距离、偏航脚等信息，通过数据链传递给被测目标，被测目标收到信息后调整飞行状态达到定点高精度回收的目的。该种回收方式不受电磁干扰、卫星遮挡及战时状态等环境的影响。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
装置实施例
根据本发明的实施例，提供了一种光电导航吊舱，安装于移动载体上，该移动载体可以是飞行器等，图1是本发明实施例的光电导航吊舱的示意图，如图1所示，根据本发明实施例的光电导航吊舱具体包括：
红外热像仪10，设置于吊舱本体内，与控制单元14连接，用于对导引目标进行捕获跟踪，将导引目标的视频信息发送给控制单元14；该红外热像仪10在有可见光的白天或者夜晚都可以对引导目标进行捕获跟踪。在本发明实施实施例中，引导目标为无人机。
上述吊舱本体通过连接螺钉与减震支架对接，其中，减震支架通过螺钉与移动载体固定连接；吊舱本体具体包括稳定平台和陀螺组件，稳定平台具体包括：俯仰框和方位框，俯仰框支撑在方位框上，俯仰框上装有光学窗口及俯仰轴系，方位框上装有带导电滑环的方位轴系；陀螺组件用于带动俯仰框和方位框进行角运动，并感应稳定平台的偏转，向控制单元14输出偏转角度电信号，其中，俯仰框和方位框均采用力矩电机直接驱动方式进行驱动，俯仰框和方位框上设置有电位计和编码器作为角位置传感器。
激光测距机12，设置于吊舱本体内，与控制单元14连接，用于实时测量与引导目标的距离，将导引目标连续测距信息发送给控制单元14；
在本发明实施例中，激光测距机12采用激光测距机12与激光器壳体一体化设计，激光测距机12内部各电路板之间采用柔性电缆或对插方式连接，采用半导体制冷器制冷和自主风冷散热相结合，主框架采用积木式结构，采用强电弱电分仓设计。
控制单元14，设置于吊舱本体内，与红外热像仪10和激光测距机12连接，用于接收地面显控单元的控制指令，根据控制指令控制光电导航吊舱的转动，控制光电导航吊舱的稳定性，接收导引目标的视频信息，根据导引目标连续测距信息和移动载体自身测角装置发送的角度信息，计算出引导目标的导航信息，并通过数据链将导航信息传递给引导目标，以使引导目标根据导航信息调整飞行状态完成定点回收。
具体地，上述控制单元14根据偏转角度电信号，经过算法解算，输出控制信号驱动力矩电机带动俯仰框和方位框转动，并控制陀螺组件带动俯仰框和方位框进行角运动，稳定平台运动以消除扰动干扰偏转。
此外，控制单元14还将导引目标的视频信息存储或者发送到地面显控单元进行显示；接收地面显控单元的归零控制指令，进入归零状态，吊舱本体锁定到零位，瞄准线指向机轴正前方。
并且，控制单元14还可以带动俯仰框转动，在起飞和降落的过程中转到保护部位，保护光学窗口。
在本发明实施例中，光电导航吊舱进一步包括：
可见光相机，设置于吊舱内，与控制单元14连接，用于在有可见光时对导引目标进行捕获跟踪，将导引目标的视频信息发送给控制单元14。该可见光相机只能用于有可见光的时期，但是，相对于红外热像仪10，其具有视频直观的优点，更利于观察。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例的技术方案结合光电图像和激光测距，解算空中目标定位，光电导引吊舱配置红外热像仪10和高精度激光测距机12，具有作用距离远、跟踪精度高、两轴四框陀螺稳定等特点，操作简单，适合多种无人侦察机中近距离目标监控、回收引导等任务需求，彻底解决了在卫星(包含北斗、GPS等)定位系统失灵的情况下的无人机精确回收问题。
以下对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。
红外热像仪10景物图像经过光电转换和处理，转化为标清视频信号，标清视频信号供给地面控制站显示。高频和低频激光测距机12在光电导航吊舱锁定并稳定跟踪上目标后，根据当前工作距离自动切换，提供目标连续测距信息。
系统图像稳定的过程就是控制单元14控制稳定平台隔离载机扰动的过程，载机的扰动将给稳定平台施加一个干扰力矩，会使稳定平台发生偏转，安装在稳定平台上的陀螺组件敏感到这个偏转运动，输出一个偏转角度电信号，控制单元14采集到陀螺偏差信号，经过算法解算，输出控制信号给驱动系统，由驱动系统驱动电机运动以消除偏转，从而抑制了载机扰动对瞄准线的干扰，使可见光传感器处于稳定状态。
光电导航吊舱的操作控制通过地面显控单元指令完成，通过RS422总线传送到数据链，再通过数据链发送给控制单元14，完成吊舱本体在方位和俯仰方向上的转动控制、视场切换、调焦、工作模式(手动、归零、锁定、收藏)控制、灵敏度高低、漂移补偿等控制功能。
在本发明实施例中，吊舱本体安装在移动载体外部，吊舱本体减震器上带有4个U型支架，通过U型支架上的8个φ7安装孔与移动载体转接板固联，安装非常简单方便。
光电导航吊舱统光机结构分系统是红外热像仪10、激光测距机12、控制单元14等分系统的硬件平台，它要在规定的空间内，充分考虑抗振动、冲击、电磁干扰、散热等特定机载环境要求，完成系统内所有光电传感器、机电元器件、电路板等的布置安装，确保系统的探测范围。
因此，光电导航吊舱系统光机结构分系统主要功能包括：
实现光电传感器安装、视场范围和安装精度保证；满足电机元件、功放、电位记、编码器、滑环、电路板等的安装、运动范围、精度保证；满足可更换部件的维修性要求；满足载机对系统重量、外形尺寸和机械接口要求；满足系统对机载环境适应性和飞行要求。
吊舱本体的结构布局采用两轴两框架的构型，整体为球形，使系统具有更好的气动外形。俯仰框装有光窗及俯仰轴系等，俯仰框支撑在方位框上，方位轴系安装导电滑环，以保证360°的连续回转。
2个框架的轴系安装有直流电机、编码器、电位计、轴承等机电元器件以支撑框架并实现框架的转动；整个吊舱本体通过4个连接螺钉与减震支架对接。减震支架通过4个螺钉与外部固连。
控制单元14主要完成对光电导航吊舱系统的控制，实现光电导航吊舱机载光电系统的稳定控制、搜索等功能。控制单元14主要执行如下处理：
搜索功能：控制单元14接收地面显控单元的控制指令，控制各个框架转动，完成对目标的搜索；
光窗保护功能：带动俯仰框架转动，在起飞和降落的过程中转到保护部位，保护光学窗口；
归零功能：控制单元14接收地面显控单元的归零控制指令，控制单元14进入归零状态，吊舱本体框架锁定到零位，瞄准线指向机轴正前方；
对稳定平台进行稳定，隔离载机的运动以稳定瞄准线；
与地面显控单元及各传感器进行通讯。
光电导航吊舱系统对稳定、瞄准线视场的要求，最终需要框架组合运动来实现。在搜索、跟踪目标的过程中瞄准线俯仰角运动由陀螺带动俯仰框实现，瞄准线方位角运动由陀螺带动方位框实现。
陀螺稳定平台是控制系统的关键的组成部分，其性能的优劣直接决定了光电导航吊舱系统的性能。两框架均采用力矩电机直接驱动方式，由陀螺作为反馈元件敏感框架的角速度，电位计和编码器作为角位置传感器。，如4所示，通过方位、俯仰两轴陀螺稳定框架，实现稳定瞄准线在空间指向的稳定。
红外热像仪10是光电导航吊舱系统的主要分系统之一，将景物的可见光图像经过光电转换和处理，转化为网络视频信号和标清视频图像信号，根据控制命令，将目标画面以H264格式视频的方式存储，供后期分析处理。
红外热像仪10能够提供外界景物的视频图像；进行连续变倍；并且能够加载和消隐表示图像中心位置的十字线；其还具有2倍，4倍电子变倍功能、黑热/白热极性转换功能、将当前图像冻结的功能、镜像、倒像功能、制冷和制冷到温提示功能、以及非均匀性校正功能。
红外热像仪10根据640×512红外探测器的工作原理，首先进行高斯光学计算，设计初步的光学系统构型：通过前置的望远系统压缩系统的口径，以满足稳定平台回转的口径要求。为了有效的减轻系统重量，节省结构空间，并保证成像质量，光学系统采用径向视场切换构型,其中反射镜前端光学为望远系统，压缩光束口径满足光学口径要求，经反射镜反射后的光学透镜构成红外热像仪10光学的会聚系统。
高频/低频激光测距机12也是光电导航吊舱系统的重要要分系统之一，采用人眼安全激光工作波段，用于对目标的连续激光测距。
它的主要进行上电控制、连续激光测距、人眼安全激光测距、激光瞄准、上电/周期/启动自检测功能。在本发明实施例中，高频/低频激光测距机12可以组合使用。
此外，为满足激光测距机12高精度连续测距能力的要求，本发明实施例采用数字信号处理方法来提高最小探测能力。同时，在保证结构刚度和强度的要求下，为减小体积和重量，采取激光测距机12与激光器壳体一体化设计、激光测距机12内部各模块紧凑设计、各电路板之间采用柔性电缆或对插方式实现连接等措施。
基于上述描述，在满足战技指标、可靠性、使用性要求的条件下，激光测距机12采用半导体泵浦方式、主动调Q方式，提高产品寿命；采用TEC制冷和自主风冷散热相结合的方式，满足长时间工作要求；采用主框架积木式结构，满足刚度、强度、电磁屏蔽、尺寸及重量要求；采用强电弱电分仓设计，提高电磁兼容能力。
在本发明实施例中，光电导航吊舱的控制单元14使用C语言开发设计。采用软件工程方法，依照模块化、结构化设计技术，自顶向下设计。
控制单元14需要接收操控手柄控制信号，完成系统状态切换；与电视的422通讯，完成对电视的工作状态控制；完成整个系统任务组织的管理、调度；接口控制(总线接口，非总线接口)与转换；接收系统工作状态指令，完成控制单元14状态切换；完成控制单元14控制算法解算，实现稳定控制、自动扫描、随动、收藏、锁定功能。
综上所述，采用本发明实施例，在不受电磁干扰、卫星遮挡及战时状态等环境的影响下，对引导目标进行导航，从而进行定点回收。适合多种无人侦察机目标监控、回收引导等任务需求。
系统实施例
根据本发明的实施例，提供了一种光电导航系统，图3是本发明实施例的光电导航系统的示意图，如图3所示，根据本发明实施例的光电导航系统具体包括：上述装置实施例中所述的光电导航吊舱50，还包括：地面显控单元52；
地面显控单元52，用于向所述光电导航吊舱发送控制指令，对所述光电导航吊舱进行控制；并根据接收到的导引目标的视频信息向用户显示导引目标视频。具体地：地面显控单元52对所述光电导航吊舱进行转动控制、视场切换控制、调焦控制、工作模式控制、灵敏度控制、和/或漂移补偿控制，其中，所述工作模式具体包括：手动模式、归零模式、锁定模式以及收藏模式。
具体地，图4是本发明实施例的光电导航吊舱系统原理框图，如图4所示，本发明实施例的光电导航吊舱系统由光电导航吊舱、地面操控设备组成。光电导航吊舱已在上述实施例中进行了详细说明，在此不再赘述。
地面显控单元52主要完成对吊舱本体的控制及通讯。
此外，在本发明实施例中，光电导航吊舱系统软件一共设置2个软件配置项(CSCI)：具体为：控制单元配置项；地面显控单元42配置项。
综上所述，本发明实施例的光电导引吊舱配置红外热像仪和高精度激光测距机，具有作用距离远、跟踪精度高、两轴四框陀螺稳定等特点，操作简单，适合多种中小型无人侦察机中近距离目标监控、回收引导等任务需求。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种光电导航吊舱，安装于移动载体上，其特征在于，包括：
红外热像仪，设置于吊舱本体内，与控制单元连接，用于对导引目标进行捕获跟踪，将导引目标的视频信息发送给控制单元；
激光测距机，设置于吊舱本体内，与所述控制单元连接，用于实时测量与所述引导目标的距离，将导引目标连续测距信息发送给控制单元；
控制单元，设置于吊舱本体内，与所述红外热像仪和所述激光测距机连接，用于接收地面显控单元的控制指令，根据所述控制指令控制光电导航吊舱的转动，控制光电导航吊舱的稳定性，接收所述导引目标的视频信息，根据所述导引目标连续测距信息和移动载体自身测角装置发送的角度信息，计算出引导目标的导航信息，并通过数据链将所述导航信息传递给所述引导目标，以使引导目标根据所述导航信息调整飞行状态完成定点回收。
2.根据权利要求1所述的光电导航吊舱，其特征在于，所述光电导航吊舱进一步包括：
可见光相机，设置于吊舱内，与所述控制单元连接，用于在有可见光时对导引目标进行捕获跟踪，将导引目标的视频信息发送给控制单元。
3.根据权利要求1所述的光电导航吊舱，其特征在于，所述引导目标为无人机。
4.根据权利要求1所述的光电导航吊舱，其特征在于，所述吊舱本体通过连接螺钉与减震支架对接，其中，减震支架通过螺钉与移动载体固定连接；所述吊舱本体具体包括稳定平台和陀螺组件，所述稳定平台具体包括：俯仰框和方位框，俯仰框支撑在方位框上，俯仰框上装有光学窗口及俯仰轴系，方位框上装有带导电滑环的方位轴系；所述陀螺组件用于带动俯仰框和方位框进行角运动，并感应所述稳定平台的偏转，向控制单元输出偏转角度电信号，其中，俯仰框和方位框均采用力矩电机直接驱动方式进行驱动，俯仰框和方位框上设置有电位计和编码器作为角位置传感器。
5.根据权利要求4所述的光电导航吊舱，其特征在于，所述控制单元具体用于：
根据所述偏转角度电信号，经过算法解算，输出控制信号驱动力矩电机带动俯仰框和方位框转动，并控制陀螺组件带动俯仰框和方位框进行角运动，稳定平台运动以消除扰动干扰偏转。
6.根据权利要求1所述的光电导航吊舱，其特征在于，所述控制单元进一步用于：将所述导引目标的视频信息存储或者发送到地面显控单元进行显示；接收地面显控单元的归零控制指令，进入归零状态，吊舱本体锁定到零位，瞄准线指向机轴正前方。
7.根据权利要求4所述的光电导航吊舱，其特征在于，所述控制单元进一步用于：带动俯仰框转动，在起飞和降落的过程中转到保护部位，保护光学窗口。
8.根据权利要求1所述的光电导航吊舱，其特征在于，所述激光测距机采用激光测距机与激光器壳体一体化设计，激光测距机内部各电路板之间采用柔性电缆或对插方式连接，采用半导体制冷器制冷和自主风冷散热相结合，主框架采用积木式结构，采用强电弱电分仓设计。
9.一种光电导航系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述光电导航吊舱，还包括：地面显控单元；
所述地面显控单元，用于向所述光电导航吊舱发送控制指令，对所述光电导航吊舱进行控制；并根据接收到的导引目标的视频信息向用户显示导引目标视频。
10.根据权利要求9所述的光电导航系统，其特征在于，所述地面显控单元具体用于：对所述光电导航吊舱进行转动控制、视场切换控制、调焦控制、工作模式控制、灵敏度控制、和/或漂移补偿控制，其中，所述工作模式具体包括：手动模式、归零模式、锁定模式以及收藏模式。
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