CN111649743A - 一种基于光电转塔的目标角速度解算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于光电转塔的目标角速度解算方法及装置，方法包括：步骤1，计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角；步骤2，基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角；步骤3，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角，计算目标在东北天坐标系下的欧拉角速度；步骤4，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度；步骤5，将得到的目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度转换到光电转台坐标系，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。本发明在无目标距离信息时，也可以进行目标角速度的解算。
Description
技术领域
本发明涉及目标角速度解算，具体涉及一种基于光电转塔的目标角速度解算方法及装置。
背景技术
目前大部分相关系统需要利用目标距离解算目标的位置轨迹，再利用目标轨迹计算出相对于光电系统的目标角速度，但对于没有目标距离的光电系统，通常难以得到准确的目标轨迹，从而得不到目标角速度。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于光电转塔的目标角速度解算方法及装置，具体方案如下：
作为本发明的第一方面，提供一种基于光电转塔的目标角速度解算方法，所述方法包括：
步骤1，计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角；
步骤2，基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角；
步骤3，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角，计算目标在东北天坐标系下的欧拉角速度；
步骤4，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度；
步骤5，将得到的目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度转换到光电转台坐标系，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。
进一步地，步骤1具体包括：光电系统在检测到目标且稳定跟踪后，利用光电转台的角度值以及同时刻的图像脱靶量计算得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角。
进一步地，步骤2具体包括：
得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角后，需要利用四元素进行坐标转换，得到目标在基座坐标系下的欧拉角；
基于目标在基座坐标系下的欧拉角，利用基座姿态角度得到目标在东北天坐标系下的欧拉角。
进一步地，步骤3中，得到目标在东北天坐标系下的欧拉角后，利用卡尔曼算法计算得到目标在东北天坐标系下的欧拉角速度。
进一步地，步骤4具体包括：
得到目标在东北天坐标系下的欧拉角速度后，在东北天坐标系下，先绕偏航轴旋转偏航角Ψ，再绕俯仰轴旋转俯仰角θ，最后绕横滚轴旋转横滚角φ，让横滚轴指向目标，与光电光轴坐标系重合，从而得到目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度。
进一步地，步骤5具体包括：
得到目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度后，在光电光轴坐标系转下，使目标的俯仰角速度不变，使方位角速度进行俯仰角的负向旋转，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。
作为本发明的第二方面，提供一种基于光电转塔的目标角速度解算装置，所述装置包括第一欧拉角计算单元、第二欧拉角计算单元、第一欧拉角速度计算单元、第二欧拉角速度计算单元和坐标系转换单元；
所述第一欧拉角计算单元用于计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角；
所述第二欧拉角计算单元用于基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角；
所述第一欧拉角速度计算单元用于基于目标在东北天坐标系下的欧拉角，计算目标在东北天坐标系下的欧拉角速度；
所述第二欧拉角速度计算单元用于基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度；
所述坐标系转换单元用于将得到的目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度转换到光电转台坐标系，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。
进一步地，计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角具体为：光电系统在检测到目标且稳定跟踪后，利用光电转台的角度值以及同时刻的图像脱靶量计算得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角。
进一步地，基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角具体为：得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角后，需要利用四元素进行坐标转换，得到目标在基座坐标系下的欧拉角；基于目标在基座坐标系下的欧拉角，利用基座姿态角度得到目标在东北天坐标系下的欧拉角。
进一步地，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度具体为：得到目标在东北天坐标系下的欧拉角速度后，在东北天坐标系下，先绕偏航轴旋转偏航角Ψ，再绕俯仰轴旋转俯仰角θ，最后绕横滚轴旋转横滚角φ，让横滚轴指向目标，与光电光轴坐标系重合，从而得到目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度。
本发明具有以下有益效果：
1.节省成本，无需激光测距机就能得到目标在东北天坐标系下的角速度；
2.简化计算，无需计算目标在东北天坐标系下的绝对位置；
3.单光电系统可利用目标角速度提高跟踪精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基座坐标系示意图。
图2为本发明实施例提供的光电转台坐标系及光电光轴坐标系示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于光电转塔的目标角速度解算方法流程图；
图4为本发明实施例提供的一种基于光电转塔的目标角速度解算装置的框架示意图。
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一部分，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，为本发明实施例用到的光电系统及其各坐标系的定义，包括基座坐标系、光电转台坐标系和光电光轴坐标系，具体如下：
东北天坐标系：
原点O：位于载体质心；
OX轴：正东为其正向；
OY轴：正北为其正向；
OZ轴：垂直于地平面，指天为正；
基座坐标系：
原点OT：固连于平台回转轴与平台基面的交点；
OTYT轴：基座纵向对称面与基座基平面的交线，其偏航姿态为0时，正北为其正向；
OTZT轴：垂直于基座基平面，向上为正；
OTXT轴：与上述两轴成右手系。
光电转台坐标系：
原点OG：位于光电转台质心；
OGYG轴：光电转台处于零位状态时，正前方为正；
OGZG轴：垂直于光电转台安装平面，向上为正；
OGXG轴：与上述两轴成右手系。
光电光轴坐标系：
原点OGZ：位于光电转台质心；
OGZYGZ轴：平行于光电转台光轴，沿光轴方向为正；
OGZZGZ轴：位于红外探测器纵向平面内，垂直于OGZYGZ轴向上为正；
OGZXGZ轴：与上述两轴成右手系；
其中，光电系统的基座为动基座，其姿态角实时变化，光电转台与基座通过机械接口紧固。
如图3所示，作为本发明的第一实施例，提供一种基于光电转塔的目标角速度解算方法，所述方法包括：
步骤1，计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角；
步骤2，基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角；
步骤3，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角，计算目标在东北天坐标系下的欧拉角速度；
步骤4，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度；
步骤5，将得到的目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度转换到光电转台坐标系，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。
本发明所述的角速度解算方法，无需激光测距机就能得到目标在东北天坐标系下的角速度，无需计算目标在东北天坐标系下的绝对位置，且单光电系统可利用目标角速度提高跟踪精度，可大大简化计算，节省解算成本。
优选地，步骤1具体包括：光电系统在检测到目标且稳定跟踪后，利用光电转台的角度值以及同时刻的图像脱靶量计算得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角。
上述实施例中，由于图像脱靶量通常情况下滞后于光电转台角度值，这时需要测试图像拖把量的实际延时，再将同一时刻的光电转台角度值与图像脱靶量相加/减，得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角。
优选地，步骤2具体包括：
得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角后，需要利用四元素进行坐标转换，得到目标在基座坐标系下的欧拉角；
基于目标在基座坐标系下的欧拉角，利用基座姿态角度得到目标在东北天坐标系下的欧拉角。
上述实施例中，用四元素而不用旋转矩阵的原因是，四元素可以计算出目标在东北天坐标系下的偏航角Ψ、俯仰角θ和横滚角φ，而用旋转矩阵进行坐标转换时只能得到偏航角和俯仰角，缺失的横滚角会给后面目标角速度的解算带来错误。
优选地，步骤3中，得到目标在东北天坐标系下的欧拉角后，利用卡尔曼算法计算得到目标在东北天坐标系下的欧拉角速度。
优选地，步骤4具体包括：
得到目标在东北天坐标系下的欧拉角速度后，在东北天坐标系下，先绕偏航轴旋转偏航角Ψ，再绕俯仰轴旋转俯仰角θ，最后绕横滚轴旋转横滚角φ，让横滚轴指向目标，与光电光轴坐标系重合，从而得到目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度，
上述实施例中，在旋转期间，目标在东北天坐标系下的偏航角速度经过了俯仰轴和横滚轴的旋转，俯仰角速度经过了横滚轴的旋转，横滚角速度则没有变化。
优选地，步骤5具体包括：
得到目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度后，在光电光轴坐标系转下，使目标的俯仰角速度不变，但方位角速度进行俯仰角的负向旋转，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。
如图4所示，作为本发明的第二实施例，提供一种基于光电转塔的目标角速度解算装置，所述装置包括第一欧拉角计算单元、第二欧拉角计算单元、第一欧拉角速度计算单元、第二欧拉角速度计算单元和坐标系转换单元；
所述第一欧拉角计算单元用于计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角；
所述第二欧拉角计算单元用于基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角；
所述第一欧拉角速度计算单元用于基于目标在东北天坐标系下的欧拉角，计算目标在东北天坐标系下的欧拉角速度；
所述第二欧拉角速度计算单元用于基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度；
所述坐标系转换单元用于将得到的目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度转换到光电转台坐标系，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。
本发明所述的角速度解算装置，无需激光测距机就能得到目标在东北天坐标系下的角速度，无需计算目标在东北天坐标系下的绝对位置，且单光电系统可利用目标角速度提高跟踪精度，可大大简化计算，节省解算成本。
优选地，计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角具体为：光电系统在检测到目标且稳定跟踪后，利用光电转台的角度值以及同时刻的图像脱靶量计算得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角。
上述实施例中，由于图像脱靶量通常情况下滞后于光电转台角度值，这时需要测试图像拖把量的实际延时，再将同一时刻的光电转台角度值与图像脱靶量相加/减，得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角。
优选地，基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角具体为：得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角后，需要利用四元素进行坐标转换，得到目标在基座坐标系下的欧拉角；基于目标在基座坐标系下的欧拉角，利用基座姿态角度得到目标在东北天坐标系下的欧拉角。
上述实施例中，用四元素而不用旋转矩阵的原因是，四元素可以计算出目标在东北天坐标系下的偏航角Ψ、俯仰角θ和横滚角φ，而用旋转矩阵进行坐标转换时只能得到偏航角和俯仰角，缺失的横滚角会给后面目标角速度的解算带来错误。
优选地，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度具体为：得到目标在东北天坐标系下的欧拉角速度后，在东北天坐标系下，先绕偏航轴旋转偏航角Ψ，再绕俯仰轴旋转俯仰角θ，最后绕横滚轴旋转横滚角φ，让横滚轴指向目标，与光电光轴坐标系重合，从而得到目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度。
上述实施例中，在旋转期间，目标在东北天坐标系下的偏航角速度经过了俯仰轴和横滚轴的旋转，俯仰角速度经过了横滚轴的旋转，横滚角速度则没有变化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光电转塔的目标角速度解算方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角；
步骤2，基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角；
步骤3，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角，计算目标在东北天坐标系下的欧拉角速度；
步骤4，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度；
步骤5，将得到的目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度转换到光电转台坐标系，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。
2.根据权利要求1所述的基于光电转塔的目标角速度解算方法，其特征在于，步骤1具体包括：光电系统在检测到目标且稳定跟踪后，利用光电转台的角度值以及同时刻的图像脱靶量计算得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角。
3.根据权利要求1所述的基于光电转塔的目标角速度解算方法，其特征在于，步骤2具体包括：
得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角后，需要利用四元素进行坐标转换，得到目标在基座坐标系下的欧拉角；
基于目标在基座坐标系下的欧拉角，利用基座姿态角度得到目标在东北天坐标系下的欧拉角。
4.根据权利要求1所述的基于光电转塔的目标角速度解算方法，其特征在于，步骤3中，得到目标在东北天坐标系下的欧拉角后，利用卡尔曼算法计算得到目标在东北天坐标系下的欧拉角速度。
5.根据权利要求1所述的基于光电转塔的目标角速度解算方法，其特征在于，步骤4具体包括：
得到目标在东北天坐标系下的欧拉角速度后，在东北天坐标系下，先绕偏航轴旋转偏航角Ψ，再绕俯仰轴旋转俯仰角θ，最后绕横滚轴旋转横滚角φ，让横滚轴指向目标，从而得到目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度。
6.根据权利要求1所述的基于光电转塔的目标角速度解算方法，其特征在于，步骤5具体包括：
得到目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度后，在光电光轴坐标系转下，使目标的俯仰角速度不变，使方位角速度进行俯仰角的负向旋转，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。
7.一种基于光电转塔的目标角速度解算装置，其特征在于，所述装置包括第一欧拉角计算单元、第二欧拉角计算单元、第一欧拉角速度计算单元、第二欧拉角速度计算单元和坐标系转换单元；
所述第一欧拉角计算单元用于计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角；
所述第二欧拉角计算单元用于基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角；
所述第一欧拉角速度计算单元用于基于目标在东北天坐标系下的欧拉角，计算目标在东北天坐标系下的欧拉角速度；
所述第二欧拉角速度计算单元用于基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度；
所述坐标系转换单元用于将得到的目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度转换到光电转台坐标系，从而得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角速度。
8.根据权利要求7所述的基于光电转塔的目标角速度解算装置，其特征在于，计算目标在光电转台坐标系下的欧拉角具体为：光电系统在检测到目标且稳定跟踪后，利用光电转台的角度值以及同时刻的图像脱靶量计算得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角。
9.根据权利要求7所述的基于光电转塔的目标角速度解算装置，其特征在于，其特征在于，基于目标在光电转台坐标系下的欧拉角，进行四元素及姿态解算，计算出目标在东北天坐标系下的欧拉角具体为：得到目标在光电转台坐标系下的欧拉角后，需要利用四元素进行坐标转换，得到目标在基座坐标系下的欧拉角；基于目标在基座坐标系下的欧拉角，利用基座姿态角度得到目标在东北天坐标系下的欧拉角。
10.根据权利要求7所述的基于光电转塔的目标角速度解算装置，其特征在于，基于目标在东北天坐标系下的欧拉角速度，计算目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度具体为：得到目标在东北天坐标系下的欧拉角速度后，在东北天坐标系下，先绕偏航轴旋转偏航角Ψ，再绕俯仰轴旋转俯仰角θ，最后绕横滚轴旋转横滚角φ，让横滚轴指向目标，从而得到目标在光电光轴坐标系下的欧拉角速度。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20210702 Address after: No.6, Huanglongshan South Road, Donghu Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Applicant after: WUHAN GUIDE INFRARED Co.,Ltd. Applicant after: Wuhan Gaode micro electromechanical and sensing Industrial Technology Research Institute Co.,Ltd. Address before: No.6, Huanglongshan South Road, Donghu Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Applicant before: WUHAN GUIDE INFRARED Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Huang Li Inventor after: Su Ying Inventor after: Zhang Shuanghua Inventor after: Li Yuping Inventor before: Su Ying Inventor before: Zhang Shuanghua Inventor before: Li Yuping |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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