CN113804187A - 一种光电吊舱目标定位的一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本公开的光电吊舱目标定位的一体化系统，通过图像采集模块采集目标图像信息；惯导GPS模块采集光电吊舱的姿态角和地理位置信息，并将所述光电吊舱的姿态角和位置信息发送到所述信息处理系统；伺服平台用于空间伺服驱动和将光电吊舱的视轴框架角信息发送到信息处理系统；激光测距仪用于测量光电吊舱到目标的距离信息，并将距离信息发送到所述信息处理系统；信息处理系统根据目标图像信息锁定目标，并对光电吊舱的姿态角和位置信息、视轴框架角信息及光电吊舱到目标的距离信息进行处理得到目标在大地坐标系下的坐标，实现光电吊舱的目标定位。解决现有光电吊舱减振器对定位精度影响的问题，实现光电吊舱的轻型化、集成化、可靠性高、成本低等优点。

Description

一种光电吊舱目标定位的一体化系统
技术领域
本发明属于目标定位技术领域，具体涉及一种光电吊舱目标定位的一体化系统。
背景技术
光电吊舱是集可见光摄像机、红外热像仪、激光测距机等高精度测量设备于一体，用于实现航空侦察、目标瞄准、跟踪、定位等功能的全天候电子侦察设备，通常安装于有人或无人飞机。随着机载光电吊舱功能指标和技术指标的进步，不再满足于目标物体在光电吊舱视场中的方位信息(方位角、俯仰角、距离)，而是通过解算得到目标在大地坐标系下的经度、纬度和高度信息。目标定位精度的高低直接影响对目标信息的评估和战场形式的分析论证，因此提高光电吊舱目标定位技术具有非常重要的战略意义。
目前，光电吊舱目标定位过程中，通过红外热像仪或者可见光摄像机传回图像信息，当目标信息出现在视场中时，锁定并跟踪目标，使目标始终处于视场中心，现有的光电吊舱目标定位功能框图如图1所示。光电吊舱控制器接受上位机处理中心指令，对目标进行跟踪，并测得载机到目标距离，上传上位机处理中心，上位机接收光电吊舱方位信息，并接收光电吊舱的姿态信息和地理位置信息，进行解算目标地理位置。这种目标定位系统需要设计两套控制器，且两套控制器均需要各自的串口通讯接口，时统等，成本相对较高、硬件资源浪费、可靠性差、不利于产品的小型化设计。而现代军事领域对机载光电吊舱的轻型化、集成化、高可靠性性、低成本的一体化处理提出迫切的技术需求。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种光电吊舱目标定位的一体化系统，解决现有光电吊舱不具备自主目标定位功能以及光电吊舱减振器对定位精度影响的问题，实现光电吊舱的轻型化、集成化、可靠性高、成本低等优点。
根据本公开的一方面，本发明提供一种光电吊舱目标定位的一体化系统，所述一体化系统包括：图像采集模块，惯导GPS模块，伺服平台，激光测距仪和信息处理系统；
所述图像采集模块，用于采集目标图像信息；
所述惯导GPS模块，用于采集光电吊舱的姿态角和地理位置信息，并将所述光电吊舱的姿态角和位置信息发送到所述信息处理系统；
所述伺服平台，用于空间伺服驱动和将光电吊舱的视轴框架角信息发送到所述信息处理系统；
所述激光测距仪，用于测量所述光电吊舱到目标的距离信息，并将所述距离信息发送到所述信息处理系统；
所述信息处理系统，用于根据所述目标图像信息锁定目标，并对所述光电吊舱的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息进行处理得到所述目标在大地坐标系下的坐标，实现光电吊舱对所述目标的定位。
在一种可能的实现方式中，所述惯导GPS模块由惯导系统和GPS系统组合而成，被置于所述光电吊舱的基准面。
在一种可能的实现方式中，所述光电吊舱的姿态角包括光电吊舱的偏航角、俯仰角、横滚角，所述光电吊舱的理位置信息包括光电吊舱的经度信息、纬度信息、高度信息。
在一种可能的实现方式中，所述信息处理系统包括FPGA主控芯片和DSP处理器；
所述FPGA主控芯片，用于接收和打包所述光电吊舱的空间位置的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息，将打包数据添加时间戳发送到所述DSP处理器；
所述DSP处理器，用于对所述光电吊舱的空间位置的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息进行处理得到所述目标在大地坐标系下的坐标。
在一种可能的实现方式中，所述图像采集模块包括红外热像仪和/或可见光摄像机。
在一种可能的实现方式中，所述视轴框架角信息包括光电吊舱的方位角和俯仰角。
本公开的光电吊舱目标定位的一体化系统，包括：信息处理系统、惯导GPS模块、伺服平台、激光测距仪和图像采集模块；图像采集模块用于采集目标图像信息；惯导GPS模块用于采集光电吊舱的姿态角和地理位置信息，并将所述光电吊舱的姿态角和位置信息发送到所述信息处理系统；伺服平台用于空间伺服驱动和将光电吊舱的视轴框架角信息发送到所述信息处理系统；激光测距仪用于测量所述光电吊舱到目标的距离信息，并将所述距离信息发送到所述伺服控制系统；信息处理系统，用于根据所述目标图像信息锁定目标，并对所述光电吊舱的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息进行处理得到所述目标在大地坐标系下的坐标，实现光电吊舱对所述目标的定位。能够解决了现有光电吊舱不具备自主目标定位功能以及光电吊舱减振器对定位精度影响的问题，实现光电吊舱的轻型化、集成化、可靠性高、成本低等优点。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1示出了现有技术中光电吊舱的目标定位原理框图；
图2示出了根据本公开一实施例的光电吊舱目标定位的一体化系统框图；
图3示出了根据本公开另一实施例的光电吊舱目标定位的一体化系统框图；
图4示出了根据本公开一实施例的光电吊舱目标定位的一体化系统控制框图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明为了解决以往光电吊舱只具有伺服跟踪搜索功能，不具备自主目标定位功能和光电吊舱减振器对定位精度的影响，将惯导+GPS组合安装于光电吊舱基准面，惯导可以敏感减振器带来的角位移，并将角位移带入伺服控制系统进行解算，提高目标定位精度。采用FPGA+DSP架构，即用一个控制器完成伺服系统控制，目标定位解算，更好的实现光电吊舱的轻型化、集成化、高可靠性性、低成本等优势。
图2和图3分别示出了根据本公开一实施例的光电吊舱目标定位的一体化系统框图。
如图2所示，该目标定位的一体化系统可以包括：图像采集模块41，惯导GPS模块42，伺服平台43，激光测距仪44和信息处理系统45。
其中，图像采集模块41，用于采集目标图像信息。如图3所示，图像采集模块41可以包括红外热像仪或可见光摄像机，通过红外热像仪或可见光摄像机采集目标图像并将目标图像回传到信息处理系统，当目标信息出现在视场中时，锁定并跟踪目标，使目标始终处于视场中心。
惯导GPS模块42，用于采集光电吊舱的姿态角和地理位置信息，并将光电吊舱的姿态角和位置信息发送到伺服控制系统。其中，光电吊舱的姿态角包括光电吊舱的偏航角、俯仰角、横滚角，光电吊舱的理位置信息包括光电吊舱的经度信息、纬度信息、高度信息。惯导GPS模块42可以由惯导系统和GPS系统组合而成，被置于光电吊舱的基准面上，惯导系统可以敏感减振器带来的角位移，并将角位移输入到信息处理系统进行控制算法的解算得到目标的位置信息，能够提高目标定位的精度。
伺服平台43，用于空间伺服驱动和将光电吊舱的视轴框架角信息发送到所述信息处理系统。其中，视轴框架角信息包括光电吊舱的方位角和俯仰角，例如可以通过外俯仰驱动并上传两轴框架惯性角度(光电吊舱的方位角、光电吊舱的俯仰角)。
激光测距仪44(图3中的激光测距机)，用于测量光电吊舱到目标的距离信息，并将距离信息发送到信息处理系统。例如，当锁定目标并跟踪目标时，伺服控制系统的DSP处理器发出驱动激光测距仪44的测距命令，驱动激光测距仪44测量光电吊舱到目标的距离信息并接收激光测距仪44返回的距离信息。
信息处理系统，用于根据目标图像信息锁定目标，并对所述光电吊舱的空间位置的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息进行处理得到所述目标在大地坐标系下的坐标，实现光电吊舱对所述目标的定位。其中，信息处理系统包括FPGA主控芯片和DSP处理器。FPGA主控芯片采集各个传感器的数据并处理，DSP处理器利用其处理算法，控制伺服系统和目标位置解算。例如，FPGA主控芯片采集角位置传感器、码盘位置信息和陀螺信息等，解算并产生PWM波以驱动电机。
在一示例中，FPGA主控芯片可以用于接收光电吊舱的空间位置的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息，将光电吊舱的空间位置的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息进行打包，并将打包数据添加时间戳发送到DSP处理器。
DSP处理器，用于对光电吊舱的空间位置的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息进行处理得到目标在大地坐标系下的坐标。例如，DSP处理器接收FPGA主控芯片发送过来的数据，采用伺服控制算法进行数据处理，实现目标的定位、搜索、跟踪功能。当锁定并跟踪目标时，DSP处理器发出驱动激光测距机测距命令，并接收激光测距机返回的距离信息，将目标距离信息，视轴的框架角信息(方位角、俯仰角)作为输入，光电吊舱的姿态角(偏航角、俯仰角、横滚角)，光电吊舱的地理位置(经度、纬度、高度)，利用目标定位算法处理解算得到目标在大地坐标系下的坐标(经度、维度、高度)，实现对目标实现精确定位。
图4示出了根据本公开一实施例的光电吊舱目标定位的一体化系统控制框图。
如图4所示，三光载荷(可见变焦、红外定焦和可见定焦，即图2中的图像采集模块)安装在内方位陀螺稳定平台。其中，红外定焦和可见变焦用于将经过光学系统处理后的图像信号转变成视频信号。跟踪器接收来自红外变焦或者可见光变焦的视频，并对视频信号进行分析处理，解算出目标跟踪的偏差，送至信息处理模块，将复合视频信号通过无线传输模块传送至地面工作站，同时具有低倍率压缩记录功能。激光测距机用于对目标进行距离的测量，并将测量结果发送至信息处理系统的DSP处理器。惯导与GPS组合的惯导GPS模块能够敏感出吊舱惯性空间位置的姿态角和经度、纬度和高度信息；伺服平台用于空间伺服驱动并上传两轴框架惯性角度，并接收伺服控制系统的DSP处理器的指令以对目标进行瞄准、跟踪；信息处理系统的DSP处理器完成三光载荷静态下的调试以及地面工作站指令的中转与控制，同时将目标激光测距、惯导姿态角、GPS经纬高、和框架的惯性角度进行目标空间解算并传送至地面工作站，完成空地一体化瞄准导引功能。
机载光电吊舱的目标定位原始信息为目标相对机载光电吊舱的位置(例如方位角α、俯仰角β，距离R)，经过基座坐标系、地理坐标系、大地直角坐标系、大地坐标系四个坐标系的齐次坐标转换，求取目标大地坐标的过程。
例如，首先建立视轴坐标系，本发明采用外方位，内俯仰设计，则视轴坐标即为俯仰坐标系，与俯仰轴坐标系变换到方位轴坐标系。通过转换公式为：
Figure BDA0003240852770000061
能够将目标信息由方位轴坐标系变换到基座坐标系，然后通过将基座坐标系依据偏航角ψp，俯仰角
Figure BDA0003240852770000062
横滚角γp的顺序进行转动，实现目标信息由基座坐标系转到地理系。然后再将目标信息由地理坐标系转到大地直角坐标系，由大地直角坐标系转到大地坐标系即可，这个过程的转换过程可以采用现有常用转换公式实现，在此不多做介绍。
本公开的光电吊舱目标定位的一体化系统，通过惯导系统和GPS系统组合安装于光电吊舱基准面可以敏感减振器带来的角位移，光电吊舱实时采集自身数据并进行数据解算得出目标的地理位置，减少光电吊舱目标定位系统间的数据交互，减少光电吊舱目标定位系统间软件错误及其它故障，提高了光电吊舱的目标定位的可靠性。采用FPGA+DSP的一体化架构设计可省去载机的上位机设备，减少了载机光电吊舱的设计空间，实现光电吊舱目标定位系统的轻型化、集成化、小型化、及降低光电吊舱目标定位系统的设计成本。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种光电吊舱目标定位的一体化系统，其特征在于，所述一体化系统包括：图像采集模块，惯导GPS模块，伺服平台，激光测距仪和信息处理系统；
所述图像采集模块，用于采集目标图像信息；
惯导GPS模块，用于采集光电吊舱的姿态角和地理位置信息，并将所述光电吊舱的姿态角和位置信息发送到所述信息处理系统；
伺服平台，用于空间伺服驱动和将光电吊舱的视轴框架角信息发送到所述信息处理系统；
激光测距仪，用于测量光电吊舱到目标的距离信息，并将所述距离信息发送到所述信息处理系统；
信息处理系统，用于根据所述目标图像信息锁定目标，并对光电吊舱的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息进行处理得到所述目标在大地坐标系下的坐标，实现光电吊舱对所述目标的定位。
2.根据权利要求1所述的一体化系统，其特征在于，所述惯导GPS模块由惯导系统和GPS系统组合而成，被置于所述光电吊舱的基准面。
3.根据权利要求1所述的一体化系统，其特征在于，所述光电吊舱的姿态角包括光电吊舱的偏航角、俯仰角、横滚角，所述光电吊舱的理位置信息包括光电吊舱的经度信息、纬度信息、高度信息。
4.根据权利要求1所述的一体化系统，其特征在于，所述信息处理系统包括FPGA主控芯片和DSP处理器；
所述FPGA主控芯片，用于接收和打包所述光电吊舱的空间位置的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息，将打包数据添加时间戳发送到所述DSP处理器；
所述DSP处理器，用于对所述光电吊舱的空间位置的姿态角和位置信息、视轴框架角信息以及光电吊舱到目标的距离信息进行处理得到所述目标在大地坐标系下的坐标。
5.根据权利要求1所述的一体化系统，其特征在于，所述图像采集模块包括红外热像仪或可见光摄像机。
6.根据权利要求1所述的一体化系统，其特征在于，所述视轴框架角信息包括光电吊舱的方位角和俯仰角。
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