CN114166202A - 基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，所述系统包括：部署在系留无人机上的环形激光标靶以及部署在地面控制站的光瞄装置和解算定位模块；其中，所述光瞄装置包括固态相机；所述环形激光标靶，用于为固态相机提供空地斜距R的测量参考以及系留无人机相对方位α和俯仰β的测量参考；所述光瞄装置，用于通过固态相机对环形激光标靶成像，获得环形激光标靶在固态相机靶面的坐标值；所述解算定位模块，用于根据光学几何关系，由上述坐标值解算得到无人机位置信息，从而实现定位。本发明的系统不依赖卫星导航技术实现高精度定位，受环境因素例如光照强度、云雾天气等影响小，设备结构简单，成本低。

Description

基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统。

背景技术

系留无人机系统将无人机平台通过系留电缆与地面控制站连接，由地面控制站通过系留电缆向系留无人机传输电能和控制指令等，系留无人机通过系留电缆向地面控制站传输获取的状态、目标位置等信息，从而实现目标指示、地面武器系统攻击引导等功能，具有滞空时间长、无人机定位精准度高、探测距离远、探测精度高等优点。

系留无人机系统能够实现高精度目标指示等功能的前提是系留无人机平台自身具有较高的定位精度，目前实现高精度定位主要采用的是差分卫星导航技术，特别是RTK卫导技术能够实现平台厘米量级的定位精度，成为系留无人机平台广泛采用的定位技术。

虽然差分卫星导航技术拥有使用范围广、定位精度极高等优点，但其目前在实际使用中依然存在较多难以克服的弊端，例如在建筑密集区域，GPS信号容易被建筑物遮挡和反射，导致接收端不能收到信号或收到多路反射信号，影响定位实时性和精度；当RTK基站出现不能搜星或者数据断连等情况，系统将转换为利用普通单点卫星导航模式，提供普通定位数据，无法继续维持系留无人机的定位精度；另外，卫导技术一旦受到干扰，将导致全系统无法工作。综上所述，亟需发展不依赖卫星导航技术实现精确导航的系留无人机系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，所述系统包括：部署在系留无人机上的环形激光标靶以及部署在地面控制站的光瞄装置和解算定位模块；其中，所述光瞄装置包括固态相机；

所述环形激光标靶，用于为固态相机提供空地斜距R的测量参考以及系留无人机相对方位α和俯仰β的测量参考；

所述光瞄装置，用于通过固态相机对环形激光标靶成像，获得环形激光标靶在固态相机靶面的坐标值；

所述解算定位模块，用于根据光学几何关系，由上述坐标值解算得到无人机位置信息，从而实现定位。

作为上述系统的一种改进，所述固态相机采用CMOS或CCD传感器，固态相机在正常工作时的距离分辨率不小于预设阈值。

作为上述系统的一种改进，所述环形激光标靶包括一个直径为d的圆环状框架和若干个相同的激光器，其中一个激光器安装在圆环状框架圆心处形成中心光源，其他激光器安装在圆环状框架上呈相邻排列，形成圆形光源；所述激光器为二极管激光器或LED激光器，并在外部加装光学透镜以压窄激光器的发散角。

作为上述系统的一种改进，其特征在于，所述解算定位模块的处理过程具体包括：

建立以地面控制站为原点的坐标系；

接收激光标靶的中心光源在固态相机靶面的坐标值(m,n)，激光标靶的圆形光源在固态相机靶面上像的长径左端点和右端点的靶面坐标分别为(m₁,n₁)和(m₂,n₂)；

根据坐标值(m,n)，结合固态相机的角度分辨率计算得到系留无人机的方位α和俯仰β；

根据坐标值(m₁,n₁)和(m₂,n₂)，结合固态相机的相元尺寸，计算得到空地斜距R；

根据光学几何关系，由方位α、俯仰β和空地斜距R，计算得到系留无人机的坐标。

作为上述系统的一种改进，所述系留无人机的方位α和俯仰β为：

其中，Δθ为固态相机的角度分辨率，满足下式：

其中，f为固态相机的焦距，单个相元的尺寸为N×N。

作为上述系统的一种改进，所述空地斜距R为：

作为上述系统的一种改进，所述系留无人机的坐标(x₀,y₀,z₀)满足下式：

x₀＝R·cosβ·cosα

y₀＝R·cosβ·sinα

z₀＝R·sinβ。

作为上述系统的一种改进，所述光瞄装置还包括地面基准台，用于实现地面固态相机光轴指向的初始化标校

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的系统不依赖卫星导航技术实现高精度定位，通过光电技术实现系留无人机相对于系留平台高精度定位，避免了使用卫星导航技术解决方案的无法全时实现高精度定位、RTK基站信号断流、卫导设备遭受干扰等诸多缺陷；

2、本发明的系统受环境因素例如光照强度、云雾天气等影响小，采用高清固态相机搭配激光标靶，通过光电技术实现精确定位，激光标靶能见度极高，可确保在日间强光照、夜间以及不良气象条件下实现互瞄；

3、本发明的系统设备结构简单，成本低，关键部件仅为1部高清固态相机和1套机载激光标靶，无需加装高精度惯导设备和测距设备，设备结构简单，采购成本较低，安装、调试、使用也较容易。

附图说明

图1是本发明的基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统总体框图；

图2是本发明的系统工作示意图；

图3是环形激光标靶成像示意图。

附图标记

1、系留无人机 2、地面控制站

3、激光标靶 4、光瞄装置

5、地面电源 6、信号处理设备

7、固态相机 8、基准台

9、系留电缆

具体实施方式

本发明包括一种安装在系留无人机上的激光标靶和安装在系留平台上的高清固态相机,系留平台通过固态相机观测系留无人机安装的激光标靶，测定系留无人机相对于地面控制站的斜距、方位和俯仰信息，从而获取系留无人机在地面控制站坐标系中的坐标值，结合固态相机在地理坐标系中已标校的真实坐标值，实时给出系留无人机在地理坐标系中的坐标真值，为系留无人机提供精确导航数据。

本发明通过光电技术精确测定系留无人机在系留平台坐标系中的坐标值，解决了以往系留无人机系统中无人机平台只能依靠卫星导航技术实现高精度定位的问题。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例

如图1所示，基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，系统包括：系留无人机1、地面控制站2、激光标靶3、光瞄装置4、地面电源5、信号处理设备6、系留电缆9。其中系留无人机1，用于搭载激光标靶3，根据系留无人机系统工作需求，例如执行任务种类、载荷重量等选择符合要求的无人机；地面控制站2，作为地面装置的载体；地面电源5用于为系留无人机1平台及载荷供电；信号处理设备6用于解析系统获取的角度、距离等数据；系留电缆9，用于连接系留无人机1与地面控制站2，传输控制指令、角度、距离等信息并向系留无人机1输送电力。

如图2所示，所述激光标靶3，由若干相邻排列安装在圆环状框架上的光源和1颗安装在圆环状框架圆心处的光源组成，用于为固态相机7提供空地斜距R的测量参考和系留无人机相对方位α和俯仰β的测量参考。激光标靶3所在平面应平行于系留无人机1的基准面。为固态相机7能够精确测定系留无人机1与固态相机7的斜距R，激光标靶3的圆形框架直径d应足够大，同时考虑到系留无人机1搭载任务载荷实际需求和飞控稳定性，d也不可过大，光源可采用二极管激光器或LED激光器，激光器外部加装光学透镜，用于压窄激光器的发散角。为保证光源在固态相机7靶面上的像小于1个像素，光源尺寸应不大于固态相机7在R处的距离分辨率，即满足d₀≤Δd|_R，为保证固态相机7在视场内均能观测到激光标靶3的光源，光源发散角应大于固态相机7水平、垂直视场角的较大者，即满足Ψ≥max(θ_H,θ_V)。另外，为保证固态相机7能够观测到激光标靶3的光源而又不因接收光强过大而损坏，光源应设置合适的功率。

所述光瞄装置4，包括：固态相机7，用于瞄准激光标靶3，测定α、β和R；用于实现固态相机7光轴指向垂直标校。

所述固态相机7，为1部高清相机，相机镜头可根据需要采用定焦或变焦，传感器可采用CMOS或CCD，镜头可加装与激光标靶3光源波长相匹配的滤光片。本例采用的方案用于代替RTK卫导技术实现系留无人机1精确定位，因此系统定位精度应不小于RTK卫导技术的定位精度，即固态相机7应满足Δd|_R≤0.1m。另外，应保证激光标靶3能够较容易地进入固态相机7视场，固态相机7在斜距R处的视场范围应足够大。相机分辨率为H×V，焦距为f，单个相元尺寸为N×N，则该型固态相机的瞬时视场也即角度分辨率

水平视场角

θ_H＝H·Δθ

垂直视场角

θ_V＝V·Δθ

本系统的光学定位方法，具体步骤如下：

步骤一：建立以地面控制站2为原点的坐标系，设定系留无人机1工作位置

如图2所示，以固态相机7所在位置为原点建立坐标系，坐标原点为O，xOy平面为水平面，O点位置提前完成地理坐标系中真值标校，在xOy坐标系中设定好系留无人机1工作位置，使该位置落入固态相机7视场。

步骤二：系留无人机1加电升空，系统计算系留无人机1方位α和俯仰β

如图2所示，系留无人机1前往指定工作位置，使激光标靶3进入固态相机7视场，在相机靶面上成像，通过激光标靶3圆心光源在相机靶面上的坐标值，计算出α与β。

激光标靶3在相机靶面上的成像情况如图3所示，激光标靶3中心光源在相机靶面坐标值为(m,n)。在实际工程应用中，考虑到减小误差，可以使用多次测量取平均值的方法。可计算出

步骤三：通过找出激光标靶3圆形光源在固态相机7靶面上像(一般为椭圆)的长径，通过长径长度d’，计算R

当且仅当系留无人机1几何中心恰好位于O点正上方并且系留无人机1自身的俯仰和横滚均为零时的理想条件下，激光标靶3圆形光源在固态相机7靶面上的像为圆形，其余情况下均为椭圆。由于系留无人机1搭载的激光标靶3为圆形，因此给定R后，无论系留无人机1自身姿态如何，d’均为一个定值。识别出圆形光源在固态相机7靶面上像的长径，其左、右端点的靶面坐标分别为(m₁,n₁)和(m₂,n₂)，由此可计算出

根据几何光学，可得

有

步骤四：通过系统计算出的α、β和R值，给出系留无人机1在以地面控制站2为原点的坐标系中的坐标值

如图2所示，系留无人机的x、y、z坐标分别为

x₀＝R·cosβ·cosα

y₀＝R·cosβ·sinα

z₀＝R·sinβ

系统配置步骤：

步骤一：选定系留无人机1，预设系留无人机1工作位置相对坐标

根据任务需要选定合适的无人机，预设系留无人机1的工作位置。系留无人机1工作位置为A，本例设定A点在O点正上方200m处，考虑到系留无人机1在悬停过程中会有扰动，其在xOy平面的投影点会偏离O点，此处设投影点为B。

步骤二：确定固态相机7和激光标靶3规格

选定1部固态相机，其分辨率为H×V＝3840×2400，焦距为f＝150mm，单个相元尺寸为N×N＝2×2μm。则该型固态相机的角度分辨率

水平视场角

θ_H＝H·Δθ＝3840×0.0133mrad≈2.926°

垂直视场角

θ_V＝V·Δθ＝2400×0.0133mrad≈1.829°

此时固态相机7在距离R＝200m处的距离分辨率

Δd|_R＝200m＝R·Δθ＝200m×0.0133mrad≈2.66mm

选定激光标靶3的圆形光源直径d＝2000mm，光源尺寸d₀＝2.5mm，光源发散角Ψ≥max(θ_H,θ_V)＝2.926°。

步骤三：标校固定固态相机7

将固态相机7安装在基准台8上，通过调整基准台8方位，标校固态相机7靶面横轴与xOy平面x轴平行，此时相机纵轴与xOy平面y轴平行，锁止基准台8方位，调整固态相机7光轴仰角至垂直于xOy平面，锁止基准台8俯仰。此时完成固态相机7的安装标校，相机光轴指向A点。

步骤四：标校安装激光标靶3

将激光标靶3中心光源安装在系留无人机1几何中心位置，光源指向与系留无人机1基准面垂直，将激光标靶3圆形光源安装至系留无人机1上，确保圆形光源所在平面平行于系留无人机1基准面并且中心光源位于圆形光源的圆心位置。

步骤五：系留无人机1升空前往预设工作位置，系统计算系留无人机1方位α和俯仰β

系留无人机1加电升空，前往预设好的工作位置，激光标靶3落入固态相机7视场范围内。激光标靶3中心光源在相机靶面坐标值(m,n)＝(m′,n′)，此时有

步骤六：系统通过计算激光标靶3圆形光源在固态相机7靶面上像的长径长度d’，计算R

系统给出圆形光源在固态相机7靶面上像的长径左、右端点的靶面坐标分别为(m′₁,n′₁)和(m′₂,n′₂)，由此可计算出

有

步骤七：通过系统计算出的α、β和R值，给出系留无人机1在以地面控制站2为原点的坐标系中的坐标值

如图2所示，系留无人机的x、y、z坐标分别为

x₀＝R′·cosβ′·cosα′

y₀＝R′·cosβ′·sinα′

z₀＝R′·sinβ′

可行性分析：

不考虑地形遮蔽的影响，相机在R≈200m处的水平覆盖范围

垂直覆盖范围

而系留无人机1在稳定悬停时的水平偏移量一般不超过1m，可认为所选定的固态相机7在R≈200m处有足够大的视场，方案易于实现。

按照本例中给出参数，系统对系留无人机1在R≈200m处的测距精度

在实际应用中，固态相机7可采用变焦镜头，在系留无人机1稳定悬停在工作位置时，调整固态相机7的焦距，例如调整焦距至f＝300mm，此时固态相机7在系留无人机1处的水平覆盖范围

垂直覆盖范围

依然能够保证系留无人机1稳定保持在固态相机7视场内，可提升相机距离分辨率至原先的2倍；另外，地固态相机7定位激光标靶3可采用亚像素识别等算法，可继续提升相机距离分辨率至原先的4倍，同时采用以上两种方法，可提升系留无人机1在R≈200m处的测距精度至I_R≈0.033m，系统给出的系留无人机1定位精度可与RTK卫导技术的定位精度相当

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，其特征在于，所述系统包括：部署在系留无人机上的环形激光标靶以及部署在地面控制站的光瞄装置和解算定位模块；其中，所述光瞄装置包括固态相机；

所述环形激光标靶，用于为固态相机提供空地斜距R的测量参考以及系留无人机相对方位α和俯仰β的测量参考；

所述光瞄装置，用于通过固态相机对环形激光标靶成像，获得环形激光标靶在固态相机靶面的坐标值；

所述解算定位模块，用于根据光学几何关系，由上述坐标值解算得到无人机位置信息，从而实现定位。

2.根据权利要求1所述的基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，其特征在于，所述固态相机采用CMOS或CCD传感器，固态相机在正常工作时的距离分辨率不小于预设阈值。

3.根据权利要求1或2所述的基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，其特征在于，所述环形激光标靶包括一个直径为d的圆环状框架和若干个相同的激光器，其中一个激光器安装在圆环状框架圆心处形成中心光源，其他激光器安装在圆环状框架上呈相邻排列，形成圆形光源；所述激光器为二极管激光器或LED激光器，并在外部加装光学透镜以压窄激光器的发散角。

4.根据权利要求3所述的基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，其特征在于，所述解算定位模块的处理过程具体包括：

建立以地面控制站为原点的坐标系；

接收激光标靶的中心光源在固态相机靶面的坐标值(m,n)，激光标靶的圆形光源在固态相机靶面上像的长径左端点和右端点的靶面坐标分别为(m₁,n₁)和(m₂,n₂)；

根据坐标值(m,n)，结合固态相机的角度分辨率计算得到系留无人机的方位α和俯仰β；

根据坐标值(m₁,n₁)和(m₂,n₂)，结合固态相机的相元尺寸，计算得到空地斜距R；

根据光学几何关系，由方位α、俯仰β和空地斜距R，计算得到系留无人机的坐标。

5.根据权利要求4所述的基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，其特征在于，所述系留无人机的方位α和俯仰β为：

其中，Δθ为固态相机的角度分辨率，满足下式：

其中，f为固态相机的焦距，单个相元的尺寸为N×N。

6.根据权利要求5所述的基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，其特征在于，所述空地斜距R为：

7.根据权利要求6所述的基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，其特征在于，所述系留无人机的坐标(x₀,y₀,z₀)满足下式：

x₀＝R·cosβ·cosα

y₀＝R·cosβ·sinα

z₀＝R·sinβ。

8.根据权利要求1所述的基于环形激光标靶和固态相机的系留无人机光学定位系统，其特征在于，所述光瞄装置还包括地面基准台，用于实现地面固态相机光轴指向的初始化标校。

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