一种用于光电吊舱的线位移补偿控制方法与流程

1.本发明属于自动控制领域，具体涉及一种用于光电吊舱的线位移补偿控制方法。


背景技术：

2.光电吊舱执行目标侦察捕获任务时，若光电吊舱的稳定平台处于惯性稳定状态，在视轴驱动输入指令为零时，由于飞机空间位置的变化，则会导致光电吊舱视轴相对地理景物产生平移。尤其在对动目标进行搜捕时，飞机运动、目标运动以及两者的相对运动耦合在一起，对操作人员手动搜捕目标带来了极大困难。线位移补偿算法就很好的解决了这个问题，通过实时修正视轴位置，抵消飞机空间位置变化引起的光电吊舱视轴平移，使视轴始终指向目标。
3.现有国内外光电吊舱的线位移补偿算法，大多采用手动装订任务区域海拔高更新基准或者直接装订本场海拔高作为基准的方式，计算光电吊舱稳定平台的惯性角速度补偿值：
4.1)手动装订任务区域海拔高更新基准的方式，在任务区域地形跨度大的情况下，需要频繁地输入数据进行基准装订，效率很低，具有一定的滞后性，难以应对未知区域的情况；
5.2)直接装订本场海拔高作为基准的方式，在地形较本场发生较大改变的时候，补偿值不够精确、效果不佳，每次飞机转场时需要重新装订数据，不利于飞机转场。
6.以上两种方式，不能兼顾实时性和准确性，难以应对瞬息万变的战场态势。因此需要采用更先进的控制方法来实现更快速、更精确的线位移补偿功能。


技术实现要素：

7.要解决的技术问题：
8.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于光电吊舱的线位移补偿控制方法，简化光电吊舱的操作流程，避免频繁的人为搜索、手动装订任务区域海拔高，使得光电吊舱在任意任务地形下，抵消飞机空间位置变化引起的光电吊舱视轴平移，使视轴始终指向目标，实现稳定可靠的线位移补偿功能；便于操作人员搜捕目标、把握瞬息万变的战场态势，提高任务成功率。
9.本发明的技术方案是：一种用于光电吊舱的线位移补偿控制方法，其特征在于具体步骤如下：
10.步骤一：待飞机挂载光电吊舱抵达任务区域后，控制光电吊舱对任务区域内的任一目标t进行激光测距,得到当前光电吊舱到目标t的距离dis；
11.步骤二:通过激光辅助定位算法计算出目标的地理坐标；
12.步骤三：将步骤二得到的目标t的位置信息从地球直角坐标系转换至地球大地坐标系，得到当前任务区域的精确海拔高h
t
；
13.步骤四：停止激光测距后，将步骤三得到的h
t
实时自动装订至距离解算器，用h
t
更
新海拔高基准h0，计算得到更精确的光电吊舱到目标的距离lmc
dis
，公式如下：
14.lmc
dis
＝(h
eo-h
t
)/(-sin(θb))
15.其中，h
eo
是地球大地坐标系的高度；h0是海拔高基准。
16.步骤五：将光电吊舱中心速度从东北天速度vn(v
be
，v
bn
，v
bu
)转换到轴向速度vb(v
roll
，v
pitch
，v
yaw
)；
17.步骤六：基于步骤四、五，通过以下公式计算稳定平台方位轴惯性角速度补偿值gyro
x
：
18.gyro
x
＝-v
yaw
/lmc
dis
*57.3
19.通过以下公式计算出稳定平台俯仰轴惯性角速度补偿值gyroy：
20.gyroy＝-v
pitch
/lmc
dis
*57.3；
21.步骤七：将步骤六中的gyro
x
、gyroy与当前稳定平台惯性角速度ω
yaw
、ω
pitch
作比较后反馈到稳定控制器，驱动稳定平台力矩电机转动，完成光电吊舱视轴线位移补偿功能，使视轴始终指向目标。
22.本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中目标地理坐标放入计算方法如下：
23.步骤1：将光电吊舱的位置信息从地球大地坐标系p
eo
(lon
eo
,lat
eo
,h
eo
)转换至地球直角坐标系p
eo
(x
q-eo
，y
q-eo
，z
q-eo
)；
24.步骤2：将步骤一的激光距离dis从视轴坐标系view
laser
(dis，0，0)转换至地理坐标系p
laser
(x
e-view
，y
e-view
，z
e-view
)；
25.步骤3：将步骤三的激光距离信息由地理坐标系p
laser
(x
e-view
，y
e-view
，z
e-view
)转换至地球直角坐标系p
laser
(x
q-laser
，y
q-laser
，z
q-laser
)；
26.步骤4：结合步骤二和步骤四的结果，得到目标t在地球直角坐标系的位置:
27.p
t
(x
q-t
，y
q-t
，z
q-t
)＝p
t
(x
q-eo
+x
q-laser
，y
q-eo
+y
q-laser
，z
q-eo
+z
q-laser
)。
28.本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，地球直角坐标系为p
t
(x
q-t
，y
q-t
，z
q-t
)，地球大地坐标系为p
t
(lon
t
,lat
t
,h
t
)。
29.一种用于光电吊舱的线位移补偿控制系统，其特征在于：包括中控系统和光电吊舱；所述中控系统位于地面操控台，用于发出控制命令；所述光电吊舱搭载于飞机上；
30.所述光电吊舱为四框架构型，包括伺服机构、角速率陀螺、稳定平台、传感器和控制器，通过伺服机构隔离风阻对内平台的扰动，传感器安装于稳定平台上，通过角速率陀螺保证稳定平台隔离机载的扰动，控制视轴相对惯性空间保持稳定，并且在控制命令的驱动下实现光电吊舱对目标的搜索、捕获、跟踪和定位；
31.所述中控系统向光电吊舱的控制器发送装订目标的地理位置信息，并由控制器进行实时自动装订、解算；传感器包括激光测距仪、组合导航系统和惯性测量单元，由激光测距仪对任务区域内目标进行激光测距，由组合导航系统反馈光电吊舱在地球大地坐标系下的位置及中心速度，由惯性测量单元反馈的航向角、俯仰角、横滚角信息；
32.由控制器将稳定平台方位、俯仰轴惯性角速度补偿值与当前稳定平台惯性角速度作比较后反馈到伺服机构，驱动稳定平台转动，完成光电吊舱视轴线位移补偿功能，使视轴始终指向目标。
33.本发明的进一步技术方案是：所述光电吊舱包括主控计算机stm32f407片，能够在程序上控制实现惯性角速率补偿处理。
34.一种控制系统，包括处理器、存储器和应用程序，其中所述应用程序被存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行，所述应用程序配置用于执行所述用于光电吊舱的线位移补偿控制方法。
35.一种计算机可读取存储介质中存储有程序代码，所述程序代码可被处理器调用执行所述用于光电吊舱的线位移补偿控制方法。
36.有益效果
37.本发明的有益效果在于：本发明在不增加硬件资源和系统复杂度的基础上，设计了一种新型的用于光电吊舱的线位移补偿控制方法。通过对任务区域的目标进行激光测距、定位解算，可以准确地得到任务区域的海拔高数据，将该数据实时自动装订至线位移补偿算法中，可以精确地计算出稳定平台的惯性角速度补偿值。保证了光电吊舱视轴在任意任务地形下，始终指向目标。提高了线位移补偿的精度和时效性，简化了操作流程，方便飞机转场。
附图说明
38.图1是本发明光电吊舱的线位移补偿控制框图。
具体实施方式
39.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
40.本实施例中采用的光电吊舱的线位移补偿控制系统包括中控系统和光电吊舱；所述中控系统位于地面操控台，用于发出控制命令；所述光电吊舱搭载于飞机上；
41.所述光电吊舱为四框架构型，包括伺服机构、角速率陀螺、稳定平台、传感器和控制器，通过伺服机构隔离风阻对内平台的扰动，传感器安装于稳定平台上，通过角速率陀螺保证稳定平台隔离机载的扰动，控制视轴相对惯性空间保持稳定，并且在控制命令的驱动下实现光电吊舱对目标的搜索、捕获、跟踪和定位；
42.所述中控系统向光电吊舱的控制器发送装订目标的地理位置信息，并由控制器进行实时自动装订、解算；传感器包括激光测距仪、组合导航系统和惯性测量单元，由激光测距仪对任务区域内目标进行激光测距，由组合导航系统反馈光电吊舱在地球大地坐标系下的位置及中心速度，由惯性测量单元反馈的航向角、俯仰角、横滚角信息；
43.由控制器将稳定平台方位、俯仰轴惯性角速度补偿值与当前稳定平台惯性角速度作比较后反馈到伺服机构，驱动稳定平台转动，完成光电吊舱视轴线位移补偿功能，使视轴始终指向目标。
44.基于上述控制系统已知条件如下：
45.1)光电吊舱视轴驱动输入指令为零；
46.2)光电吊舱组合导航系统反馈的光电吊舱在地球大地坐标系下的位置p
eo
(lon
eo
,lat
eo
,h
eo
)；
47.3)光电吊舱惯性测量单元imu反馈的航向角ψb，俯仰角θb，横滚角γb；
48.4)光电吊舱组合导航系统反馈的光电吊舱中心速度：东向速度v
be
，北向速度v
bn
，天向速度v
bu
；
49.5)光电吊舱视轴的方位角θ
yaw
，俯仰角θ
pitch
，横滚角θ
roll
；
50.6)光电吊舱惯导坐标系imu
eo
(ψb，θb，γb)和视轴坐标系view
eo
(θ
yaw
，θ
pitch
，θ
roll
)重合；
51.7)光电吊舱稳定平台以角速率陀螺作为惯性器件，方位轴角速度ω
yaw
，俯仰轴角速度ω
pitch
。
52.采用如下流程实现高精度的线位移补偿控制：
53.1)待飞机挂载光电吊舱抵达任务区域后，控制光电吊舱对任务区域内的任一目标t进行激光测距,得到当前光电吊舱到目标t的距离dis；
54.2)将光电吊舱的位置信息从地球大地坐标系p
eo
(lon
eo
,lat
eo
,h
eo
)转换至地球直角坐标系p
eo
(x
q-eo
，y
q-eo
，z
q-eo
)；
55.3)将步骤1)的激光距离dis从视轴坐标系view
laser
(dis，0，0)转换至地理坐标系p
laser
(x
e-view
，y
e-view
，z
e-view
)；
56.4)将步骤3)的激光距离信息由地理坐标系p
laser
(x
e-view
，y
e-view
，z
e-view
)转换至地球直角坐标系p
laser
(x
q-laser
，y
q-laser
，z
q-laser
)；
57.5)结合步骤2)和步骤4)的结果，得到目标t在地球直角坐标系的位置:
58.p
t
(x
q-t
，y
q-t
，z
q-t
)＝p
t
(x
q-eo
+x
q-laser
，y
q-eo
+y
q-laser
，z
q-eo
+z
q-laser
)
59.6)将步骤5)目标t的位置信息从地球直角坐标系p
t
(x
q-t
，y
q-t
，z
q-t
)转换至地球大地坐标系p
t
(lon
t
,lat
t
,h
t
)，得到当前任务区域的精确海拔高h
t
；
60.7)停止激光测距后，将步骤6)中的h
t
实时自动装订至距离解算器，更新lmc
dis
＝(h
eo-h0)/(-sin(θb))中的海拔高基准h0。由lmc
dis
＝(h
eo-h
t
)/(-sin(θb))计算得到更精确的光电吊舱到目标的距离lmc
dis
；
61.8)将光电吊舱中心速度从东北天速度vn(v
be
，v
bn
，v
bu
)转换到轴向速度vb(v
roll
，v
pitch
，v
yaw
)；
62.9)结合步骤7)、步骤8)的结果，由gyro
x
＝-v
yaw
/lmc
dis
*57.3计算出稳定平台方位轴惯性角速度补偿值gyro
x
；由gyroy＝-v
pitch
/lmc
dis
*57.3计算出稳定平台俯仰轴惯性角速度补偿值gyroy；
63.10)将步骤9)中的gyro
x
、gyroy与当前稳定平台惯性角速度ω
yaw
、ω
pitch
作比较后反馈到稳定控制器，驱动稳定平台力矩电机转动，完成光电吊舱视轴线位移补偿功能，使视轴始终指向目标。
64.一种控制系统，包括处理器、存储器和应用程序，其中所述应用程序被存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行，所述应用程序配置用于执行所述用于光电吊舱的线位移补偿控制方法。
65.一种计算机可读取存储介质中存储有程序代码，所述程序代码可被处理器调用执行所述用于光电吊舱的线位移补偿控制方法。
66.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种用于光电吊舱的线位移补偿控制方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：待飞机挂载光电吊舱抵达任务区域后，控制光电吊舱对任务区域内的任一目标t进行激光测距,得到当前光电吊舱到目标t的距离dis；步骤二:通过激光辅助定位算法计算出目标的地理坐标；步骤三：将步骤二得到的目标t的位置信息从地球直角坐标系转换至地球大地坐标系，得到当前任务区域的精确海拔高h
t
；步骤四：停止激光测距后，将步骤三得到的h
t
实时自动装订至距离解算器，用h
t
更新海拔高基准h0，计算得到更精确的光电吊舱到目标的距离lmc
dis
，公式如下：lmc
dis
＝(h
eo-h
t
)/(-sin(θ
b
))其中，h
eo
是地球大地坐标系的高度；h0是海拔高基准；步骤五：将光电吊舱中心速度从东北天速度v
n
(v
be
，v
bn
，v
bu
)转换到轴向速度v
b
(v
roll
，v
pitch
，v
yaw
)；步骤六：基于步骤四、五，通过以下公式计算稳定平台方位轴惯性角速度补偿值gyro
x
：gyro
x
＝-v
yaw
/lmc
dis
*57.3通过以下公式计算出稳定平台俯仰轴惯性角速度补偿值gyro
y
：gyro
y
＝-v
pitch
/lmc
dis
*57.3；步骤七：将步骤六中的gyro
x
、gyro
y
与当前稳定平台惯性角速度ω
yaw
、ω
pitch
作比较后反馈到稳定控制器，驱动稳定平台力矩电机转动，完成光电吊舱视轴线位移补偿功能，使视轴始终指向目标。2.根据权利要求1所述用于光电吊舱的线位移补偿控制方法，其特征在于：所述步骤二中目标地理坐标放入计算方法如下：步骤1将光电吊舱的位置信息从地球大地坐标系p
eo
(lon
eo
,lat
eo
,h
eo
)转换至地球直角坐标系p
eo
(x
q-eo
，y
q-eo
，z
q-eo
)；步骤2：将步骤一的激光距离dis从视轴坐标系view
laser
(dis，0，0)转换至地理坐标系p
laser
(x
e-view
，y
e-view
，z
e-view
)；步骤3：将步骤1的激光距离信息由地理坐标系p
laser
(x
e-view
，y
e-view
，z
e-view
)转换至地球直角坐标系p
laser
(x
q-laser
，y
q-laser
，z
q-laser
)；步骤4：结合步骤1和步骤3的结果，得到目标t在地球直角坐标系的位置:p
t
(x
q-t
，y
q-t
，z
q-t
)＝p
t
(x
q-eo
+x
q-laser
，y
q-eo
+y
q-laser
，z
q-eo
+z
q-laser
)。3.根据权利要求1所述用于光电吊舱的线位移补偿控制方法，其特征在于：所述步骤三中，地球直角坐标系为p
t
(x
q-t
，y
q-t
，z
q-t
)，地球大地坐标系为p
t
(lon
t
,lat
t
,h
t
)。4.一种权利要求1-4任一项所述用于光电吊舱的线位移补偿控制方法的控制系统，其特征在于：包括中控系统和光电吊舱；所述中控系统位于地面操控台，用于发出控制命令；所述光电吊舱搭载于飞机上；所述光电吊舱为四框架构型，包括伺服机构、角速率陀螺、稳定平台、传感器和控制器，通过伺服机构隔离风阻对内平台的扰动，传感器安装于稳定平台上，通过角速率陀螺保证稳定平台隔离机载的扰动，控制视轴相对惯性空间保持稳定，并且在控制命令的驱动下实现光电吊舱对目标的搜索、捕获、跟踪和定位；所述中控系统向光电吊舱的控制器发送装订目标的地理位置信息，并由控制器进行实
时自动装订、解算；传感器包括激光测距仪、组合导航系统和惯性测量单元，由激光测距仪对任务区域内目标进行激光测距，由组合导航系统反馈光电吊舱在地球大地坐标系下的位置及中心速度，由惯性测量单元反馈的航向角、俯仰角、横滚角信息；由控制器将稳定平台方位、俯仰轴惯性角速度补偿值与当前稳定平台惯性角速度作比较后反馈到伺服机构，驱动稳定平台转动，完成光电吊舱视轴线位移补偿功能，使视轴始终指向目标。5.根据权利要求4所述控制系统，其特征在于：所述光电吊舱包括主控计算机stm32f407片，能够在程序上控制实现惯性角速率补偿处理。6.一种控制系统，其特征在于，包括处理器、存储器和应用程序，其中所述应用程序被存储在所述存储器中并被配置为由所述处理器执行，所述应用程序配置用于执行如权利要求1-3任一项所述用于光电吊舱的线位移补偿控制方法。7.一种计算机可读取存储介质，其特征在于，所述计算机可读取存储介质中存储有程序代码，所述程序代码可被处理器调用执行如权利要求1-3任一项所述用于光电吊舱的线位移补偿控制方法。

技术总结
本发明一种用于光电吊舱的线位移补偿控制方法，属于自动控制领域；首先对目标进行激光测距,得到当前光电吊舱到目标T的距离Dis，再通过激光辅助定位算法计算出目标的地理坐标，并转化为地球大地坐标系，得到精确海拔高H


技术研发人员：昝宝亮 刘念 韩运峥 沈腾 杜明昊 雷宾宾 陈国强
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8