一种吊舱设备及测量方法

技术领域

发明属于吊舱技术领域，具体涉及一种吊舱设备及测量方法。

背景技术

吊舱设备一般挂载在飞行器上，采用吊舱设备对目标进行跟踪识别是吊舱设备的一个重要功能。在对目标进行跟踪时，需要先选定跟踪目标，而在飞行速度较大且长焦下选定跟踪目标则是吊舱设备的必备性能。为了便于跟踪机动目标，一般来说，需要跟踪功能易于操作，图像平稳。

现有的设备的目标定位解算模块软件运行在单片机上，实时接收各测量单元上传的数据，定时对接收到的传感器数据进行目标定位解算。该方法中，使用最新接收到的传感器数据进行求解，由于各传感器的开机时刻、上传数据周期、网络延时等各不相同，导致定位解算模块每个解算周期使用的不同传感器数据的时间跨度增加，引入了系统误差。

发明内容

发明的目的在于提供一种吊舱设备及测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，发明提供如下技术方案：一种吊舱设备，包括

姿态测量单元；

二轴稳定平台，包括两个相互垂直的方位旋转运动轴，且均通过伺服电机驱动；

光栅编码器，检测关节角度位置；

图像采集单元，用于采集视野图像，从图像中识别目标，测量目标相对图像采集单元光轴的偏移角度；

测距单元，用于测量目标距离吊舱的距离；

数据处理单元。

优选的是，所述二轴稳定平台包括俯仰旋转运动轴和方位旋转运动轴，所述方位旋转运动轴与导航模组均安装在减振器上。

上述任一方案中优选的是，所述姿态测量单元设置为导航模组，实时提供吊舱基座的空间位置和空间姿态。

上述任一方案中优选的是，所述图像采集单元设置为可见光摄像机。

上述任一方案中优选的是，所述数据处理单元包括通信模块、目标定位解算模块、定时器模块。

上述任一方案中优选的是，光栅编码器包括稳定平台光栅编码器A和稳定平台光栅编码器B，所述稳定平台光栅编码器A设置在方位旋转运动轴上，所述稳定平台光栅编码器B设置在方位旋转运动轴俯仰旋转运动轴上。

上述任一方案中优选的是，所述测距单元设置为激光测距仪。

一种吊舱设备的测量方法，包括以下步骤：

S1：设定吊舱设备探测、识别的目标类型；

S2：可见光摄像机按照预设轨迹扫描环境；

S3：当从可见光摄像机拍摄的图像和视频中识别到目标后，根据目标在图像中心的偏移量，控制二轴稳定平台运动，使得可见光摄像机的光轴始终指向目标；

S4：开启激光测距仪的测距功能；

S5：数据处理单元接收各传感器上传的数据，对异步上传的数据进行插值，得到若干组时刻同步的传感器测量数据；

S6：根据各组同步时刻的传感器数据求解目标的位置。

上述任一方案中优选的是，在步骤S5中，所述数据插值的步骤如下：

(1)定义变量记录接收到的传感器数据和对应的接收时刻，用数组SE[i]、t_SE[i]表示，其中i＝1,2，……；

(2)开启定时器模块中断，定义t[j],其中j＝1,2，……，表示定时器模块的中断时刻；

(3)以t[j]为时间基准，对数组SE[i]、t_SE[i]进行插值，用数组syn_SE[j]表示插值后得到的数据，具体的过程如下：

syn_SE[j]＝SE[i+bias]+(SE[i+bias+1]-SE[i+bias])*(t[j]-t_SE[i+bias])/(t_SE[i+bias+1]-t_SE[i+bias])，

式中，bias为一个新定义变量，其数据根据t[j]和t_SE[i]确定，满足t_SE[i+bias]＜t[j]≤t_SE[i+bias+1]；

(4)根据以上步骤，对其他传感器上传的数据进行时间插值，获得以t[j]为时间基准的传感器数据。

上述任一方案中优选的是，在步骤S6中，所述求解目标位置的步骤如下：

(1)导航模组检测吊舱安装基座的空间位置和姿态，即3个位移自由度和3个姿态自由度，分别用SE、SN、SU和Yaw、Pitch、Roll表示，直接求解出基座相对于大地的位置，用T_base表示基座相对大地的位姿，写成4×4矩阵形式，则有

T_base＝rot(z,Yaw)*rot(y,Pitch)*rot(x,Roll)*trans(SE,SN,SU)，

式中：

(2)稳定平台光栅编码器A、稳定平台光栅编码器B检测稳定平台的方位和俯仰旋转角度，分别用qA和qB表示，用A_plat_in_base表示稳定平台相对基座的位姿，用T_plat表示稳定平台相对大地的位姿，均写成4×4矩阵形式，则有

A_plat_in_base＝rot(z,qA)*rot(y,qB)，

T_plat＝T_base*A_plat_in_base，

式中：

(3)用A_camera_in_plat表示摄像机坐标系相对稳定平台的位姿，用T_camera表示摄像机坐标系相对大地的位姿，写成4×4矩阵形式，则有

T_camera＝T_plat*A_camera_in_plat＝T_base*A_plat_in_base*A_camera_in_plat

(4)当探测到目标、并对目标进行测距时，稳定平台将启动跟踪功能，使得目标的成像始终位于摄像机图像的中心位置，用L表示激光测距仪测量的目标距离，用A_target_in_camera表示目标相对于摄像机坐标系的位姿，用T_target表示目标相对大地的位姿，写成4×4矩阵形式，则有

A_target_in_camera＝trans(0,0,L)，

T_target＝＝T_base*A_plat_in_base*A_camera_in_plat*A_target_in_camera，

式中，

发明的技术效果和优点：(1)本发明不增加硬件成本；

(2)不改变现有传感器内部程序、不需要对通用传感器提出定制化需求；

(3)在多传感器测量的方案，通过软件、算法提高数据同步性，提高目标位置测量的精度。

附图说明

图1为发明的结构示意图；

图2为发明的坐标系传递关系图；

图3为发明的工作流程图。

图中：1、导航模组；2、方位旋转运动轴；3、激光测距仪；4、可见光摄像机；5、俯仰旋转运动轴；6、减振器。

具体实施方式

下面结合附图对发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解发明，但并不构成对发明的限定。此外，下面所描述的发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在发明的描述中，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”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。

发明提供了如图1-3所示的一种吊舱设备挂载在飞机上，用于探测、识别目标，其测量系统由姿态测量单元、二轴稳定平台、图像采集单元、测距单元组成，其中，姿态测量单元为六轴导航模组，实时提供吊舱基座的空间位置和空间姿态；二轴稳定平台由两个相互垂直的方位旋转运动轴组成，用于驱动图像采集单元、测距单元定向，均由高精度伺服电机驱动，二轴稳定平台包括俯仰旋转运动轴5和方位旋转运动轴2，方位旋转运动轴2与导航模组1均安装在减振器6上，关节角度位置均由光栅编码器检测，光栅编码器包括稳定平台光栅编码器A和稳定平台光栅编码器B，稳定平台光栅编码器A设置在方位旋转运动轴2上，稳定平台光栅编码器B设置在方位旋转运动轴俯仰旋转运动轴5上；图像采集单元为可见光摄像机4，用于采集视野图像，从图像中识别目标，测量目标相对图像采集单元光轴的偏移角度；测距单元为激光测距仪3，用于测量目标距离吊舱的距离。

数据处理单元包括通信模块、目标定位解算模块、定时器模块。

包括测量单元硬件和数据处理单元软件，测量单元采用的硬件包括：导航模组1，设置为六轴导航模组、稳定平台光栅编码器A、稳定平台光栅编码器B、可见光摄像机4和激光测距仪3；数据处理单元的软件主要包括通信模块、目标定位解算模块、定时器模块，以及业务处理模块。各传感器开机后即周期性上传其检测数据；单片机采用中断的方式接收各传感器上传的数据，在中断中记录接收数据的时刻；启动单片机中的定时器模块，在定时器中对各传感器上传的数据进行插值，计算定时器发生时刻的传感器数值，将通过插值计算得到的传感器数据代入目标定位解算模块中求解，得到目标的位置；进一步，将目标位置进行数据滤波等操作，提高目标位置测量的精度和重复性。

下面详细描述该方案，假设吊舱设备已上电开机，具体的工作原理描述如下：

(1)工作过程；

a)设定吊舱探测、识别的目标类型；

b)可见光摄像机按照预设轨迹扫描环境；

c)当从可见光摄像机拍摄的图像和视频中识别到目标后，根据目标在图像中心的偏移量，控制稳定平台运动，使得可见光摄像机的光轴始终指向目标；

d)开启激光测距仪的测距功能；

e)数据处理单元接收各传感器上传的数据，对异步上传的数据进行插值，得到若干组时刻同步的传感器测量数据；

f)根据各组同步时刻的传感器数据求解目标的位置。

(2)目标位置解算：传感器包括：导航模组、稳定平台光栅编码器A、稳定平台光栅编码器B、可见光摄像机和激光测距仪，各传感器周期性上传测量数据，建立各测量传感器之间的空间坐标传递关系，如图2坐标系传递关系图所示，包括：飞机坐标系、基座坐标系、稳定平台坐标系、摄像机坐标系，各传感器和目标位置的数据求解方法如下：

导航模组(1)检测吊舱安装基座的空间位置和姿态，即3个位移自由度和3个姿态自由度，分别用SE、SN、SU和Yaw、Pitch、Roll表示，可直接求解出基座相对于大地的位置，用T_base表示基座相对大地的位姿，写成4×4矩阵形式，则有

T_base＝rot(z,Yaw)*rot(y,Pitch)*rot(x,Roll)*trans(SE,SN,SU)

式中：

稳定平台光栅编码器A(2)、稳定平台光栅编码器B(5)检测稳定平台的方位和俯仰旋转角度，分别用qA和qB表示，用A_plat_in_base表示稳定平台相对基座的位姿，用T_plat表示稳定平台相对大地的位姿，均写成4×4矩阵形式，则有

A_plat_in_base＝rot(z,qA)*rot(y,qB)

T_plat＝T_base*A_plat_in_base

式中：

摄像机是固定在稳定平台的俯仰旋转轴上的，用A_camera_in_plat表示摄像机坐标系相对稳定平台的位姿，用T_camera表示摄像机坐标系相对大地的位姿，根据图2建立的坐标系关系，写成4×4矩阵形式，则有

T_camera＝T_plat*A_camera_in_plat＝T_base*A_plat_in_base*A_camera_in_plat

当探测到目标、并对目标进行测距时，稳定平台将启动跟踪功能，使得目标的成像始终位于摄像机图像的中心位置，根据图2建立的坐标系，用L表示激光测距仪测量的目标距离，用A_target_in_camera表示目标相对于摄像机坐标系的位姿，用T_target表示目标相对大地的位姿，写成4×4矩阵形式，则有

A_target_in_camera＝trans(0,0,L)

T_target＝T_base*A_plat_in_base*A_camera_in_plat*A_target_in_camera

式中，

(3)传感器数据插值。数据处理单元记录接收到传感器数据的时刻，以导航模组中SE状态量为例，介绍处理过程。

a)定义变量记录接收到的传感器数据和对应的接收时刻，用数组SE[i]、t_SE[i]表示，其中i＝1,2，……；

b)开启定时器模块中断，定义t[j],其中j＝1,2，……，表示定时器模块的中断时刻；

c)以t[j]为时间基准，对数组SE[i]、t_SE[i]进行插值，用数组syn_SE[j]表示插值后得到的数据，具体的过程如下：

syn_SE[j]＝SE[i+bias]+(SE[i+bias+1]-SE[i+bias])*(t[j]-t_SE[i+bias])/(t_SE[i+bias+1]-t_SE[i+bias])

式中，bias为一个新定义变量，其数据根据t[j]和t_SE[i]确定，满足t_SE[i+bias]＜t[j]≤t_SE[i+bias+1]。

d)根据上一步骤，对其他传感器上传的数据进行时间插值，获得以t[j]为时间基准的传感器数据。

尽管上面已经示出和描述了发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对发明的限制，本领域的普通技术人员在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。