一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統的制作方法
【專利摘要】一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，包括兩軸吊艙結構系統、測控單元、傳輸系統和地面監控站，兩軸吊艙結構系統由基板、方位框和俯仰框構成，承載高精度自動駕駛儀和遙感載荷；測控單元由高精度自動駕駛儀、碼盤、俯仰電機和驅動板、方位電機和驅動板構成，實現遙感載荷視軸地理坐標下的測量和控制；傳輸系統由數傳電臺和圖傳電臺構成，實現兩軸吊艙系統數據和遙感載荷圖像的實時傳送；地面監控站由數傳接收機、圖傳接收機和地面顯示終端構成，實時顯示兩軸吊艙系統遙感載荷地理坐標系下的角度信息，并根據任務需求向兩軸吊艙系統發送控制指令；本發明基于遙感載荷視軸在地理坐標下的指向信息進行直接控制，保證了兩軸吊艙系統多擾環境下的控制精度，且成本低、應用方便，具有重要的工程價值。
【專利說明】
一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，可用于多類無人機、 有人機進行高分辨率遙感拍攝，特別適用于具有大范圍多目標巡視需求的電力巡線、國土 資源測繪。
【背景技術】
[0002] 兩軸吊艙系統具有尺寸小、成本低、機動靈活等優點，可以隔離運動載體非理想姿 態干擾對載荷視軸的影響，實現對地面物體進行精確定位拍攝功能，在軍用、民用及科研方 面應用前景非常廣泛。
[0003] 高分辨率遙感載荷在進行航攝時要求運動載體做勻速、穩定的理想運動，以使獲 得的圖像能夠滿足數據處理中對相鄰時刻兩幅圖像間覆蓋重疊度的要求。運動載體在實際 執行任務過程中因受到自身振動和隨機風場干擾影響，容易形成復雜多模式的非理想運 動，進而導致運動成像發生模糊、散焦、變形、像素混疊而出現嚴重降質。此外，高分辨率遙 感載荷屬于遠距離拍攝，基于映射原理，遙感載荷視軸指向角的微小誤差將導致其無法獲 得指定區域的圖像信息，使相鄰采樣時刻兩幅圖像之間的像素覆蓋部分減少，影響后期處 理效果。因此，飛行載體的非理想運動將導致成像質量退化。
[0004] 兩軸吊艙系統安裝在運動載體上，隔離運動載體的非理想運動對遙感載荷的影 響，提高運動過程中遙感載荷視軸的穩定精度和指向精度，從而提高遙感載荷的成像質量， 即增大遙感作業時相鄰時刻兩幅圖像之間的像素重疊率和提高系統的工作效率。
[0005] 目前發展比較成熟的兩軸吊艙系統，以安裝在俯仰和方位框架的碼盤信息為外環 角度信息，陀螺測量信息為內環角速度信息進行遙感載荷視軸姿態調整，但由于飛行載體 的位置和姿態的時變特性，遙感載荷視軸地理坐標下指向精度不能精確獲得，很難按照預 定規劃角度進行控制；另外一種相對高端的具有視覺跟蹤功能的兩軸吊艙系統，以載荷圖 像的像素差作為外環角度信息，陀螺測量信息為內環角速度信息進行遙感載荷視軸姿態調 整，但這種跟蹤拍攝模式，需要通過人工初始獲得地面拍攝物體信息后，才能連續控制使拍 攝物體位于圖像中央，在工作過程中需人工時刻干預，不利于進行大范圍多目標的全自主 跟蹤控制。
【發明內容】
[0006] 本發明的技術解決問題是：克服現有兩軸吊艙平臺系統的不足，提出一種基于地 理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，通過安裝與遙感載荷視軸平行的自動駕駛儀，實時獲 得遙感載荷視軸地理坐標下的測量信息并進行控制，實現復雜多擾環境下的全自主跟蹤控 制。
[0007] 本發明的技術解決方案是：一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，包括 兩軸吊艙結構系統（1)、測控單元(2)、傳輸系統(3)和地面監控站(4)，其中：
[0008] 兩軸吊艙結構系統（1)由基板(11)、方位框(12)和俯仰框(13)構成，基板(11)作為 兩軸吊艙系統與運動載體的過渡環節，通過減震器固連于兩軸吊艙系統和運動載體之間， 隔離運動載體的非理想高頻運動干擾;方位框（12)作為兩軸吊艙系統的最外環，承載俯仰 框系統，實現兩軸吊艙系統方位方向的旋轉，進而影響遙感載荷視軸在地理坐標系下方位 方向的偏轉;俯仰框(13)作為兩軸吊艙系統的最內環，承載高精度自動駕駛儀和遙感載荷， 實現兩軸吊艙系統俯仰方向的旋轉，進而影響遙感載荷視軸在地理坐標系下俯仰方向的偏 轉；
[0009] 測控單元(2)作為兩軸吊艙系統的核心，具有測量和控制功能，由高精度自動駕駛 儀(21 )、碼盤(22 )、俯仰電機驅動板和電機(23 )、方位電機驅動板和電機(24)構成，高精度 自動駕駛儀(21)提供安裝平面地理坐標下的角度信息，碼盤(22)分別安裝在俯仰框架和方 位框架旋轉軸上，提供框架間的相對角度信息，俯仰電機驅動板和電機(23)接收高精度自 動駕駛儀(21)產生的PWM信號，驅動俯仰框電機進行轉動，方位電機驅動板和電機(24)接收 高精度自動駕駛儀(21)產生的PWM信號，驅動方位框電機進行轉動，測量功能通過高精度自 動駕駛儀(21)和碼盤(22)實現，提供遙感載荷視軸在地理坐標系下的指向精度和框架運動 角度，控制功能通過高精度自動駕駛儀(21)、俯仰電機驅動板和電機(23)和方位電機驅動 板和電機(24)實現，基于映射關系構建地理坐標系的兩軸吊艙慣性穩定平臺動力學方程， 產生相應的框架運動調整遙感載荷視軸地理坐標系的指向，實現多擾環境下遙感載荷視軸 控制；
[0010] 傳輸系統（3)由數傳電臺（31)和圖傳電臺（32)構成，數傳電臺（31)將載荷視軸在 地理坐標系下的俯仰和方位的角度和角速度、俯仰框和方位框碼盤的角度實時回傳到地面 控制終端，圖傳電臺（32)將載荷圖像信息實時回傳到地面控制終端；
[0011] 地面監控站(4)由數傳接收機(41 )、圖傳接收機(42)和地面顯示終端(43)構成，數 傳接收機(41)接收數傳電臺（31)回傳的載荷視軸在地理坐標系下的角度和角速度、俯仰框 和方位框碼盤的角度，并通過串口發送到地面顯示終端(43)，圖傳接收機(42)接收圖傳電 臺（32)回傳的遙感載荷圖像信息，并通過串口發送到地面顯示終端（43)，地面顯示終端 (43)接收數傳電臺和圖傳電臺的信息進行實時顯示，并根據任務需求向兩軸吊艙系統發送 控制指令；
[0012]本發明的一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，所述的測控單元(2)的 測量功能通過高精度自動駕駛儀(21)和碼盤(22)實現，不需要陀螺和加速度計傳感器，通 過在兩軸吊艙的俯仰框設計平面工裝，將高精度自動駕駛儀(21)和遙感載荷固定于同一基 準面，測量軸系相互平行，從而高精度自動駕駛儀(21)可以提供遙感載荷視軸在地理坐標 系的指向角度，即俯仰框在地理坐標下的俯仰角和方位角，對遙感載荷視軸在地理坐標系 的偏差提供絕對基準，俯仰框和方位框相對于地理系的角速度數據通過高精度自動駕駛儀 (21)和碼盤計算得到；
[0013]本發明的一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，所述的測控單元(2)的 基于映射關系構建地理坐標系的兩軸吊艙慣性穩定平臺動力學方程如下
[0017]
[0018] 其中，^和％分別為遙感載荷視軸在地理坐標下的俯仰角和方位角，通過高精 度自動駕駛儀測量得到，表示俯仰框相對地理系的x，y，z方向的角速率， ML、<".、表示方位框相對地理系的x，y，z方向的角速率，通過高精度自動駕駛儀和 碼盤計算得到，為運動載體的角速度信息，由運動載體提供，J PX，JPy，JPZ表示俯仰框x，y， z方向的轉動慣量，Jax，Jay，Jaz表示方位框x，y，z方向的轉動慣量;0 P表示俯仰框相對方位框 的轉角，由碼盤測量得到，Jm表示電機的轉動慣量，Jl = Jpx+N2Jm，j3 = Jaz+N2Jm+JpzCOS20p，N表 示電機傳動比，表示反電動勢常數，Kt表示電機力矩系數;Rm表示電機電阻，Lm表示電機電 感，Up, Ua分別表不俯仰和方位框電機輸入電壓，Tdm表不電機干擾力矩，Tda表不作用到方位 框架上的干擾力矩；
[0019]兩軸吊艙慣性穩定平臺動力學輸入為俯仰框架和方位框架的電機輸入電壓，輸出 為遙感載荷視軸在地理坐標系的俯仰和方位角度和角速度變化量，從而基于遙感載荷期望 角度與實際測量角度的誤差值，通過PID控制方法產生俯仰框和方位框的驅動命令，在線調 整俯仰框和方位框實現遙感載荷視軸的調整。
[0020] 本發明的原理是:通過安裝在兩軸吊艙系統俯仰框的高精度自動駕駛儀，實時獲 得遙感載荷視軸在地理坐標系下的俯仰和方位的絕對角度，通過框架映射關系建立基于地 理坐標系的兩軸吊艙慣性穩定平臺動力學方程，以俯仰框和方位框的電機電壓為輸入，遙 感載荷視軸地理坐標系下的俯仰和方位角度為被控對象，實時調控兩軸吊艙慣性穩定平臺 地理坐標系下視軸指向，實現全自主控制。
[0021] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0022] (1)本發明提出的基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，直接以遙感載荷視 軸在地理坐標系下的俯仰和方位的絕對角度為被控對象，有效隔離飛行載體非理想姿態干 擾對視軸的影響，控制精度高，抗干擾能力強；
[0023] (2)本發明提出的基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙穩定平臺，通過安裝在兩 軸吊艙俯仰框的高精度自動駕駛儀，實時獲得遙感載荷視軸在地理坐標系下的位置信息， 基于目標對象與遙感載荷視軸的絕對位置信息，可以全自主的實時規劃遙感載荷視軸的調 節角度，在大范圍多目標跟蹤過程中無需人工參與，智能性強。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的結構組成框圖；
[0025] 圖2為本發明的俯仰方向控制精度圖；
[0026] 圖3為本發明的方位方向控制精度圖；
【具體實施方式】
[0027] 如圖1所示，本發明主要包括兩軸吊艙結構系統（1)、測控單元(2)、傳輸系統(3)和 地面監控站(4)，測控單元(2)和傳輸系統(3)安裝與兩軸吊艙結構系統（1)上；
[0028] 兩軸吊艙結構系統（1)由基板(11)、方位框(12)和俯仰框(13)構成，基板(11)作為 兩軸吊艙系統與運動載體的過渡環節，通過減震器固連于兩軸吊艙系統和運動載體之間， 隔離運動載體的非理想高頻運動干擾，方位框（12)作為兩軸吊艙系統的最外環，承載俯仰 框系統，實現兩軸吊艙系統方位方向的旋轉，進而影響遙感載荷視軸在地理坐標系下方位 方向的偏轉，俯仰框(13)作為兩軸吊艙的最內環，承載高精度自動駕駛儀和遙感載荷，實現 兩軸吊艙系統俯仰方向的旋轉，進而影響遙感載荷視軸在地理坐標系下俯仰方向的偏轉；
[0029] 測控單元(2)由高精度自動駕駛儀(21)、碼盤(22)、俯仰電機驅動板(23)和方位電 機驅動板(24)構成，高精度自動駕駛儀(21)由慣性自動駕駛儀（IMU)、全球定位系統(GPS) 接收機、磁羅盤、氣壓高度計、控制板構成，慣性自動駕駛儀(IMU)提供姿態信息，全球定位 系統(GPS)提供位置信息，磁羅盤提供航向信息，氣壓高度計提供高度信息，控制板負責采 集傳感器提供的測量信息，并通過捷聯解算和卡爾曼濾波實時獲得高精度自動駕駛儀(21) 所在安裝平面的地理坐標下的位置、姿態、角速度信息，碼盤(22)分別安裝在俯仰框架和方 位框架旋轉軸上，提供框架間的相對角度信息，測量功能通過高精度自動駕駛儀(21)和碼 盤(22)實現，不需要陀螺和加速度計傳感器，通過在兩軸吊艙的俯仰框設計平面工裝，將高 精度自動駕駛儀(21)和遙感載荷固定于同一基準面，測量軸系相互平行，從而高精度自動 駕駛儀可以提供遙感載荷視軸在地理坐標系的指向角度，對遙感載荷視軸在地理坐標系的 偏差提供絕對基準，俯仰框和方位框相對于地理系的角速度數據通過高精度自動駕駛儀和 碼盤計算得到；
[0030] 俯仰電機驅動板和電機(23)接收高精度自動駕駛儀(21)產生的PWM信號，驅動俯 仰框電機進行轉動，方位電機驅動板和電機(24)接收高精度自動駕駛儀(21)產生的PWM信 號，驅動方位框電機進行轉動；
[0031]控制功能基于地理坐標系的兩軸吊艙慣性穩定平臺動力學方程如下
[0036]其中，巧^和巧^分別為遙感載荷視軸在地理坐標下的俯仰角和方位角，通過高精 度自動駕駛儀測量得到，表示俯仰框相對地理系的x，y，z方向的角速率， <,、、》1,.、表示方位框相對地理系的x，y，z方向的角速率，通過高精度自動駕駛儀和 碼盤計算得到，為運動載體的角速度信息，由運動載體提供，J PX，JPy，JPZ表示俯仰框x，y， Z方向的轉動慣量，Jax，Jay，Jaz表示方位框x，y，z方向的轉動慣量;0p表示俯仰框相對方位框 的轉角，由碼盤測量得到，Jm表示電機的轉動慣量，Jl = Jpx+N2Jm，j3 = Jaz+N2Jm+JpzCOS20p，N表 示電機傳動比，表示反電動勢常數，Kt表示電機力矩系數;Rm表示電機電阻，Lm表示電機電 感，Up, Ua分別表不俯仰和方位框電機輸入電壓，Tdm表不電機干擾力矩，Tda表不作用到方位 框架上的干擾力矩；
[0037] 兩軸吊艙慣性穩定平臺動力學輸入為俯仰框架和方位框架的電機輸入電壓，輸出 為遙感載荷視軸在地理坐標系的俯仰和方位角速度變化量，從而基于遙感載荷期望角度與 實際測量角度的誤差值，通過PID控制方法產生俯仰框和方位框的驅動命令PWM信號，俯仰 電機驅動板(23)接收高精度自動駕駛儀(21)產生的PWM信號，從而進一步驅動俯仰框電機 進行運動;方位電機驅動板(24)接收高精度自動駕駛儀(21)產生的PWM信號，從而驅動方位 框電機進行運動，通過框架的轉動在線調整俯仰框和方位框實現遙感載荷視軸的調整；
[0038] 傳輸系統(3)由數傳電臺（31)和圖傳電臺（32)構成，數傳電臺（31)由5V直流供電， 載波頻率為900MHz，將載荷視軸在俯仰和方位的角度、俯仰和碼盤的角度實時回傳到地面 控制終端；圖傳電臺（32)由12V直流供電，載波頻率為1.2GHz，將載荷圖像信息實時回傳到 地面控制終端；
[0039] 地面監控站(4)由數傳接收機(41)、圖傳接收機(42)和地面顯示終端(43)構成，數 傳接收機(41)接收數傳電臺（31)回傳的載荷視軸在俯仰和方位的角度、角速度和碼盤的角 度，并通過串口發送到地面顯示終端(43)，圖傳電臺（42)接收圖傳電臺（32)回傳的遙感載 荷圖像信息，并通過串口發送到地面顯示終端(43)，地面顯示終端(43)接收數傳電臺和圖 傳電臺的信息進行實時顯示，并根據任務需求向兩軸吊艙系統發送控制指令。
[0040] 為驗證基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統控制性能，進行了相應的飛行測 試，通過高精度自動駕駛儀的輸出數據與期望角度之間的關系來評估系統的性能，某次實 驗的飛行結果如圖2、圖3所示。
[0041 ]基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統在地理坐標系下實現了穩定的控制，俯 仰方向的標準差是0.021度，調節時間為1.1秒，方位方向的標準差是0.018，調節時間為0.4 秒。
[0042]本發明基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統克服了現有兩軸吊艙系統地不 足，有效的隔離飛行載體非理想姿態干擾對視軸的影響，實現遙感載荷視軸在地理坐標系 下的俯仰和方位的高精度控制。
[0043]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
【主權項】
1. 一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，其特征在于包括:兩軸吊艙結構系 統（1)、測控單元(2)、傳輸系統(3)和地面監控站(4)，其中： 兩軸吊艙結構系統（1)由基板（11)、方位框（12)和俯仰框(13)構成，基板(11)作為兩軸 吊艙系統與運動載體的過渡環節，通過減震器固連于兩軸吊艙系統和運動載體之間，隔離 運動載體的非理想高頻運動干擾;方位框（12)作為兩軸吊艙系統的最外環，承載俯仰框系 統，實現兩軸吊艙系統方位方向的旋轉，進而影響遙感載荷視軸在地理坐標系下方位方向 的偏轉;俯仰框(13)作為兩軸吊艙系統的最內環，承載高精度自動駕駛儀和遙感載荷，實現 兩軸吊艙系統俯仰方向的旋轉，進而影響遙感載荷視軸在地理坐標系下俯仰方向的偏轉； 測控單元（2)作為兩軸吊艙系統的核心，具有測量和控制功能，由高精度自動駕駛儀 (21 )、碼盤(22 )、俯仰電機驅動板和電機(23 )、方位電機驅動板和電機(24)構成，高精度自 動駕駛儀(21)提供安裝平面地理坐標下的角度信息，碼盤(22)分別安裝在俯仰框架和方位 框架旋轉軸上，提供框架間的相對角度信息，俯仰電機驅動板和電機(23)接收高精度自動 駕駛儀(21)產生的PffM信號，驅動俯仰框電機進行轉動，方位電機驅動板和電機(24)接收高 精度自動駕駛儀(21)產生的PffM信號，驅動方位框電機進行轉動，測量功能通過高精度自動 駕駛儀(21)和碼盤(22)實現，提供遙感載荷視軸在地理坐標系下的指向精度和框架運動角 度，控制功能通過高精度自動駕駛儀(21)、俯仰電機驅動板和電機(23)和方位電機驅動板 和電機(24)實現，基于映射關系構建地理坐標系的兩軸吊艙慣性穩定平臺動力學方程，產 生相應的框架運動調整遙感載荷視軸地理坐標系的指向，實現多擾環境下遙感載荷視軸控 制； 傳輸系統(3)由數傳電臺（31)和圖傳電臺（32)構成，數傳電臺（31)將載荷視軸在地理 坐標系下的俯仰和方位的角度和角速度、俯仰框和方位框碼盤的角度實時回傳到地面控制 終端，圖傳電臺（32)將載荷圖像信息實時回傳到地面控制終端； 地面監控站(4)由數傳接收機(41 )、圖傳接收機(42)和地面顯示終端(43)構成，數傳接 收機(41)接收數傳電臺（31)回傳的載荷視軸在地理坐標系下的角度和角速度、俯仰框和方 位框碼盤的角度，并通過串口發送到地面顯示終端（43)，圖傳接收機(42)接收圖傳電臺 (32)回傳的遙感載荷圖像信息，并通過串口發送到地面顯示終端(43)，地面顯示終端(43) 接收數傳電臺和圖傳電臺的信息進行實時顯示，并根據任務需求向兩軸吊艙系統發送控制 指令。2. 根據權利要求1所述的一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，其特征在于： 所述的測控單元(2)的測量功能通過高精度自動駕駛儀(21)和碼盤(22)實現，不需要陀螺 和加速度計傳感器，通過在兩軸吊艙的俯仰框設計平面工裝，將高精度自動駕駛儀(21)和 遙感載荷固定于同一基準面，測量軸系相互平行，從而高精度自動駕駛儀(21)可以提供遙 感載荷視軸在地理坐標系的指向角度，即俯仰框在地理坐標下的俯仰角和方位角，對遙感 載荷視軸在地理坐標系的偏差提供絕對基準，俯仰框和方位框相對于地理系的角速度數據 通過高精度自動駕駛儀(21)和碼盤計算得到。3. 根據權利要求1所述的一種基于地理坐標系指向控制的兩軸吊艙系統，其特征在于： 所述的測控單元(2)的基于映射關系構建地理坐標系的兩軸吊艙慣性穩定平臺動力學方程 如下其中，％"和馬^.分別為遙感載荷視軸在地理坐標下的俯仰角和方位角，通過高精度自動 駕駛儀測量得到，《;、<n.、表示俯仰框相對地理系的x，y，z方向的角速率，變示方位框相對地理系的X，y，Z方向的角速率，通過高精度自動駕駛儀和 碼盤計算得到，為運動載體的角速度信息，由運動載體提供，J px，Jpy，Jpz表示俯仰框X，y， Z方向的轉動慣量，Jax，Jay，Jaz表示方位框X，y，Z方向的轉動慣量;θρ表示俯仰框相對方位框 的轉角，由碼盤測量得到，Jm表示電機的轉動慣量，11 = ]^+的111，13 = ]32+的111+]^〇8201^表 示電機傳動比，K e3表示反電動勢常數，Kt表示電機力矩系數;Rm表示電機電阻，Lm表示電機電 感，Up ,Ua分別表不俯仰和方位框電機輸入電壓，Tdm表不電機干擾力矩，Tda表不作用到方位 框架上的干擾力矩； 兩軸吊艙慣性穩定平臺動力學輸入為俯仰框架和方位框架的電機輸入電壓，輸出為遙 感載荷視軸在地理坐標系的俯仰和方位角度和角速度變化量，從而基于遙感載荷期望角度 與實際測量角度的誤差值，通過PID控制方法產生俯仰框和方位框的驅動命令，在線調整俯 仰框和方位框實現遙感載荷視軸的調整。
【文檔編號】B64D47/08GK106005455SQ201610645212
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月8日
【發明人】李志毅
【申請人】北京宇鷹科技有限公司