CN110220491A - 一种无人机的光学吊舱安装误差角估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，包括以下步骤：无人机在飞行过程中，使用光学吊舱锁定已知精确坐标的固定目标，建立以无人机坐标、无人机姿态角、光学吊舱指向角和激光测距值为已知参数的光学吊舱安装误差角解算数学模型，通过多元牛顿方法估算光学吊舱的安装误差角，并以光学吊舱的安装误差角为已知参数进行目标定位。本发明可准确估算出光学吊舱的安装误差角，提高了无人机光学吊舱的目标定位精度，可在同一个飞行架次里，实现光学吊舱的安装误差标定和目标精确定位，简化了无人机光学吊舱的安装工序，提高了无人机的快速响应能力。

Description

一种无人机的光学吊舱安装误差角估算方法

技术领域

本发明涉及一种无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，适用于具有激光测距功能的无人机光学吊舱，属于无人机技术中光电设备目标定位技术领域。

背景技术

现阶段国内外无人机的光学吊舱，均能够提供目标定位能力。按照目标定位的基本原理不同，分为基于图像的无源定位和基于激光测距的有源定位；按照目标定位的延时不同，分为实时定位和非实时定位。在大部分无人机光学吊舱目标定位方法中，光学吊舱的安装误差对定位精度有很大的影响。尤其对于实时目标定位方法，该方法的数学计算模型中的参数包括光学吊舱的位置坐标、姿态角、指向角和距离信息、以及光学吊舱的安装误差角，通常光学吊舱的位置坐标和姿态角由无人机航姿***的惯组部分提供，此时光学吊舱安装误差角指光学吊舱的安装平面与无人机航姿***之间的角度偏差。由光学吊舱安装误差引起的光学吊舱指向误差，直接影响目标定位的精度，且随着定位距离的增加，光学吊舱安装误差角的影响将线性增大。因此，为了使光学吊舱的目标定位功能具有较高的精度，又尽可能提高目标定位速度，需要对无人机光学吊舱进行精确的安装误差校正，或者能够精确测量出光学吊舱的安装误差角。

对于无人机而言，光学吊舱通常挂载于机身下方，航姿***的惯组部分安装于机身内部。受制于无人机生产的工艺水平，光学吊舱和无人机惯组在安装后，均存在不同程度的安装误差。然而，在光学吊舱和惯组安装时，若将它们的零位方向与机体轴向校正一致，难度大，耗时长。因此，在结合无人机实际需求下，需要研究一种能够精确测量出光学吊舱安装误差角的方法，使其既能满足无人机光学吊舱目标定位的精度要求和速度要求，又可简化光学吊舱的安装工序。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种估算光学吊舱安装误差角的方法，从而提高光学吊舱目标定位的精度，简化光学吊舱的安装工序。该方法在无人机安装完光学吊舱后，可在同一个飞行架次里，实现光学吊舱的安装误差标定和目标精确定位，简化了无人机光学吊舱的安装工序，提高了无人机的快速响应能力。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，包括以下步骤：

(1)选择一光学吊舱能够在无人机飞行过程中稳定锁定的目标点T，并预先采集该目标点的坐标(J_t',W_t',H_t')；

(2)无人机飞行过程中，光学吊舱稳定锁定目标点T后，进行激光测距；

(3)记录激光测距时刻光学吊舱的方位角、俯仰角和激光测距值，记录激光测距时刻无人机的坐标和姿态角；

(4)建立无人机目标定位数学模型；

(5)基于无人机目标定位数学模型建立光学吊舱安装误差角解算数学模型；

(6)根据多元牛顿方法迭代求解获得安装误差角。

优选的，所述步骤(1)中，目标大小为5m*5m～8m*8m，目标点的坐标(J_t',W_t',H_t')的采集精度在10米内。

优选的，步骤(2)中无人机的飞行高度和斜距满足光学吊舱能够稳定锁定目标时，光学吊舱开始进行激光测距。

优选的，所述步骤(4)建立目标定位数学模型，具体为：

其中，rⁿ为目标点T在无人机地理坐标系下的坐标表示；r^p为目标点T在光学吊舱直角坐标系下的坐标表示；为无人机平台直角坐标系到光学吊舱平台直角坐标系的转换矩阵，由光学吊舱的方位安装误差角ε_α、俯仰安装误差角ε_β和滚转安装误差角ε_γ表示；为无人机地理坐标系到无人机平台直角坐标系的转换矩阵，由无人机的偏航角Ψ、俯仰角θ和滚转角γ表示；R为地球半径；光学吊舱的方位角为A，俯仰角为E，激光测距值为S，无人机的偏航角为Ψ，俯仰角为θ，滚转角为γ，无人机实时输出的地球球面坐标系下的坐标为(J_p,W_p,H_p)，J_p为无人机经度，W_p为无人机纬度，H_p为无人机高度。

优选的，具体为：

优选的，具体为：

优选的，所述步骤(5)基于无人机目标定位数学模型建立光学吊舱安装误差角解算数学模型，具体为：

令将目标定位数学模型改写为

令x＝(ε_α,ε_β,ε_γ)，F(x)＝F(ε_α,ε_β,ε_γ)＝(f₁,f₂,f₃)，其中f₁,f₂,f₃为上述三元非线性方程组中的三个表达式，则光学吊舱安装误差角解算数学模型的公式为：

其中s为DF(x_k)s＝-F(x_k)的解。

优选的，所述步骤(6)根据多元牛顿方法迭代求解获得安装误差角步骤为：

(1)无人机锁定目标后提供N组数据；包括光学吊舱的方位角、俯仰角和激光测距值，无人机的坐标和姿态角；以x₀＝(0,0,0)作为第一组迭代计算的初始向量，使用目标点T的精确坐标(J_t',W_t',H_t')作为目标坐标(J_t,W_t,H_t)，令n＝1；

(2)获取第n组数据，按照光学吊舱安装误差角解算数学模型迭代计算k次，获得结果x_nk；

(3)判断是否完成所有组数据的计算，如果完成则输出结果x_Nk作为光学吊舱安装误差角；如果未完成则将x_nk作为第n+1轮迭代计算的初始向量，将n+1后返回步骤(2)。

优选的，还包括步骤(7)将步骤(6)计算获得的安装误差角x_Nk，替换所述目标定位数学模型中光学吊舱的方位安装误差角ε_α、俯仰安装误差角ε_β和滚转安装误差角ε_γ，获得该光学吊舱无人机平台直角坐标系到光学吊舱平台直角坐标系的转换矩阵光学吊舱基于所述目标定位数学模型进行目标坐标解算。

优选的，还包括步骤(7)将步骤(6)计算获得的安装误差角x_Nk，包括光学吊舱的方位安装误差角ε_α、俯仰安装误差角ε_β和滚转安装误差角ε_γ，加载至光学吊舱实际目标定位数学模型中进行目标坐标解算。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明可以准确估算出无人机光学吊舱的安装误差角，以此安装误差角代入光学吊舱目标定位数学模型中，计算目标坐标，可大大提高无人机光学吊舱目标定位精度。

(2)本发明可以在一次飞行内估算出光学吊舱的安装误差角，不用在飞机制造、设备安装过程中预先测量，降低了对飞机结构制造和设备安装的工艺要求。

(3)可在同一个飞行架次里，实现光学吊舱的安装误差标定和目标精确定位，简化了无人机光学吊舱的安装工序，提高了无人机的快速响应能力。

(4)本发明可以将估算出的安装误差角以参数形式直接在线对光学吊舱目标定位数学模型进行修正，修正过后的光学吊舱可直接进行目标定位，提高了无人机的任务响应能力。

(5)本发明通过多元牛顿方法，通过迭代计算获取光学吊舱的准确安装误差角，基于准确安装误差角进行修正，可在目标定位过程中剔除安装误差角带来的影响，提高了目标定位精度量级。

附图说明

图1为本发明的目标在无人机地理坐标系下的表示的示意图；

图2为本发明的目标在光学吊舱平台直角坐标系下的表示的示意图；

图3为本发明的无人机地理坐标系转换至光学吊舱平台直角坐标系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明提供一种无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，无人机在飞行过程中，使用光学吊舱锁定已知精确坐标的固定目标，建立光学吊舱安装误差角解算数学模型，根据光学吊舱激光测距时刻的无人机坐标、无人机姿态角、光学吊舱指向角和激光测距值，通过多元牛顿方法估算光学吊舱的安装误差角，并以光学吊舱的安装误差角为已知参数进行目标定位，具体包括以下步骤：

步骤一、目标选择，选择一特征明显的目标点T，并预先采集该目标点的精确坐标(J_t',W_t',H_t')；

特征明显的目标指易于光学吊舱锁定的目标，在一个实施例中，目标大小为5m*5m。所选取目标点应便于采集坐标(J_t’,W_t’,H_t’)J_t’为精确测量的目标点经度，W_t’为精确测量的目标点纬度，H_t’为精确测量的目标点高度，且坐标值应足够精确，在一个实施例中，目标点的坐标的精度10米内。

步骤二、无人机在2km相对高度飞行，该高度易于光学吊舱锁定目标，使用光学吊舱锁定目标点T，在斜距为6km左右时，光学吊舱能够稳定锁定目标，进行激光测距；

步骤三、记录激光测距时刻光学吊舱的方位角、俯仰角和激光测距值，记录激光测距时刻无人机的坐标和姿态角；

光学吊舱的方位角为A，俯仰角为E，激光测距值为S，无人机的姿态角包括偏航角为Ψ，俯仰角为θ，滚转角为γ，无人机实时输出的地球球面坐标系下的坐标为(J_p,W_p,H_p)，J_p为无人机经度，W_p为无人机纬度，H_p为无人机高度。

步骤四、建立目标定位数学模型；根据坐标系转换，由无人机地理坐标系下的坐标表示转换至光学吊舱直角坐标系下的坐标表示，建立目标定位数学模型的公式如下：

其中，J_t为目标点经度，W_t为目标点纬度，H_t为目标点高度，为目标点T在无人机地理坐标系下的坐标表示，如图1所示；r^p为目标点T在光学吊舱直角坐标系下的坐标表示，如图2所示；为无人机平台直角坐标系到光学吊舱平台直角坐标系的转换矩阵，由光学吊舱的方位安装误差角ε_α、俯仰安装误差角ε_β和滚转安装误差角ε_γ表示，如图3所示；为无人机地理坐标系到无人机平台直角坐标系的转换矩阵，由无人机的偏航角Ψ、俯仰角θ和滚转角γ表示，如图2所示；R为地球半径。

步骤五、根据多元牛顿方法，建立光学吊舱安装误差角解算数学模型；

根据多元牛顿方法，建立光学吊舱安装误差角解算数学模型步骤为：令将目标定位数学模型改写为此式为三元非线性方程组。再令x＝(ε_α,ε_β,ε_γ)，F(x)＝F(ε_α,ε_β,ε_γ)＝(f₁,f₂,f₃)，其中f₁,f₂,f₃为上述三元非线性方程组中的三个表达式，则光学吊舱安装误差角解算数学模型的公式为：

s为DF(x_k)s＝-F(x_k)的解，所述的无人机的光学吊舱安装误差估算方法中。

步骤六、根据多元牛顿方法迭代求解获得安装误差角，将x_nk作为光学吊舱的安装误差角；

所述步骤六中，迭代估算光学吊舱的安装误差角的步骤为：无人机锁定目标后提供N组数据，共包括N组迭代计算，在每一组迭代计算中，以每次更新记录的数据(包括光学吊舱的方位角、俯仰角和激光测距值，无人机的坐标和姿态角，以及目标点T的坐标)作为已知参数，以上一组的迭代计算结果作为初始向量，按照光学吊舱安装误差角解算数学模型迭代计算k次，获得当前组的计算结果，最终通过N*k次迭代计算获得安装误差角的估算结果。具体步骤如下：

(1)根据第一组迭代计算初始时刻的记录数据(包括光学吊舱的方位角、俯仰角和激光测距值，无人机的坐标和姿态角，以及目标点T的坐标)，以x₀＝(0,0,0)作为第一组迭代计算的初始向量，使用目标点T的精确坐标(J_t’,W_t’,H_t’)作为目标坐标(J_t,W_t,H_t)，按照光学吊舱安装误差角解算数学模型迭代计算k次，获得结果x_k。

(2)根据第二组迭代计算初始时刻的记录数据(包括光学吊舱的方位角、俯仰角和激光测距值，无人机的坐标和姿态角，以及目标点T的坐标)，以x_k作为第二组迭代计算的初始向量，按照光学吊舱安装误差角解算数学模型迭代计算k次，获得结果x_2k。

(3)重复以上步骤，根据第n组迭代计算初始时刻的记录数据(包括光学吊舱的方位角、俯仰角和激光测距值，无人机的坐标和姿态角，以及目标点T的坐标)，以x_(n-1)k作为第n组迭代计算的初始向量，按照光学吊舱安装误差角解算数学模型迭代计算k次，获得结果x_nk。。

步骤七、将步骤六估算的光学吊舱的安装误差角作为已知参数进行目标定位。

将步骤六估算的光学吊舱的安装误差角作为已知参数，替换光学吊舱的方位安装误差角ε_α、俯仰安装误差角ε_β和滚转安装误差角ε_γ，代入目标定位数学模型中，获得该光学吊舱无人机平台直角坐标系到光学吊舱平台直角坐标系的转换矩阵使光学吊舱输出精确的目标坐标(J_t,W_t,H_t)。

在无人机飞行过程中通过固定的光学吊舱无人机平台直角坐标系到光学吊舱平台直角坐标系的转换矩阵根据无人机输出的坐标(J_p,W_p,H_p)，光学吊舱输出的方位角A，俯仰角E，激光测距值S，无人机的偏航角Ψ，俯仰角θ，滚转角γ，通过实时计算目标坐标(J_t,W_t,H_t)。

光学吊舱实际使用的目标定位数学模型可以是步骤四所述的数学模型，也可以是其他的目标定位方法数学模型，将计算获得的安装误差角x_Nk，包括光学吊舱的方位安装误差角ε_α、俯仰安装误差角ε_β和滚转安装误差角ε_γ，加载至光学吊舱实际目标定位数学模型中进行目标坐标解算。

本发明适用于具有激光测距功能的无人机光学吊舱。与常规方法不同，本发明不需要在光学吊舱安装时，预先对安装误差角进行测量，而是通过一次飞行，直接估算出光学吊舱安装平面与无人机机体坐标系之间的角度偏差，并以估算出的安装误差角进行目标定位计算。该方法可以提高无人机光学吊舱的目标定位精度，简化无人机光学吊舱的安装工序，提高无人机的快速响应能力。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选择一光学吊舱能够在无人机飞行过程中稳定锁定的目标点T，并预先采集该目标点的坐标(J_t′，W_t′，H_t′)；

(2)无人机飞行过程中，光学吊舱稳定锁定目标点T后，进行激光测距；

(3)记录激光测距时刻光学吊舱的方位角、俯仰角和激光测距值，记录激光测距时刻无人机的坐标和姿态角；

(4)建立无人机目标定位数学模型；

(5)基于无人机目标定位数学模型建立光学吊舱安装误差角解算数学模型；

(6)根据多元牛顿方法迭代求解获得安装误差角。

2.如权利要求1所述的无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于：所述步骤(1)中，目标大小为5m＊5m～8m＊8m，目标点的坐标(J_t′，W_t′，H_t′)的采集精度在10米内。

3.如权利要求1所述的无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于：步骤(2)中无人机的飞行高度和斜距满足光学吊舱能够稳定锁定目标时，光学吊舱开始进行激光测距。

4.如权利要求1所述的无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于：所述步骤(4)建立目标定位数学模型，具体为：

其中，rⁿ为目标点T在无人机地理坐标系下的坐标表示；r^p为目标点T在光学吊舱直角坐标系下的坐标表示；为无人机平台直角坐标系到光学吊舱平台直角坐标系的转换矩阵，由光学吊舱的方位安装误差角ε_α、俯仰安装误差角ε_β和滚转安装误差角ε_γ表示；为无人机地理坐标系到无人机平台直角坐标系的转换矩阵，由无人机的偏航角Ψ、俯仰角θ和滚转角γ表示；R为地球半径；光学吊舱的方位角为A，俯仰角为E，激光测距值为S，无人机的偏航角为Ψ，俯仰角为θ，滚转角为γ，无人机实时输出的地球球面坐标系下的坐标为(J_p，W_p，H_p)，J_p为无人机经度，W_p为无人机纬度，H_p为无人机高度。

5.如权利要求4所述的无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于：具体为：

6.如权利要求5所述的无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于：具体为：

7.如权利要求6所述的无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于：所述步骤(5)基于无人机目标定位数学模型建立光学吊舱安装误差角解算数学模型，具体为：

令将目标定位数学模型改写为

令x＝(ε_α，ε_β，ε_γ)，F(x)＝F(ε_α，ε_β，ε_γ)＝(f₁，f₂，f₃)，其中f₁，f₂，f₃为上述三元非线性方程组中的三个表达式，则光学吊舱安装误差角解算数学模型的公式为：

其中S为DF(x_k)s＝-F(x_k)的解。

8.如权利要求7所述的无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于：所述步骤(6)根据多元牛顿方法迭代求解获得安装误差角步骤为：

(1)无人机锁定目标后提供N组数据；包括光学吊舱的方位角、俯仰角和激光测距值，无人机的坐标和姿态角；以x₀＝(0，0，0)作为第一组迭代计算的初始向量，使用目标点T的精确坐标(J_t′，W_t′，H_t′)作为目标坐标(J_t，W_t，H_t)，令n＝1；

(2)获取第n组数据，按照光学吊舱安装误差角解算数学模型迭代计算k次，获得结果x_nk；

(3)判断是否完成所有组数据的计算，如果完成则输出结果x_Nk作为光学吊舱安装误差角；如果未完成则将x_nk作为第n+1轮迭代计算的初始向量，将n+1后返回步骤(2)。

9.如权利要求8所述的无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于：还包括步骤(7)将步骤(6)计算获得的安装误差角x_Nk，替换所述目标定位数学模型中光学吊舱的方位安装误差角ε_α、俯仰安装误差角ε_β和滚转安装误差角ε_γ，获得该光学吊舱无人机平台直角坐标系到光学吊舱平台直角坐标系的转换矩阵光学吊舱基于所述目标定位数学模型进行目标坐标解算。

10.如权利要求8所述的无人机的光学吊舱安装误差角估算方法，其特征在于：还包括步骤(7)将步骤(6)计算获得的安装误差角x_Nk，包括光学吊舱的方位安装误差角ε_α、俯仰安装误差角ε_β和滚转安装误差角ε_γ，加载至光学吊舱实际目标定位数学模型中进行目标坐标解算。