一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法，具體步驟如下：步驟一，首先確定一個(gè)地面合作目標(biāo)點(diǎn)，并用高精度差分GPS獲取該點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程；步驟二，根據(jù)合作目標(biāo)點(diǎn)確定無人機(jī)校飛路線；并對合作目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測，獲取并記錄合作目標(biāo)點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；步驟三，建立安裝誤差診斷模型；步驟四，辨識安裝誤差診斷模型中的未知參數(shù)，并在后續(xù)的定位過程中補(bǔ)償光電吊艙的安裝誤差；本方法主要通過分析校飛數(shù)據(jù)獲得光電吊艙安裝角誤差，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)加以修正，用以解決當(dāng)前無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校實(shí)施繁瑣、效率低的問題。

Calibration method for installation error of photoelectric pod of unmanned aerial vehicle

The invention discloses a UAV electro-optical pod installation error calibration method includes the following steps: step one, first determine a ground cooperation target, and with high accuracy differential GPS to obtain the point latitude and elevation; step two, according to the target point to determine UAV flight calibration and on line; cooperative target observation, obtain and record the cooperation targets such as coordinates, and coordinate transformation; step three, the establishment of the installation error diagnosis model; step four, the unknown parameters in the model error diagnosis and identification of installation, installation error compensation in the process of photoelectric pod in the subsequent location; this method is mainly through the fly the data obtained installation angle error of photoelectric pod school analysis, corrected in the coordinate transformation, to solve the UAV electro-optical pod installation error calibration implementation cumbersome, efficiency is low. Questions.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法
本專利技術(shù)涉及航空
，具體而言，是指一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法。
技術(shù)介紹
在理想情況下，光電吊艙在無人機(jī)上的裝配應(yīng)該滿足以下兩點(diǎn)：1)光電吊艙的平臺基準(zhǔn)面與載機(jī)基準(zhǔn)面平行；2)光電吊艙的平臺方位零位應(yīng)與載機(jī)方位軸平行且方向一致。在這樣的條件下，光電吊艙的基座坐標(biāo)系可與載機(jī)坐標(biāo)系完全重合。但是在實(shí)際情況中，由于裝配誤差的存在，光電吊艙的基座坐標(biāo)系難以和載機(jī)坐標(biāo)系重合，兩者誤差甚至達(dá)到幾度。在無人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)，對地面目標(biāo)進(jìn)行定位是其重要功能之一。然而，光電吊艙的安裝誤差會嚴(yán)重影響目標(biāo)定位精度，因此消除或者補(bǔ)償光電吊艙的安裝誤差角十分必要。無人機(jī)作為一種機(jī)動平臺，經(jīng)常掛載不同的任務(wù)載荷。即使是同一載荷，有時(shí)也會進(jìn)行頻繁的安裝與拆卸。目前使用的光電吊艙裝配方法實(shí)施較為繁瑣，為了減小裝配誤差，需要借助高精度的測量儀器，進(jìn)行測試、調(diào)整、再測試，不斷重復(fù)以上步驟以提高安裝精度。這種方法對環(huán)境要求高，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，而且成本高。而且使用一段時(shí)間后需要再次調(diào)校時(shí)，要到有條件的地方進(jìn)行。光電吊艙與載機(jī)的裝配誤差可歸類為系統(tǒng)誤差，因此可以采取一定的措施進(jìn)行抑制或消除。通過多次測量合作目標(biāo)點(diǎn)，以數(shù)據(jù)分析的方式估計(jì)出光電吊艙安裝角度誤差，是一種快速、有效的無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法，減少了人力、物力的開銷，具有明顯的應(yīng)用價(jià)值，也有利于無人機(jī)目標(biāo)定位精度的提高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本專利技術(shù)提出了一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法，本文提出了一種安裝誤差標(biāo)校方法，該方法主要通過分析校飛數(shù)據(jù)估計(jì)出安裝角度誤差，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)加以修正，用以解決當(dāng)前無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校實(shí)施繁瑣、效率低的問題。本專利技術(shù)是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法，具體步驟如下：步驟一，首先確定一個(gè)地面合作目標(biāo)點(diǎn)，并用高精度差分GPS獲取該點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程；步驟二，根據(jù)合作目標(biāo)點(diǎn)確定無人機(jī)校飛路線；并對合作目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測，獲取并記錄合作目標(biāo)點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；光電吊艙安裝誤差的軟標(biāo)校是在校飛試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的；所述的校飛就是安排無人機(jī)在預(yù)定的航路上按一定的飛行工況飛行，對已知大地坐標(biāo)的合作目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)次測量，獲取的一系列測量數(shù)據(jù)；步驟三，根據(jù)目標(biāo)定位的原理建立帶未知參數(shù)的安裝誤差診斷模型；步驟四，辨識安裝誤差診斷模型中的未知參數(shù)，并在后續(xù)的定位過程中補(bǔ)償光電吊艙的安裝誤差。進(jìn)一步，所述的步驟2中校飛滿足以下條件：校飛是試驗(yàn)性飛行，存在一定的限制性。對于校飛試驗(yàn)，應(yīng)先確定無人機(jī)的飛行條件，不同的飛行條件將直接影響校飛數(shù)據(jù)的質(zhì)量；滿足條件如下：在光電吊艙對合作目標(biāo)點(diǎn)定位時(shí)，應(yīng)保證航向和航高的穩(wěn)定，對于飛機(jī)轉(zhuǎn)彎以及爬升、俯沖時(shí)的光電吊艙的觀測數(shù)據(jù)應(yīng)該舍棄，不帶入后期的數(shù)據(jù)處理中；姿態(tài)：飛機(jī)的俯仰角與橫滾角為零度或較小角度；航速：飛機(jī)為勻速運(yùn)動；航速主要影響攝像機(jī)光軸指向的動態(tài)性，航速的不穩(wěn)定會帶來較大的脫靶量，在計(jì)算中會帶入較大的隨機(jī)誤差，因此，應(yīng)保證飛機(jī)為勻速運(yùn)動。進(jìn)一步，所述的步驟2的具體步驟為：2.1，大地坐標(biāo)系O：以地心作為原點(diǎn)，Zo軸為北極方向，Xo軸為地心指向格林尼治子午面與地球赤道的交點(diǎn)方向，Yo軸與Xo、Zo兩軸相互垂直構(gòu)成一個(gè)右手系；在大地坐標(biāo)系中每一點(diǎn)的坐標(biāo)表示成：(B，L，H)，分別代表該點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和高程；2.2，大地直角坐標(biāo)系G：大地直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系重合；大地直角坐標(biāo)系中任一點(diǎn)的坐標(biāo)可用該點(diǎn)在此坐標(biāo)系各個(gè)坐標(biāo)軸上的投影來表示；2.3，地理坐標(biāo)系N：在地理坐標(biāo)系中，原點(diǎn)是載機(jī)中心在某一時(shí)刻所處的位置，Zn指向正北方向，Xn垂直于地表指向天空，Yn與Zn、Xn相互垂直構(gòu)成一個(gè)右手系，指向正東；2.4，載機(jī)坐標(biāo)系B：載機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)為載機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的中心，Yb代表載機(jī)橫軸，Zb代表載機(jī)縱軸，Xb由機(jī)腹指向機(jī)背；載機(jī)航向角φ，載機(jī)俯仰角γ，載機(jī)橫滾角θ代表該坐標(biāo)系相對地理坐標(biāo)系的三個(gè)姿態(tài)角；當(dāng)姿態(tài)角均為零時(shí)，載機(jī)坐標(biāo)系的三軸指向與地理坐標(biāo)系的三軸指向重合；。2.5，基座坐標(biāo)系T：由于存在初始安裝誤差，即載機(jī)坐標(biāo)系和基座坐標(biāo)系不完全重合，同時(shí)由于光電吊艙基座與載機(jī)之間是用減振器聯(lián)結(jié)，在工作時(shí)減振器振動會產(chǎn)生誤差。將基座坐標(biāo)系相對載機(jī)坐標(biāo)系的三個(gè)安裝誤差角定義為ΔφI，ΔγI，ΔθI；2.6，攝像機(jī)坐標(biāo)系C：攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在攝像機(jī)光軸與橫軸的交點(diǎn)上，Zc軸為攝像機(jī)光軸，指向目標(biāo)；光軸指向角以方位角α和高低角β表示，其中方位角α為繞方位軸Xc的旋轉(zhuǎn)角度，高低角β為繞俯仰軸Yc的旋轉(zhuǎn)角度；2.7，圖像物理坐標(biāo)系：圖像物理坐標(biāo)系的原點(diǎn)是光軸與像平面的交點(diǎn)，其中X軸、Y軸分別與圖像像素坐標(biāo)系的X、Y軸平行，以實(shí)際物理尺度為單位；2.8圖像像素坐標(biāo)系：圖像像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)在圖像的左上角，坐標(biāo)單位為像素；坐標(biāo)(xp，yp)表示當(dāng)前像素在數(shù)字圖像中的行數(shù)與列數(shù)；根據(jù)圖像物理坐標(biāo)系和圖像像素坐標(biāo)系的定義，像點(diǎn)p的圖像像素坐標(biāo)(xp，yp)與其圖像物理坐標(biāo)(xw，yw)的關(guān)系為：其中，(Cx，Cy)代表圖像主點(diǎn)，即光軸與像面交點(diǎn)的像素坐標(biāo)；dx，dy分別為攝像機(jī)的單個(gè)像元在Xw，Yw方向上的物理尺寸。進(jìn)一步，所述的步驟3的具體步驟為：3.1，令合作參考點(diǎn)的像素位置為(xp,yp)，由于攝像機(jī)采取垂直向下拍攝，則合作參考點(diǎn)在光電吊艙基座坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：3.2，設(shè)光電吊艙相對于載機(jī)的安裝誤差角分別為ΔφI、ΔγI、ΔθI，則合作參考點(diǎn)在載機(jī)坐標(biāo)系下的方位角俯仰角通過下式計(jì)算：進(jìn)一步，所述的步驟4的具體步驟為：4.1，設(shè)合作參考點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度為(Bref，Lref，Href)，飛機(jī)經(jīng)緯度和海拔高度為(Bp，Lp，Hp)；4.2，從大地坐標(biāo)系到大地直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換由下式給出其中：N代表卯酉圈曲率半徑，e代表橢球體的第一偏心率；a代表橢球體的長半徑；4.3，求得合作參考點(diǎn)和飛機(jī)的大地直角坐標(biāo)(xref，yref，zref)、(xp，yp，zp)后，求取地理坐標(biāo)：其中：L0、B0為飛機(jī)的經(jīng)緯度；4.4，從地理坐標(biāo)系到載機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：則有：βB＝arcsin(xb)4.5，通過對合作目標(biāo)多次定位，獲取多組數(shù)據(jù)之后，可以得到兩組載機(jī)坐標(biāo)系下目標(biāo)的方位角兩組目標(biāo)的俯仰角然后通過評價(jià)函數(shù)J為評價(jià)準(zhǔn)則來指導(dǎo)迭代求解，直至滿足終止迭代的條件，求得安裝誤差角ΔφI、ΔγI、ΔθI；其中限制區(qū)間范圍為，α∈[0,2π)，β∈[0,π/2)；進(jìn)一步，所述的模型通過非線性最小二乘估計(jì)的遺傳算法得出全局近似最優(yōu)解；針對這種非線性數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的作法是線性近似，即將其展為泰勒級數(shù)，并取至一次項(xiàng)，略去二次以上各項(xiàng)。如此線性近似必然會引起模型誤差，致使因線性近似所產(chǎn)生的模型誤差與觀測誤差相當(dāng)，有些甚至還會大于觀測誤差。根據(jù)最小二乘原理得出非線性優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)，然后針對該目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行具體的遺傳算法設(shè)計(jì)，得出非線性優(yōu)化問題的全局近似最優(yōu)解。本專利技術(shù)針對現(xiàn)有技術(shù)的有益效果在于：本專利技術(shù)通過首先確定一個(gè)地面合作目標(biāo)點(diǎn)，再獲取該點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程；攜帶光電吊艙的無人機(jī)升空后，根據(jù)指定航線飛行，并在指定測量點(diǎn)對合作目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測，獲取并記錄若干組無人機(jī)自身大地坐標(biāo)、姿態(tài)以及攝像機(jī)的方位角和高低角；飛行完畢后，本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法，其特征在于，具體步驟如下：步驟一，首先確定一個(gè)地面合作目標(biāo)點(diǎn)，并用高精度差分GPS獲取該點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程；步驟二，根據(jù)合作目標(biāo)點(diǎn)確定無人機(jī)校飛路線；并在指定測量點(diǎn)對合作目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測，獲取并記錄無人機(jī)像點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；步驟三，建立安裝誤差診斷模型；步驟四，辨識安裝誤差診斷模型中的未知參數(shù)，并在后續(xù)的定位過程中補(bǔ)償光電吊艙的安裝誤差。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法，其特征在于，具體步驟如下：步驟一，首先確定一個(gè)地面合作目標(biāo)點(diǎn)，并用高精度差分GPS獲取該點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程；步驟二，根據(jù)合作目標(biāo)點(diǎn)確定無人機(jī)校飛路線；并在指定測量點(diǎn)對合作目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測，獲取并記錄無人機(jī)像點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；步驟三，建立安裝誤差診斷模型；步驟四，辨識安裝誤差診斷模型中的未知參數(shù)，并在后續(xù)的定位過程中補(bǔ)償光電吊艙的安裝誤差。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法，其特征在于，所述的步驟2中校飛滿足以下條件：航向、航高：對于飛機(jī)轉(zhuǎn)彎以及爬升、俯沖時(shí)的光電吊艙的觀測數(shù)據(jù)不帶入后期的數(shù)據(jù)處理中；姿態(tài)：盡量保證飛機(jī)的俯仰角與橫滾角為零度或較小角度；航速：飛機(jī)為勻速運(yùn)動。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法，其特征在于，所述的步驟2的具體步驟為：2.1，大地坐標(biāo)系O：以地心作為原點(diǎn)，Zo軸為北極方向，Xo軸為地心指向格林尼治子午面與地球赤道的交點(diǎn)方向，Yo軸與Xo、Zo兩軸相互垂直構(gòu)成一個(gè)右手系；在大地坐標(biāo)系中每一點(diǎn)的坐標(biāo)表示成：(B，L，H)，分別代表該點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和高程；2.2，大地直角坐標(biāo)系G：大地直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系重合；大地直角坐標(biāo)系中任一點(diǎn)的坐標(biāo)用該點(diǎn)在此坐標(biāo)系各個(gè)坐標(biāo)軸上的投影來表示；2.3，地理坐標(biāo)系N：在地理坐標(biāo)系中，原點(diǎn)是載機(jī)中心在某一時(shí)刻所處的位置，Zn指向正北方向，Xn垂直于地表指向天空，Yn與Zn、Xn相互垂直構(gòu)成一個(gè)右手系，指向正東；2.4，載機(jī)坐標(biāo)系B：載機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)為載機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的中心，Yb代表載機(jī)橫軸，Zb代表載機(jī)縱軸，Xb由機(jī)腹指向機(jī)背；載機(jī)航向角φ，載機(jī)俯仰角γ，載機(jī)橫滾角θ代表該坐標(biāo)系相對地理坐標(biāo)系的三個(gè)姿態(tài)角；當(dāng)姿態(tài)角均為零時(shí)，載機(jī)坐標(biāo)系的三軸指向與地理坐標(biāo)系的三軸指向重合；2.5，基座坐標(biāo)系T：將基座坐標(biāo)系相對載機(jī)坐標(biāo)系的三個(gè)安裝誤差角定義為ΔφI，ΔγI，ΔθI；2.6，攝像機(jī)坐標(biāo)系C：攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在攝像機(jī)光軸與橫軸的交點(diǎn)上，Zc軸為攝像機(jī)光軸，指向目標(biāo)；光軸指向角以方位角α和高低角β表示，其中方位角α為繞方位軸Xc的旋轉(zhuǎn)角度，高低角β為繞俯仰軸Yc的旋轉(zhuǎn)角度；2.7，圖像物理坐標(biāo)系：圖像物理坐標(biāo)系的原點(diǎn)是光軸與像平面的交點(diǎn)，其中X軸、Y軸分別與圖像像素坐標(biāo)系的X、Y軸平行，以實(shí)際物理尺度為單位；2.8，圖像像素坐標(biāo)系：圖像像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)在圖像的左上角，坐標(biāo)單位為像素；坐標(biāo)(xp，yp)表示當(dāng)前像素在數(shù)字圖像中的行數(shù)與列數(shù)；根據(jù)圖像物理坐標(biāo)系和圖像像素坐標(biāo)系的定義，像點(diǎn)p的圖像像素坐標(biāo)(xp，yp)與其圖像物理坐標(biāo)(xw，yw)的關(guān)系為：其中，(Cx，Cy)代表圖像主點(diǎn)，即光軸與像面交點(diǎn)的像素坐標(biāo)；dx，dy分別為攝像機(jī)的單個(gè)像元在Xw，Yw方向上的物理尺寸。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種無人機(jī)光電吊艙安裝誤差標(biāo)校方法，其特征在于，所述的步驟3的具體步驟為：3.1，令合作參考點(diǎn)的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐誠，王東振，黃大慶，韓偉，
申請(專利權(quán))人：南京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32