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直升机载激光雷达三维姿态角补偿专利与装置与流程

来源:未知 编辑:晚一步 时间:2018-06-12

本发明涉及直升机载荷平台三维姿态角振动及飞行姿态角变化对机载激光雷达点云测量不利影响的实时、高精度补偿方法研究。



背景技术:

激光雷达具有高测量精度、精细的时间和空间分辨率、远测量距离等优点,而直升机可做低空、低速和机头方向不变的飞行及升降、悬停、俯仰、偏转等复杂动作,具有机动灵活的优点,非常适合对各种复杂地形的飞行测量。因此,直升机载激光雷达在大地测量、森林勘探、城市建模、灾害评估等方面获得了日益广泛的应用。

机载激光雷达的工作过程中,对于机载平台的稳定性具有较高的要求,通常要求直升机进行匀速直线飞行,且机载平台坐标系相对于地面坐标系没有姿态角偏转,从而可以使获得的激光点云覆盖区域边界规则且密度均匀。由高质量的激光点云经插值处理和曲面拟合而获得的被测地形数字表面模型误差较小,可提高三维成像精度,满足地面测量的分辨率要求。

现有可实现机载平台姿态角变化的机载激光雷达实时补偿方法中,专利ZL201010183492.4提出一种可实现机载激光雷达载荷平台的俯仰角变化实时补偿方法,专利ZL201010180527.9提出一种可实现机载激光雷达载荷平台的滚转角变化实时补偿方法。目前所能实现的方法中,只能实现单轴或两轴方向上的姿态角补偿,但还没有可同时实现三维姿态角变化的实时补偿方法与装置。因此,有必要设计了一种补偿装置,可实现激光雷达系统三维姿态角扰动的同时补偿,同时可消除补偿三维姿态角扰动时补偿装置各转轴之间的控制耦合关系。



技术实现要素:

基于目前各种文献中尚没有对三维姿态角扰动对直升机载激光雷达测量影响的实时补偿方法与装置,本发明提供了一种直升机载激光雷达三维姿态角补偿方法与装置,可实现对直升机载激光雷达三维姿态角扰动的完全和实时补偿,主要有以下几点创新:一是采用丝杆步进电机驱动螺纹滑块进行直线驱动,推动大尺寸反射镜绕中心轴转动,通过机械细分提高了运动精度,替代了传统转动电机控制,改进了补偿装置的机械结构,从而提高了空间利用率,便于大尺寸反射镜的安装,增大了直升机载激光雷达的探测距离范围,并增强了实用性;二是采用磁性万向轴承机械结构,替代传统三轴转台结构,固定大尺寸反射镜旋转中心的同时可使其绕x轴和y轴两轴灵活转动;三是采用直流力矩电机配合圆弧齿条轨道控制y轴丝杆步进电机支撑轴的转动,使y轴丝杆步进电机所在平面与大尺寸反射镜的y轴方向始终保持相互垂直,从而消除了x轴与y轴之间的转动耦合;四是采用z轴步进电机驱动大尺寸反射镜机构绕z轴转动实现偏航角的补偿,从而实现了对机载激光雷达三个姿态角的同时补偿,而非只补偿一轴或两轴。

本发明提出的一种直升机载激光雷达三维姿态角补偿方法与装置,其特征在于,在常规直升机载激光雷达系统中加装了一个对激光脉冲束出射角的矫正装置,通过该矫正装置,将由直升机载荷平台三维姿态角影响而指向偏转了的激光脉冲束,矫正回无姿态角扰动时的理想出射方向上,从而实现了对机载激光雷达三维姿态角扰动的实时补偿,消除了直升机姿态角扰动对获得的激光点云的不利影响,有效提高激光点云质量。

其中,增加补偿装置后的直升机载激光雷达三维姿态角补偿装置,其特征在于包括直升机载荷平台(1)、高频激光脉冲测距仪(2)、扫描摆镜系统(3)、三维高精度陀螺仪(4)、三维姿态角补偿装置(5)、被测地形(6)。其中,高频激光脉冲测距仪(2)、扫描摆镜系统(3)、三维高精度陀螺仪(4)、三维姿态角补偿装置(5)均固定安装在所述直升机载荷平台(1)上。由所述高频激光脉冲测距仪(2)发射激光脉冲束,经所述扫描摆镜系统(3)反射后射向所述三维姿态角补偿装置(5),经所述三维姿态角补偿装置(5)上的大尺寸反射镜(501)反射后射向所述被测地形(6)。由所述三维高精度陀螺仪(4)采集所述直升机载荷平台(1)的实时姿态角扰动数据,通过串口通讯传送至所述三维姿态角补偿装置(5)的三维姿态角补偿装置控制器(516)中,控制所述大尺寸反射镜(501)绕三轴方向做与姿态角扰动相反方向转动。

其中,在所述直升机载荷平台(1)绕x轴转动的滚转角和绕y轴转动的俯仰角方向上,所述大尺寸反射镜(501)分别绕x轴和y轴反向转动实测的滚转角和俯仰角数值的一半;而在所述直升机载荷平台(1)绕z轴转动的偏航角方向上,所述大尺寸反射镜(501)绕z轴反向转动与实测偏航角数值相同的角度,从而实现直升机载激光雷达三维姿态角扰动的实时补偿,使所述高频激光脉冲测距仪(2)发射的激光脉冲束经所述扫描摆镜系统(3)反射后的出射指向免受所述直升机载荷平台(1)三维姿态角扰动的不利影响。

其中,所述大尺寸反射镜(501)的长宽均为100mm,采用大尺寸反射镜可有效获取所述被测地形(6)反射的激光回波信号,有利于增大直升机载激光雷达系统的探测距离范围;所述大尺寸反射镜(501)固定安装在不锈钢半球体(525)上,所述大尺寸反射镜(501)的旋转中心与所述不锈钢半球体(525)的球心相重合。采用磁性钢凹球面支撑立柱(515)将所述不锈钢半球体(525)的球面紧紧吸住,二者形成滑动球面接触,使所述不锈钢半球体(525)可绕三轴自由转动,则该运动结构构成一个磁性球面万向轴承。由于所述大尺寸反射镜(501)的旋转中心与所述不锈钢半球体(525)的球心相重合,因此当所述不锈钢半球体(525)与所述磁性钢凹球面支撑立柱(515)组成的磁性球面万向轴承绕三轴转动时,所述大尺寸反射镜(501)的旋转中心的空间位置相对于所述直升机载荷平台(1)始终保持不变。

其中,所述大尺寸反射镜(501)由四根镜面支撑杆(526)带动旋转,所述镜面支撑杆(526)采用钛合金材料制造,两两垂直绕z轴均匀分布在一个平面内,并与所述不锈钢半球体(525)的切平面紧固焊接。四根所述镜面支撑杆(526)的末端安装球头关节轴承。所述磁性钢凹球面支撑立柱(515)下端与圆形支撑板(514)紧固焊接。所述圆形支撑板(514)在与x轴同向的镜面支撑杆下方安装两个圆弧齿条轨道(511),在与y轴同向的镜面支撑杆下方安装两个单轴连杆轴承(517)。所述大尺寸反射镜(501)绕x轴的转动是由x轴丝杆步进电机(519)驱动x轴螺纹滑块1(521)沿x轴定向导轨1(523)做直线运动,在与安装所述x轴丝杆步进电机(519)支撑杆相对方向的支撑杆上,安装了x轴螺纹滑块2(505)和x轴定向导轨2(503),支撑杆通过所述单轴连杆轴承(517)与所述圆形支撑板(514)相连。所述大尺寸反射镜(501)绕y轴的转动是由y轴丝杆步进电机(507)驱动y轴螺纹滑块(502)沿y轴定向导轨1(504)做直线运动,在与安装有y轴丝杆步进电机支撑杆(508)相对方向的支撑杆上,安装了y轴螺纹滑块2(522)和y轴定向导轨2(524),支撑杆通过单轴连杆轴承滑块(509)及所述圆弧齿条轨道(511)与所述圆形支撑板(514)相连。所述单轴连杆轴承滑块(509)通过直流力矩电机(510)驱动所述y轴丝杆步进电机支撑杆(508)沿圆弧齿条轨道运动,确保y轴丝杆步进电机所在平面与大尺寸反射镜y轴相互垂直。

其中,所述磁性钢凹球面支撑立柱(515)与z轴步进电机(512)转动轴紧固焊接,且二者具有同一转动轴。所述大尺寸反射镜(501)绕z轴的转动是由所述z轴步进电机(512)直接驱动的。所述三维姿态角补偿装置(5)由三维姿态角补偿装置控制器(516)控制;所述z轴步进电机(512)与所述三维姿态角补偿装置控制器(516)均固定在安装底板(513)上。所述安装底板(513)在四个垂直侧面上可实现扩展,形成一个箱体,将整个系统包装起来,从而起到保护、支撑和防尘功能。

其中,所述三维姿态角补偿装置控制器(516)采用ARM(S3C2440)控制器进行控制实现。所述三维姿态角补偿装置控制器(516)通过串口1获得所述三维高精度陀螺仪(4)采集的直升机姿态角扰动数据,采用模糊PID控制策略,对所述大尺寸反射镜(501)的三轴转角进行控制。

其中,由ARM(S3C2440)控制器的D/A输出口1控制所述x轴丝杆步进电机(519)驱动所述x轴螺纹滑块1(521)做直线运动,使所述大尺寸反射镜(501)绕x轴旋转至滚转角数值的一半,从而完全补偿所述直升机载荷平台(1)在滚转角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。

其中,由ARM(S3C2440)控制器的D/A输出口2控制所述y轴丝杆步进电机(507)驱动所述y轴螺纹滑块(502)做直线运动,使所述大尺寸反射镜(501)绕y轴旋转至俯仰角数值的一半,从而完全补偿所述直升机载荷平台(1)在俯仰角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。

其中,由ARM(S3C2440)控制器的D/A输出口3控制所述z轴步进电机(512)转动,使所述大尺寸反射镜(501)绕z轴旋转偏航角相同数值,从而完全补偿所述直升机载荷平台(1)在偏航角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。

其中,由ARM(S3C2440)控制器的D/A输出口4控制所述单轴连杆轴承滑块(509)上所述直流力矩电机(510)转动,通过齿轮齿条传动方式驱动所述y轴丝杆步进电机支撑杆(508)转动,使其保持与所述大尺寸反射镜(501)y轴方向垂直,从而消除x轴与y轴之间的转动耦合。

附图说明

图1是常规机载激光雷达工作原理图。

图2是直升机载激光雷达三维姿态角补偿装置补偿原理图。

图3是安装有三维姿态角补偿装置的直升机载激光雷达工作原理图。

图4是直升机载激光雷达三维姿态角补偿装置的机械结构图。

图5是直升机载激光雷达三维姿态角补偿装置的控制系统硬件结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明专利实施例作进一步详细描述。

图1是常规直升机载激光雷达工作原理图。图中描述了常规直升机载激光雷达系统的基本结构。其中,(1)为直升机载荷平台,(2)为高频激光脉冲测距仪,(3)为扫描摆镜系统,(4)为三维高精度陀螺仪,(5)为被测地形,(6)为地面激光脚点。对常规直升机载激光雷达系统,由所述高频激光脉冲测距仪(2)发射出的激光脉冲束经所述扫描摆镜系统(3)反射后射向所述被测地形(5),其反射回波信号被所述高频激光脉冲测距仪(2)的接收器接收,经计算可获得地面激光脚点处的三维信息。当所述直升机载荷平台(1)稳定时,在绕三轴方向上没有姿态角扰动的影响,则获得的激光点云覆盖区域边界规则,密度均匀。当所述直升机载荷平台(1)存在绕x轴方向的滚转角时,激光脚点会沿摆镜的扫描方向偏移,滚转角越大,激光脚点偏移距离越大。当所述直升机载荷平台(1)存在绕y轴方向的俯仰角时,激光脚点会沿直升机飞行方向偏移,俯仰角越大,激光脚点偏移距离越大。当直升机载荷平台存在绕z轴的偏航角时,激光脚点会发生绕扫描摆镜反射中心点的旋转倾斜,偏航角越大,激光脚点绕扫描摆镜中心点的偏转角度越大。所述三维高精度陀螺仪(4)用于采集所述直升机载荷平台(1)的实时三维姿态角数据。

图2是直升机载激光雷达三维姿态角补偿装置补偿原理图。由所述高频激光脉冲测距仪(2)发射出的激光脉冲束以入射角α射入到扫描摆镜上,并以出射角β射出,β=α。以扫描摆镜平面与其法线交点为极点,入射光线为极轴,入射光线到出射光线为正方向建立极坐标系,此时入射光线角度为0°,出射光线角度为2α。假设所述直升机载荷平台(1)逆时针转动θ角,即存在角度为θ的俯仰角,则入射光线角度此时变为θ,出射光线角度变为θ+2α,如此所述直升机载荷平台(1)转动后的出射光线与转动前发生了角度偏移,导致激光脚点位置与理想扫描位置产生较大偏差。激光测距越远,则激光脚点的偏差越大。若要使所述直升机载荷平台(1)转动后激光脉冲的出射角度与所述直升机载荷平台(1)转动前相同,则需要反向转动扫描摆镜以矫正其角度。

现假设将扫描摆镜顺时针转动,则入射角变为α-,则有下式:

(1)

可解得:

(2)

因此,在滚转角和俯仰角方向上,只需将扫描摆镜逆向转动所述直升机载荷平台(1)滚动角和俯仰角数值的一半,就可以将出射激光脉冲指向角度更正至没有姿态角扰动的理想情况下。而偏航角扰动仅将激光出射角的方向绕z轴旋转,并未改变改变其出射角度,故只需将扫描摆镜逆向转动至与偏航角数据相同值处即可。

图3是安装有三维姿态角补偿装置的直升机载激光雷达工作原理图。图中描述了安装三维姿态角补偿装置的直升机载激光雷达系统基本结构。其中(1)为直升机载荷平台,(2)为高频激光脉冲测距仪,(3)为扫描摆镜系统,(4)为直升机载激光雷达三维姿态角补偿装置,(5)为三维高精度陀螺仪,(6)为被测地形,(7)为地面激光脚点。对安装三维姿态角补偿装置(4)的直升机载激光雷达系统,高频激光脉冲测距仪(2)发射出的激光脉冲束经扫描摆镜系统(3)反射后射向三维姿态角补偿装置(4),经三维姿态角补偿装置(4)上的大尺寸反射镜(501)反射后射向被测地形,其反射回波信号被接收器接收,经计算可获得地面激光脚点处的三维信息。当直升机载荷平台(1)存在绕x轴方向的滚转角时,大尺寸反射镜(501)绕x轴反向旋转至滚转角数值的一半,从而完全补偿直升机载荷平台(1)在滚转角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。当直升机载荷平台(1)存在绕y轴方向的俯仰角时,大尺寸反射镜(501)绕y轴反向旋转至俯仰角数值的一半,从而完全补偿直升机载荷平台(1)在俯仰角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。当直升机载荷平台(1)存在绕z轴方向的偏航角时,大尺寸反射镜(501)绕z轴反向旋转偏航角相同数值,从而完全补偿直升机载荷平台(1)在偏航角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。

图4是直升机载激光雷达三维姿态角补偿装置的机械结构图。其中,所述大尺寸反射镜(501)的长宽均为100mm,采用大尺寸反射镜可有效获取所述被测地形(6)反射的激光回波信号,有利于增大直升机载激光雷达系统的探测距离范围;所述大尺寸反射镜(501)固定安装在不锈钢半球体(525)上,所述大尺寸反射镜(501)的旋转中心与所述不锈钢半球体(525)的球心相重合。采用磁性钢凹球面支撑立柱(515)将所述不锈钢半球体(525)的球面紧紧吸住,二者形成滑动球面接触,使所述不锈钢半球体(525)可绕三轴自由转动,则该运动结构构成一个磁性球面万向轴承。由于所述大尺寸反射镜(501)的旋转中心与所述不锈钢半球体(525)的球心相重合,因此当所述不锈钢半球体(525)与所述磁性钢凹球面支撑立柱(515)组成的磁性球面万向轴承绕三轴转动时,所述大尺寸反射镜(501)的旋转中心的空间位置相对于所述直升机载荷平台(1)始终保持不变。

所述大尺寸反射镜(501)由四根镜面支撑杆(526)带动旋转,所述镜面支撑杆(526)采用钛合金材料制造,两两垂直绕z轴均匀分布在一个平面内,并与所述不锈钢半球体(525)的切平面紧固焊接。四根所述镜面支撑杆(526)的末端安装球头关节轴承。所述磁性钢凹球面支撑立柱(515)下端与圆形支撑板(514)紧固焊接。所述圆形支撑板(514)在与x轴同向的镜面支撑杆下方安装两个圆弧齿条轨道(511),在与y轴同向的镜面支撑杆下方安装两个单轴连杆轴承(517)。所述大尺寸反射镜(501)绕x轴的转动是由x轴丝杆步进电机(519)驱动x轴螺纹滑块1(521)沿x轴定向导轨1(523)做直线运动,在与安装所述x轴丝杆步进电机(519)支撑杆相对方向的支撑杆上,安装了x轴螺纹滑块2(505)和x轴定向导轨2(503),支撑杆通过所述单轴连杆轴承(517)与所述圆形支撑板(514)相连。所述大尺寸反射镜(501)绕y轴的转动是由y轴丝杆步进电机(507)驱动y轴螺纹滑块(502)沿y轴定向导轨1(504)做直线运动,在与安装有y轴丝杆步进电机支撑杆(508)相对方向的支撑杆上,安装了y轴螺纹滑块2(522)和y轴定向导轨2(524),支撑杆通过单轴连杆轴承滑块(509)及所述圆弧齿条轨道(511)与所述圆形支撑板(514)相连。所述单轴连杆轴承滑块(509)通过直流力矩电机(510)驱动所述y轴丝杆步进电机支撑杆(508)沿圆弧齿条轨道运动,确保y轴丝杆步进电机所在平面与大尺寸反射镜y轴相互垂直。

所述磁性钢凹球面支撑立柱(515)与z轴步进电机(512)转动轴紧固焊接,且二者具有同一转动轴。所述大尺寸反射镜(501)绕z轴的转动是由所述z轴步进电机(512)直接驱动的。所述三维姿态角补偿装置(5)由三维姿态角补偿装置控制器(516)控制;所述z轴步进电机(512)与所述三维姿态角补偿装置控制器(516)均固定在安装底板(513)上。所述安装底板(513)在四个垂直侧面上可实现扩展,形成一个箱体,将整个系统包装起来,从而起到保护、支撑和防尘功能。

图5是直升机载激光雷达三维姿态角补偿装置的控制系统硬件结构示意图。其中,所述三维姿态角补偿装置控制器(516)采用ARM(S3C2440)控制器进行控制实现。所述三维姿态角补偿装置控制器(516)通过串口1获得所述三维高精度陀螺仪(4)采集的直升机姿态角扰动数据,采用模糊PID控制策略,对所述大尺寸反射镜(501)的三轴转角进行控制。由ARM(S3C2440)控制器的D/A输出口1控制所述x轴丝杆步进电机(519)驱动所述x轴螺纹滑块1(521)做直线运动,使所述大尺寸反射镜(501)绕x轴旋转至滚转角数值的一半,从而完全补偿所述直升机载荷平台(1)在滚转角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。由ARM(S3C2440)控制器的D/A输出口2控制所述y轴丝杆步进电机(507)驱动所述y轴螺纹滑块(502)做直线运动,使所述大尺寸反射镜(501)绕y轴旋转至俯仰角数值的一半,从而完全补偿所述直升机载荷平台(1)在俯仰角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。由ARM(S3C2440)控制器的D/A输出口3控制所述z轴步进电机(512)转动,使所述大尺寸反射镜(501)绕z轴旋转偏航角相同数值,从而完全补偿所述直升机载荷平台(1)在偏航角方向上对激光雷达测量点云的不利影响。由ARM(S3C2440)控制器的D/A输出口4控制所述单轴连杆轴承滑块(509)上所述直流力矩电机(510)转动,通过齿轮齿条传动方式驱动所述y轴丝杆步进电机支撑杆(508)转动,使其保持与所述大尺寸反射镜(501)y轴方向垂直,从而消除x轴与y轴之间的转动耦合。

以上对本发明及其具体实施方式的描述,并不局限于此,附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下,不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例,均属本发明保护范围。

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