專利名稱：機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于目標(biāo)精確測(cè)量定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位方法及裝置。
背景技術(shù)：
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當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常用的目標(biāo)定位技術(shù)多集中在單一傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，譬如激光測(cè)距技術(shù)通過激光器發(fā)射系統(tǒng)向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射調(diào)制光信號(hào)，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)后經(jīng)過漫反射返回，通過接收系統(tǒng)接收，并將接收光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后傳給信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)處理可計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)間直線距離；以圖像處理技術(shù)獲取目標(biāo)在圖像上距離中心的像素偏移，結(jié)合成像裝置尺寸和鏡頭焦距可計(jì)算出目標(biāo)偏離當(dāng)前觀察中心的俯仰方位角度；通過圖像處理技術(shù)提取目標(biāo)像素尺寸，結(jié)合已知的目標(biāo)實(shí)際尺寸和成像系統(tǒng)光學(xué)焦距，利用三角變換可預(yù)估出目標(biāo)距觀測(cè)點(diǎn)直線距離；通過對(duì)目標(biāo)綁定GPS通訊設(shè)備可獲取其經(jīng)緯高度信息。但以上技術(shù)均存在一定問題，如獲取直線距離或偏離視場(chǎng)中心角度僅適用于某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域；通過圖像和目標(biāo)先驗(yàn)知識(shí)計(jì)算直線距離存在較大誤差，亦僅能應(yīng)用于特殊領(lǐng)域；而對(duì)目標(biāo)綁定GPS通訊設(shè)備在人員搜救、林火監(jiān)控、目標(biāo)打擊等領(lǐng)域也是“不可能完成的任務(wù)”。所以如何實(shí)現(xiàn)迅速、有效、無接觸、高適應(yīng)性的目標(biāo)定位，已成為軍/民/警各領(lǐng)域、空/海/地環(huán)境中一個(gè)迫在眉睫的應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位方法及裝置，以實(shí)現(xiàn)迅速、有效、無接觸、高適應(yīng)性的目標(biāo)定位。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置技術(shù)方案如下該裝置包括信號(hào)處理單元及輸出信號(hào)均連入信號(hào)處理單元的激光測(cè)距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、組合慣導(dǎo)模塊和測(cè)角器，所述信號(hào)處理單元用于根據(jù)上傳的各信號(hào)解算出目標(biāo)的位置信
肩、O所述信號(hào)處理單元由通訊連接的A/D、FPGA和DSP組成，所述A/D包括A/D模塊和422通訊模塊，所述FPGA包括視頻采集模塊、圖像數(shù)據(jù)調(diào)度模塊和通訊控制模塊，所述DSP包括目標(biāo)定位解算模塊。本發(fā)明的機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位方法的步驟如下(I)將激光測(cè)距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、組合慣導(dǎo)模塊和測(cè)角器的輸出信號(hào)連入信號(hào)處理單元，來構(gòu)建機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置；(2)將機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置設(shè)置于一載機(jī)中；(3)對(duì)準(zhǔn)欲捕獲目標(biāo)分別采集紅外圖像和可見光圖像，根據(jù)圖像來捕獲目標(biāo)并鎖定，對(duì)鎖定的目標(biāo)分別采集測(cè)距信息、俯仰、方位角偏移信息GPS坐標(biāo)信息和載機(jī)航向、俯仰、橫滾信息并上傳給信息處理單元；
(4)信息處理單元通過機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置方位俯仰信息和測(cè)距信息計(jì)算出其在載機(jī)固連坐標(biāo)系中坐標(biāo)，進(jìn)而通過三維旋轉(zhuǎn)變換將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為載機(jī)NED坐標(biāo)系中坐標(biāo)，再結(jié)合地球半徑、載機(jī)GPS信息計(jì)算目標(biāo)實(shí)際經(jīng)緯高度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位。本發(fā)明的機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位方法及裝置，融合載機(jī)GPS信息、載機(jī)姿態(tài)信息、觀測(cè)設(shè)備相對(duì)載機(jī)角度偏差、觀測(cè)設(shè)備對(duì)目標(biāo)的測(cè)距信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)經(jīng)緯高度的準(zhǔn)確定位，本發(fā)明結(jié)合多傳感器優(yōu)勢(shì)，利用多維空間變換原理實(shí)現(xiàn)迅速、有效、無接觸、高適應(yīng)性的目標(biāo)準(zhǔn)確定位，可在森林防火、人員迅速搜救等領(lǐng)域使用，具備廣闊的技術(shù)和市場(chǎng)前景。


圖I是機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是信號(hào)處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是載機(jī)顧連坐標(biāo)系中載機(jī)與目標(biāo)方位關(guān)系圖；圖4是地球幾何形狀示意圖。
具體實(shí)施例方式基本定義I)載機(jī)NED坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)固連在載機(jī)中心，OX軸指向正北，OY軸指向正東，OZ軸指向?yàn)殂U垂向下。此坐標(biāo)系各軸指向與載機(jī)姿態(tài)角無關(guān)。2)載機(jī)固連坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)固連在載機(jī)中心，OX軸與飛機(jī)縱軸重合,指向機(jī)頭。OY軸指向飛機(jī)右側(cè)，OZ軸指向飛機(jī)下方。此坐標(biāo)系的各軸指向由載機(jī)姿態(tài)角決
定。 3)載機(jī)偏航角飛機(jī)OX軸在水平面內(nèi)投影與正北方向的夾角，從上向下看，指向正北時(shí)為0°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，取值范圍[-180° 180° ]。4)載機(jī)俯仰角飛機(jī)OX軸與水平面的夾角，水平時(shí)為0°，抬頭為正，取值范圍[-90。 90。]。5)載機(jī)橫滾角飛機(jī)固連坐標(biāo)系的OZ軸與包含飛機(jī)縱軸(0X軸)的鉛垂面之間的夾角，從飛機(jī)正后方沿縱軸向前看，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。取值范圍[-90°、0° ]。6)觀測(cè)設(shè)備方位角觀測(cè)設(shè)備前視方向在載機(jī)固連坐標(biāo)系0Χ/0Υ軸平面的投影與飛機(jī)縱軸的夾角，指向飛機(jī)航向?yàn)?°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，取值范圍
。7)觀測(cè)設(shè)備俯仰角觀測(cè)設(shè)備前視方向在載機(jī)固連坐標(biāo)系0Χ/0Υ軸平面的投影與飛機(jī)縱軸的夾角，指向飛機(jī)航向?yàn)?°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，取值范圍[-110° ^lO0 ]。如圖I所示，機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置包括信號(hào)處理單元及輸出信號(hào)均連入信號(hào)處理單元的激光測(cè)距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、組合慣導(dǎo)模塊和測(cè)角器，信號(hào)處理單元用于根據(jù)上傳的各信號(hào)解算出目標(biāo)的位置信息。其中前端傳感器負(fù)責(zé)提供計(jì)算輸入，譬如激光測(cè)距儀提供的激光測(cè)距信息，紅外熱像儀提供的場(chǎng)景紅外圖像信息、可見光攝像機(jī)提供的可見光圖像信息、組合慣導(dǎo)模塊提供的當(dāng)前設(shè)備經(jīng)緯高度信息和設(shè)備相對(duì)于地理坐標(biāo)系的航向/俯仰/橫滾信息，測(cè)角器提供的當(dāng)前視軸相對(duì)于設(shè)備的俯仰、偏移信息；信號(hào)處理電路將以上信息作為輸入，經(jīng)由目標(biāo)定位算法解算出目標(biāo)的真實(shí)經(jīng)緯高度信息。如圖2所示,信號(hào)處理單元由通訊連接的A/D、FPGA和DSP組成,所述A/D包括A/D模塊和422通訊模塊，所述FPGA包括視頻采集模塊、圖像數(shù)據(jù)調(diào)度模塊和通訊控制模塊，所述DSP包括目標(biāo)定位解算模塊。A/D負(fù)責(zé)接收從紅外、可見光、激光、組合慣導(dǎo)和測(cè)角器傳來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)由FPGA進(jìn)行整理后調(diào)度至DSP，由其對(duì)幾類傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算。本發(fā)明的方法結(jié)合載機(jī)GPS信息、載機(jī)姿態(tài)信息、觀測(cè)設(shè)備在載機(jī)固連坐標(biāo)系中俯仰方位信息(其中載機(jī)GPS信息由組合慣導(dǎo)模塊得到，載機(jī)姿態(tài)信息由組合慣導(dǎo)模塊得至IJ，觀測(cè)設(shè)備在載機(jī)固連坐標(biāo)系中俯仰方位信息由測(cè)角器得到，目標(biāo)測(cè)距信息由激光測(cè)距儀得到)、對(duì)目標(biāo)測(cè)距信息依據(jù)三維坐標(biāo)變換原理計(jì)算目標(biāo)位置的GPS信息通過觀測(cè)設(shè)備(即觀察組件，指紅外熱像儀和可見光攝像機(jī))方位俯仰信息和測(cè)距信息計(jì)算出其在載機(jī)固連坐標(biāo)系中坐標(biāo)，進(jìn)而通過三維旋轉(zhuǎn)變換將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為載機(jī)NED坐標(biāo)系中坐標(biāo)，再結(jié)合地球半徑、載機(jī)GPS信息計(jì)算其實(shí)際經(jīng)緯高度。機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位方法的步驟如下(I)將激光測(cè)距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、組合慣導(dǎo)模塊和測(cè)角器的輸出信號(hào)連入信號(hào)處理單元，來構(gòu)建機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置；(2)將機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置設(shè)置于一載機(jī)中；( 3)對(duì)準(zhǔn)欲捕獲目標(biāo)分別采集紅外圖像和可見光圖像，根據(jù)圖像來捕獲目標(biāo)并鎖定，對(duì)鎖定的目標(biāo)分別采集測(cè)距信息、俯仰、方位角偏移信息GPS坐標(biāo)信息和載機(jī)航向、俯仰、橫滾信息并上傳給信息處理單元；(4)信息處理單元通過機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置方位俯仰信息和測(cè)距信息計(jì)算·出其在載機(jī)固連坐標(biāo)系中坐標(biāo)，進(jìn)而通過三維旋轉(zhuǎn)變換將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為載機(jī)NED坐標(biāo)系中坐標(biāo)，再結(jié)合地球半徑、載機(jī)GPS信息計(jì)算目標(biāo)實(shí)際經(jīng)緯高度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位。I，目標(biāo)在載機(jī)固連坐標(biāo)系中坐標(biāo)計(jì)算如圖3所示，已知觀測(cè)設(shè)備在載機(jī)固連坐標(biāo)系中相對(duì)于X軸和Z軸偏移角度μ、Φ，該偏移角度由測(cè)角器得到，用于測(cè)量觀察組件視場(chǎng)中心軸相對(duì)于設(shè)備的俯仰和偏移角度，以及激光測(cè)距長(zhǎng)度D，經(jīng)過三角函數(shù)運(yùn)算，得到目標(biāo)在載機(jī)固連坐標(biāo)系中坐標(biāo)V =DX sin Φ X cos μV =DX sin Φ X sin μV =DXcos (Φ)注觀測(cè)設(shè)備方位與μ —致，俯仰角σ與φ的關(guān)系為Φ = |90。+σ|。2，目標(biāo)在載機(jī)NED坐標(biāo)系(即大地坐標(biāo)系)中坐標(biāo)計(jì)算目標(biāo)從載機(jī)固連坐標(biāo)系向載機(jī)NED坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換中需考慮兩坐標(biāo)系間平移、旋轉(zhuǎn)關(guān)系載機(jī)與觀測(cè)設(shè)備直線距離在幾米內(nèi)，與測(cè)距距離(若干公里)相比可忽略不計(jì)，可認(rèn)為兩坐標(biāo)系同軸無平移，即轉(zhuǎn)換僅限于旋轉(zhuǎn)關(guān)系。載機(jī)固連坐標(biāo)系是由載機(jī)NED坐標(biāo)系經(jīng)過偏航α、俯仰β、橫滾Υ (旋轉(zhuǎn)順序不能顛倒)得到的，根據(jù)相對(duì)關(guān)系理論，可認(rèn)為載機(jī)固連坐標(biāo)系經(jīng)過逆向橫滾變換Α、逆向俯仰變換B、逆向偏航變換C (旋轉(zhuǎn)順序不能顛倒)得到載機(jī)NED坐標(biāo)系，即
權(quán)利要求
1.一種機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置，其特征在于，該裝置包括信號(hào)處理單元及輸出信號(hào)均連入信號(hào)處理單元的激光測(cè)距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、組合慣導(dǎo)模塊和測(cè)角器，所述信號(hào)處理單元用于根據(jù)上傳的各信號(hào)解算出目標(biāo)的位置信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述信號(hào)處理單元由通訊連接的A/D、FPGA和DSP組成，所述A/D包括A/D模塊和422通訊模塊，所述FPGA包括視頻采集模塊、圖像數(shù)據(jù)調(diào)度模塊和通訊控制模塊，所述DSP包括目標(biāo)定位解算模塊。
3.一種機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位方法，其特征在于，該方法的步驟如下 (1)將激光測(cè)距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、組合慣導(dǎo)模塊和測(cè)角器的輸出信號(hào)連入信號(hào)處理單元，來構(gòu)建機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置； (2)將機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置設(shè)置于一載機(jī)中； (3 )對(duì)準(zhǔn)欲捕獲目標(biāo)分別采集紅外圖像和可見光圖像，根據(jù)圖像來捕獲目標(biāo)并鎖定，對(duì)鎖定的目標(biāo)分別采集測(cè)距信息、俯仰、方位角偏移信息GPS坐標(biāo)信息和載機(jī)航向、俯仰、橫滾信息并上傳給信息處理單元； (4)信息處理單元通過機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位裝置方位俯仰信息和測(cè)距信息計(jì)算出其在載機(jī)固連坐標(biāo)系中坐標(biāo)，進(jìn)而通過三維旋轉(zhuǎn)變換將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為載機(jī)NED坐標(biāo)系中坐標(biāo)，再結(jié)合地球半徑、載機(jī)GPS信息計(jì)算目標(biāo)實(shí)際經(jīng)緯高度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)載設(shè)備用目標(biāo)定位方法及裝置，裝置包括信號(hào)處理單元及輸出信號(hào)均連入信號(hào)處理單元的激光測(cè)距儀、紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)、組合慣導(dǎo)模塊和測(cè)角器，所述信號(hào)處理單元用于根據(jù)上傳的各信號(hào)解算出目標(biāo)的位置信息；本發(fā)明融合載機(jī)GPS信息、載機(jī)姿態(tài)信息、觀測(cè)設(shè)備相對(duì)載機(jī)角度偏差、觀測(cè)設(shè)備對(duì)目標(biāo)的測(cè)距信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)經(jīng)緯高度的準(zhǔn)確定位，本發(fā)明結(jié)合多傳感器優(yōu)勢(shì)，利用多維空間變換原理實(shí)現(xiàn)迅速、有效、無接觸、高適應(yīng)性的目標(biāo)準(zhǔn)確定位，可在森林防火、人員迅速搜救等領(lǐng)域使用，具備廣闊的技術(shù)和市場(chǎng)前景。
文檔編號(hào)G01C21/00GK102928861SQ20121037878
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者蔣曉陽, 王宗俐 申請(qǐng)人:凱邁(洛陽)測(cè)控有限公司