基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，包括三维坐标传感模块、三轴电子罗盘模块和控制模块，控制模块依据三维坐标传感模块提供的云台的经度、纬度和高度与三轴电子罗盘模块提供云台当前指向与磁北的方位偏角η，确定云台与目标点的相对方位角和俯仰角，实现目标的凝视或扫视。该系统基于三轴自稳云台系统，在载具三维运动或静止条件下，可实现对地面任意地理三维坐标点或合作(三维坐标已知)动目标的凝视，并可对两个任意地理坐标点连成的直线实现固定偏角的扫视。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统。
技术介绍
目前需要一种控制系统解决在载具三维运动或静止条件下，实现对地面任意地理三维坐标点或合作动目标即三维坐标已知的凝视。但并未有相关专利文件或其他公开文献公开该控制系统。此外，由于AMR磁阻传感器本身的制造、安装位置和环境因素的影响，电子罗盘的测量会出现误差，从而影响到精度。罗差主要是指由电子罗盘载体周围存在的铁磁材料的影响而造成的误差，是地磁场测量时所特有的一种误差。它对电子罗盘的精度影响最大，可达十几甚至几十度，是电子罗盘误差的主要来源。因此，应当对测量进行校准。上述问题是在三轴云台的目标凝视与扫视过程中应当予以考虑并解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统解决在载具三维运动或静止条件下，实现对地面任意地理三维坐标点或合作动目标即三维坐标已知的凝视的问题。本专利技术的技术解决方案是：一种基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，包括三维坐标传感模块、三轴电子罗盘模块和控制模块，三维坐标传感模块：提供云台的经度、纬度和高度；三轴电子罗盘模块：提供云台当前指向与磁北的方位偏角η，包括三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器，三轴加速度传感器提供云台的三维倾角包括俯仰角和翻滚角θ′，三轴磁阻传感器测量三轴方向的磁场强度Hx,Hy,Hz；控制模块：依据三维坐标传感模块提供的云台的经度、纬度和高度与三轴电子罗盘模块提供云台当前指向与磁北的方位偏角η，确定云台与目标点的相对方位角和俯仰角，实现目标的凝视或扫视。进一步地，控制模块中，为实现目标的凝视，确定云台F与目标点P的相对方位角，即云台从当前指向偏转到目标点P的方位角为：其中，η为云台当前指向与磁北的夹角，α为云台F与目标点P的直线FP在XOY平面的投影直线F′P′与真北的夹角，称为磁偏角为磁北与真北之间的夹角。进一步地，控制模块中，为实现固定夹角为的目标扫视，确定云台F与目标点P的方位角为：其中，α为云台F与目标点P的直线FP在XOY平面的投影直线F′P′与真北的夹角，η为云台当前指向与磁北的夹角，称为磁偏角为磁北与真北之间的夹角。进一步地，根据测得的三轴方向的磁场强度Hx,Hy,Hz，俯仰角和翻滚角θ′，并对磁阻传感器的测量值校准后，求出校准后的云台当前指向与磁北的夹角η。进一步地，求出校准后的云台当前指向与磁北的夹角η具体为：其中是罗差校准后的值，由式(24)知，对磁阻传感器的测量值校准后并分别求式(24)中的比值即可得到校准后的方向夹角η。进一步地，对磁阻传感器的测量值校准，具体为：在某方向电子罗盘采样的数据Hx和Hy对应椭圆上一点的坐标，该椭圆的方程为：AHx2+BHy2+CHxHy+DHx+EHy＝F (19)其中，F常数且大小与地磁场大小有关，求参数A、B、C、D、E确定该椭圆方程；通过下式将该椭圆变为圆：H＝K-1·Φ-1(H1-B) (20)其中，式(21)和(22)中，H1为测量值，H为校准值，而可由下式导出：进一步地，控制模块中，为实现目标的凝视或扫视，确定云台F与目标点P的相对俯仰角β为：β=arctan(h′-hr′)---(6)]]>其中，h′和h分别为云台与目标点的海拔高度，r′为云台F与目标点P在XOY平面的投影F′和P′的距离。进一步地，还包括无线数传模块，无线数传模块：实现与地面站的通信，任务模式和参数由地面站设置并通过无线数传模块模块上传，云台的实时工作状态通过无线数传模块模块下载至地面站。进一步地，通过无线数传模块箱地面站申请执行磁阻传感器校准，在允许校准磁阻传感器后，对磁阻传感器进行校准，校准成功后，向地面站发送校准成功信息。进一步地，控制模块还对落架的放下或收起进行控制，实现降落安全保护，具体为：在云台高低小于安全高度时，放下落架；在云台高度大于或等于安全高度时，允许收起落架。本专利技术的有益效果是：该种基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，在载具三维运动或静止条件下，可实现对地面任意地理三维坐标点或合作(三维坐标已知)动目标的凝视，并可对两个任意地理坐标点连成的直线实现固定偏角的扫视。附图说明图1是本专利技术实施例基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统的说明框图。图2是实施例中云台与坐标点的几何关系示意图。图3是实施例中云台与坐标直线的几何关系示意图。图4是实施例中罗盘任意姿态示意图。图5是实施例基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统的初始化流程示意图。图6是基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统的通信流程示意图。图7是基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统的任务流程示意图。图8是基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统的降落安全保护流程示意图。图9是基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统的任务动态添加流程示意图。图10是基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统的任务动态删除流程示意图。具体实施方式下面结合附图详细说明本专利技术的优选实施例。实施例一种基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，如图1，包括三维坐标传感模块、三轴电子罗盘模块和控制模块。三维坐标传感模块：提供云台的经度、纬度和高度；用以提供参数：F_lat,F_long,h′，该模块由GPS/北斗模块和气压计模块组成。理想条件下，现阶段GPS/BeiDou模块的经度和纬度的定位精度为3m～5m，而高度定位精度约为20m～50m。为提高俯仰角β的估计精度，实施例引入了微型气压计模块，理想条件下，气压计模块的测高精度可达10cm，满足设计要求。三轴电子罗盘模块：提供云台当前指向的方位偏角η，包括三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器，由于本系统针对的是三轴云台系统，因此，云台任意姿态下，电子罗盘必须能够提供准确方位偏角。三轴加速度传感器提供云台的三维倾角包括俯仰角和翻滚角θ′，三轴磁阻传感器测量三轴方向的磁场强度Hx,Hy,Hz。控制模块：依据三维坐标传感模块提供的云台的经度、纬度和高度与三轴电子罗盘模块提供云台当前指向与磁北的方位偏角η，确定云台与目标点的相对方位角和俯仰角，实现目标的凝视或扫视。还包括无线数传模块：本系统与地面站之间的通信主要依靠无线数传模块，该模块由半双工无线数传模块和功放模块构成。任务模式和参数可由地面站设置并通过该模块上传，云台和设备的实时工作状态也可通过该模块下载至地面站。实施例的基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，初始化流程如图5。控制模块通过无线数传模块箱地面站申请执行磁阻传感器校准，在允许校准磁阻传感器后，对磁阻传感器进行校准，校准成功后，向地面站发送校准成功信息。控制模块还对落架的放下或收起进行控制，如图8，实现降落安全保护，具体为：在云台高低小于安全高度时，放下落架；在云台高度大于或等于安全高度时，允许收起落架。还包括控制信号输入输出端口，实施例系统与地面站通信流程如图6。系统执行任务流程如图7，任务动态添加流程如图9，任务动态删除流程如图10。系统提供手动控制和智能控制两种工作方式，系统提供占空比可调的PWM信号输入输出端口。其中手动控制方式的输出信号即输入信号的延迟，而智能控制方式的输出信号是输入信号与自动控制输出信号的线性叠加。系统凝视三维空间坐标点的工作原理任意地理坐标点都可以由经度、纬度和高度准确描述，为实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，其特征在于：包括三维坐标传感模块、三轴电子罗盘模块和控制模块，三维坐标传感模块：提供云台的经度、纬度和高度；三轴电子罗盘模块：提供云台当前指向与磁北的方位偏角η，包括三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器，三轴加速度传感器提供云台的三维倾角包括俯仰角和翻滚角θ′，三轴磁阻传感器测量三轴方向的磁场强度Hx,Hy,Hz；控制模块：依据三维坐标传感模块提供的云台的经度、纬度和高度与三轴电子罗盘模块提供云台当前指向与磁北的方位偏角η，确定云台与目标点的相对方位角和俯仰角，实现目标的凝视或扫视。

【技术特征摘要】
1.一种基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，其特征在于：包括三维坐标传感模块、三轴电子罗盘模块和控制模块，三维坐标传感模块：提供云台的经度、纬度和高度；三轴电子罗盘模块：提供云台当前指向与磁北的方位偏角η，包括三轴加速度传感器和三轴磁阻传感器，三轴加速度传感器提供云台的三维倾角包括俯仰角和翻滚角θ′，三轴磁阻传感器测量三轴方向的磁场强度Hx,Hy,Hz；控制模块：依据三维坐标传感模块提供的云台的经度、纬度和高度与三轴电子罗盘模块提供云台当前指向与磁北的方位偏角η，确定云台与目标点的相对方位角和俯仰角，实现目标的凝视或扫视。2.如权利要求1所述的基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，其特征在于，控制模块中，为实现目标的凝视，确定云台F与目标点P的相对方位角，即云台从当前指向偏转到目标点P的方位角为：其中，η为云台当前指向与磁北的夹角，α为云台F与目标点P的直线FP在XOY平面的投影直线F′P′与真北的夹角，称为磁偏角为磁北与真北之间的夹角。3.如权利要求2所述的基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，其特征在于，控制模块中，为实现固定夹角为的目标扫视，确定云台F与目标点P的方位角为：其中，α为云台F与目标点P的直线FP在XOY平面的投影直线F′P′与真北的夹角，η为云台当前指向与磁北的夹角，称为磁偏角为磁北与真北之间的夹角。4.如权利要求1-3任一项所述的基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，其特征在于：根据测得的三轴方向的磁场强度Hx,Hy,Hz，俯仰角和翻滚角θ′，并对磁阻传感器的测量值校准后，求出校准后的云台当前指向与磁北的夹角η。5.如权利要求4所述的基于三轴云台的目标凝视与扫视控制系统，其特征在于，求出校准后的云台当前指向与磁北的夹角η具体为：其中是罗差校准后的值，由式(24)知，对磁阻传感器的测量值校准后并...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞翔，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32