一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置制造方法及图纸

一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，在直升机载激光雷达系统中，增加一个三维姿态角振动补偿装置，其上安装一面大尺寸反射镜。采用磁性万向轴承支撑所述大尺寸反射镜绕x轴和y轴实现同时转动；x轴和y轴的转动采用直动电机和光栅尺位移传感器实现转角闭环控制，可消除x轴和y轴的转动耦合；所述大尺寸反射镜绕z轴的转动采用直流力矩电机和齿轮传动方式。通过所述三维姿态角振动补偿装置，将由机载平台三维姿态角振动影响而偏转了的激光脉冲束，矫正回无机载平台姿态角振动时的理想扫描方向上，从而实现对机载平台三维姿态角振动的实时完全补偿，消除直升机载平台三维姿态角振动对激光雷达测量点云的不利影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直升机载平台的复杂振动对机载激光雷达三维成像不利影响的实时高精度补偿问题。
技术介绍
激光雷达具有成像精度高、作业效率高、探测距离远等优点，而直升机具有飞行机动灵活的优点，对起飞和降落地点要求低，同时飞行高度也不高，适合各种复杂地形的测量，因此，两者相结合，直升机载激光雷达在地形测绘、城市建模、电力线勘测等许多领域，得到了广泛的应用。机载激光雷达工作过程中，要求机载平台的运动有规律，通常要求直升机为匀速直线飞行，从而可使激光雷达的探测点云覆盖区域规则，分布密度均匀，被测地形的采样点分布满足二维采样定理要求，则经过后续的点云插值和曲面拟合处理时，三维地形模型误差较小，可满足地面测量的分辨率要求，三维成像精度高。但直升机虽具有飞行机动灵活的优点，但也有明显的缺点，即直升机飞行过程中具有非常复杂的振动。直升机在实际飞行过程中，飞机体会受到多方面的干扰影响，如阵风、湍流、发动机振动及控制系统的性能缺陷等，使机载平台无法保持理想的匀速直线运动状态，产生强烈且复杂的振动，严重影响激光雷达扫描点云的分布和采样分辨率，进而降低了被测地形三维成像模型的精度。因此，采取有效措施，针对直升机载激光雷达的飞行平台复杂振动进行实时高精度补偿，具有重要的现实意义。现有可实现机载激光雷达载荷平台实时补偿方法中，如在专利ZL201010183492.4中，其提出了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，另外在专利ZL201010180527.9中，其提出了一种可实现机载激光雷达载荷平台的滚动角变化实时补偿方法，也就是说现有的机载激光雷达雷达关于载荷平台姿态角振动的补偿方法中只能实现单轴方向上的姿态角补偿，而无法实现三轴姿态角振动的同时补偿。为了实现直升机载平台三轴复杂姿态角振动的实时高精度补偿，需要对补偿装置的机械结构、补偿原理和补偿性能提出新的设计要求。本专利即提出了一种专用于直升机载激光雷达的机载平台复杂三维姿态角振动的实时补偿方法与装置，其具有与以往补偿方法不同的补偿原理、机械结构、工作方式及补偿性能。
技术实现思路
为了实现对直升机载激光雷达三维姿态角振动的完全补偿，本专利技术提供了一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，主要有以下的几点创新点：一是采用直动电机控制取代传统的转动电机控制，采用位移测量取代转角测量的方法，其目的是改善补偿装置的机械结构，提高空间利用率，可实现大尺寸反射镜的安装，提高补偿装置对激光雷达远距离测量的适应能力，增强其实用性；二是采用磁性万向轴承机械结构，取代三轴转台结构，可使大尺寸反射镜绕x轴和y轴的转动快速灵活，且避免了两轴的转动耦合；三是增加了大尺寸反射镜在z轴方向上的补偿，实现了机载激光雷达对三轴姿态角振动的完全补偿，而非只补偿一轴。本专利技术提供的一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，其特征在于在常规的直升机载激光雷达系统中增加一个激光束三维指向矫正装置，通过此矫正装置，将由于机载平台三维姿态角振动影响而偏转了的激光脉冲束，矫正回无机载平台姿态角振动时的理想扫描方向上，从而可实现对机载平台三维姿态角振动的实时补偿，完全消除了直升机载平台三维姿态角振动对激光雷达测量点云的不利影响，故将此装置即称为三维姿态角振动补偿装置。其中，增加了三维姿态角振动补偿装置的直升机载激光雷达系统组成特征在于包括直升机载平台（1）、高频激光脉冲测距仪（2）、一维扫描摆动振镜系统（3）、三维高精度陀螺仪（4）、三维姿态角振动补偿装置（5）、被测地形（6）。在所述三维姿态角振动补偿装置（5）上，安装了一面大尺寸激光反射镜（501）。其补偿原理为：所述高频激光脉冲测距仪（2）、一维扫描摆动振镜系统（3）、三维高精度陀螺仪（4）和三维姿态角振动补偿装置（5）均固定安装在直升机载平台（1）上。由高频激光脉冲测距仪（2）发出的激光脉冲，经一维扫描摆动振镜系统（3）反射后射向三维姿态角振动补偿装置（5），经三维角振动补偿装置（5）上的大尺寸激光反射镜（501）反射后照向被测地形（6）。由三维高精度陀螺仪（4）获得直升机载平台（1）的实时三维姿态角振动信息，提供给三维姿态角振动补偿装置（5）的控制器，使三维姿态角振动补偿装置（5）上的大尺寸激光反射镜（501）在直升机载平台（1）的三轴方向上做与姿态角振动角度相关的反向转动。其中，在直升机载平台（1）的滚动角和俯仰角转动方向上，三维姿态角振动补偿装置（5）上的大尺寸激光反射镜（501）的转动状态为反向旋转直升机载平台（1）的滚动角和俯仰角振动值的一半。而在直升机载平台（1）的偏航角方向上，三维姿态角振动补偿装置（5）上的大尺寸激光反射镜（501）的转动状态为反向旋转实时直升机载平台（1）的偏航角振动值的相同角度，从而可实时高精度的补偿掉直升机载平台（1）三维姿态角振动，使高频激光脉冲测距仪（2）发出的经一维扫描摆动振镜系统（3）反射后的激光扫描分布完全免受直升机载平台（1）的三维姿态角振动的不利影响。其中，所述大尺寸反射镜（501）的长宽为100mm×100mm，采用大尺寸激光反射镜面可有效获取地面反射的激光回波，有利于直升机载激光雷达的远距离探测。所述大尺寸反射镜（501）的镜面支撑杆（502）由四根组成，采用钛合金材料制造，质量轻强度高，两两垂直均匀分布在一个平面内，并与小半球体（530）切平面紧固焊接。所述小半球体（530）是高度略低于球半径的半球体，其采用不锈钢制成，支撑凹球面立柱（522）采用磁性钢做成，可将所述小半球体（530）的球面紧紧吸住，因此所述小半球体（530）的球表面和所述支撑凹球面立柱（522）的支撑凹球面立柱相互配合，形成滑动球面接触，并且在强磁吸力的作用下，结合紧密不易分离，之间没有缝隙，可灵活的绕x和y轴自由转动，因此其运动结构相当于一个磁性球面万向轴承。所述大尺寸反射镜（501）的中心点（529）与所述小半球体（530）的球心位置始终重合，因此当所述小半球体（530）和所述支撑凹球面立柱（522）组成的磁性球面万向轴承绕x和y轴转动时，所述大尺寸反射镜（501）的所述中心点（529）的空间位置相对于机载平台始终保持不变。其中，四个所述支撑杆（502）的端部各安装了万向连杆轴承（503）。所述大尺寸反射镜（501）绕x轴的转动是由x轴直动电机（524）通过x轴驱动连杆2（525）驱动，由x轴光栅尺位移测量传感器（523）测出所述x轴直动电机（524）的实际位移，通过计算可获得所述大尺寸反射镜（501）绕x轴的实际转角。在与安装所述x轴直动电机（524）支撑杆相对方向的支撑杆上，安装了x轴弹性恢复弹簧（505）和x轴阻尼器（506），与x轴驱动连杆1（504）相连，并通过x轴单轴连杆轴（507）与所述大尺寸反射镜（501）相连接，其目的是获得x轴控制系统的最优固有频率和阻尼比，改善所述大尺寸反射镜（501）绕x轴的动态转动特性。其中，所述大尺寸反射镜（501）绕y轴的转动是由y轴直动电机（527）通过y轴驱动连杆2（528）驱动，由y轴光栅尺位移测量传感器（526）测出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，其特征在于包括直升机载平台（1）、高频激光脉冲测距仪（2）、一维扫描摆动振镜系统（3）、三维高精度陀螺仪（4）、三维姿态角振动补偿装置（5）、被测地形（6）；在所述三维姿态角振动补偿装置（5）上，安装了一面大尺寸反射镜（501）；所述高频激光脉冲测距仪（2）、一维扫描摆动振镜系统（3）、三维高精度陀螺仪（4）和三维姿态角振动补偿装置（5）均固定安装在所述直升机载平台（1）上；由所述高频激光脉冲测距仪（2）发出的激光脉冲，经所述一维扫描摆动振镜系统（3）反射后射向所述三维姿态角振动补偿装置（5），经所述三维角振动补偿装置（5）上的所述大尺寸反射镜（501）反射后照向所述被测地形（6）；由所述三维高精度陀螺仪（4）获得所述直升机载平台（1）的实时三维姿态角振动信息，提供给所述三维姿态角振动补偿装置（5）的控制器，使所述三维姿态角振动补偿装置（5）上的所述大尺寸反射镜（501）在所述直升机载平台（1）的三轴方向上做与姿态角振动角度相关的反向转动；在所述直升机载平台（1）的滚动角和俯仰角转动方向上，所述三维姿态角振动补偿装置（5）上的所述大尺寸反射镜（501）的转动状态为反向旋转所述直升机载平台（1）的滚动角和俯仰角振动值的一半；而在所述直升机载平台（1）的偏航角方向上，所述三维姿态角振动补偿装置（5）上的所述大尺寸反射镜（501）的转动状态为实时反向旋转所述直升机载平台（1）的偏航角振动值相同角度，从而可实时高精度的补偿掉所述直升机载平台（1）三维姿态角振动，使所述高频激光脉冲测距仪（2）发出的经所述一维扫描摆动振镜系统（3）反射后的激光扫描分布完全免受所述直升机载平台（1）的三维姿态角振动的不利影响。...

【技术特征摘要】
1.一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，其特征在于包括直升机载平台（1）、高频激光脉冲测距仪（2）、一维扫描摆动振镜系统（3）、三维高精度陀螺仪（4）、三维姿态角振动补偿装置（5）、被测地形（6）；在所述三维姿态角振动补偿装置（5）上，安装了一面大尺寸反射镜（501）；所述高频激光脉冲测距仪（2）、一维扫描摆动振镜系统（3）、三维高精度陀螺仪（4）和三维姿态角振动补偿装置（5）均固定安装在所述直升机载平台（1）上；由所述高频激光脉冲测距仪（2）发出的激光脉冲，经所述一维扫描摆动振镜系统（3）反射后射向所述三维姿态角振动补偿装置（5），经所述三维角振动补偿装置（5）上的所述大尺寸反射镜（501）反射后照向所述被测地形（6）；由所述三维高精度陀螺仪（4）获得所述直升机载平台（1）的实时三维姿态角振动信息，提供给所述三维姿态角振动补偿装置（5）的控制器，使所述三维姿态角振动补偿装置（5）上的所述大尺寸反射镜（501）在所述直升机载平台（1）的三轴方向上做与姿态角振动角度相关的反向转动；在所述直升机载平台（1）的滚动角和俯仰角转动方向上，所述三维姿态角振动补偿装置（5）上的所述大尺寸反射镜（501）的转动状态为反向旋转所述直升机载平台（1）的滚动角和俯仰角振动值的一半；而在所述直升机载平台（1）的偏航角方向上，所述三维姿态角振动补偿装置（5）上的所述大尺寸反射镜（501）的转动状态为实时反向旋转所述直升机载平台（1）的偏航角振动值相同角度，从而可实时高精度的补偿掉所述直升机载平台（1）三维姿态角振动，使所述高频激光脉冲测距仪（2）发出的经所述一维扫描摆动振镜系统（3）反射后的激光扫描分布完全免受所述直升机载平台（1）的三维姿态角振动的不利影响。
2.按照权利要求1所述的一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，其特征在于所述大尺寸反射镜（501）的长宽为100mm×100mm，采用大尺寸激光反射镜面可有效获取地面反射的激光回波，有利于直升机载激光雷达的远距离探测；所述大尺寸反射镜（501）的镜面支撑杆（502）由四根组成，采用钛合金材料制造，质量轻强度高，两两垂直均匀分布在一个平面内，并与小半球体（530）切平面紧固焊接；所述小半球体（530）是高度略低于球半径的半球体，其采用不锈钢制成，支撑凹球面立柱（522）采用磁性钢做成，可将所述小半球体（530）的球面紧紧吸住，因此所述小半球体（530）的球表面和所述支撑凹球面立柱（522）的支撑凹球面立柱相互配合，形成滑动球面接触，并且在强磁吸力的作用下，结合紧密不易分离，之间没有缝隙，可灵活的绕x和y轴自由转动，因此其运动结构相当于一个磁性球面万向轴承；所述大尺寸反射镜（501）的中心点（529）与所述小半球体（530）的球心位置始终重合，因此当所述小半球体（530）和所述支撑凹球面立柱（522）组成的磁性球面万向轴承绕x和y轴转动时，所述大尺寸反射镜（501）的所述中心点（529）的空间位置相对于机载平台始终保持不变。
3.按照权利要求1所述的一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，其特征在于四个所述支撑杆（502）的端部各安装了万向连杆轴承（503）；所述大尺寸反射镜（501）绕x轴的转动是由x轴直动电机（524）通过x轴驱动连杆2（525）驱动，由x轴光栅尺位移测量传感器（523）测出所述x轴直动电机（524）的实际位移，通过计算可获得所述大尺寸反射镜（501）绕x轴的实际转角；在与安装所述x轴直动电机（524）支撑杆相对方向的支撑杆上，安装了x轴弹性恢复弹簧（505）和x轴阻尼器（506），与x轴驱动连杆1（504）相连，并通过x轴单轴连杆轴（507）与所述大尺寸反射镜（501）相连接，其目的是获得x轴控制系统的最优固有频率和阻尼比，改善所述大尺寸反射镜（501）绕x轴的动态转动特性；同样，所述大尺寸反射镜（50...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建军，苗松，李云龙，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37