一种机载光电吊舱的稳定平台的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种机载光电吊舱的稳定平台，包括：现场可编程门阵列FPGA控制器、IMU惯性测量单元和反馈调节单元；所述FPGA控制器分别与所述IMU惯性测量单元和所述反馈调节单元连接；通过设置FPGA控制器、IMU惯性测量单元和反馈调节单元，来对机载光电吊舱的稳定平台进行控制，相对于现有技术中使用陀螺仪对机载光电吊舱系统的姿态进行稳定相比，可以更好的实现平台的稳定，保证载机获得的目标图像的清晰度。
【专利说明】
一种机载光电吊舱的稳定平台
技术领域
[0001]本发明涉及稳定平台领域，具体而言，涉及一种机载光电吊舱的稳定平台。
【背景技术】
[0002]目前，机载光电吊舱系统的工作环境恶劣，载机在飞行时，飞行姿态的变化、机身振动、风阻、机械振动和负载扰动，都给机载光电吊舱系统带来巨大干扰，造成控制系统不稳定的问题，稳定平台控制系统是光电吊舱的重要组成部分，用来隔离机体和外部环境扰动，消除目标图像的抖动，保证传感器成像的稳定性和清晰度。
[0003]相关技术中，光电吊舱稳定控制平台一般由陀螺仪和控制器来实现光电吊舱稳定控制平台的稳定，陀螺仪将稳定平台的方位信息和俯仰信息初递给控制器，控制器通过调节直流电机的力矩等条件来实现稳定控制平台的稳定。
[0004]在实际操作过程中，由于外界干扰因素的复杂多变，导致稳定控制平台系统的陀螺仪在稳定机载光电吊舱系统姿态的过程中存在着不能准确的实现载机定位和灵敏的对平台进行控制的缺陷，从而造成载机获得的目标图像产生抖动且传感器成像的稳定性和清晰度达不到要求的问题。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种机载光电吊舱的稳定平台，以实现准确的对载机进行定位和灵敏的对稳定平台进兴控制，更好的保证载机获得的目标图像的清晰度。
[0006]第一方面，本发明实施例提供了一种机载光电吊舱的稳定平台，包括:包括:现场可编程门阵列(Field — Programmable Gate Array，FPGA)控制器、惯性测量单元(Inertialmeasurement unit，IMU)和反馈调节单元；
[0007]所述FPGA控制器分别与所述頂U惯性测量单元和所述反馈调节单元连接；
[0008]所述IMU惯性测量单元，用于测量光电探测设备的角速度和加速度；
[0009]所述FPGA控制器，用于接收所述MU惯性测量单元发出的所述光电探测设备的角速度和加速度、以及所述反馈调节单元返回的调节反馈信号，并根据接收到的所述角速度、所述加速度和所述调节反馈信号中包含的所述反馈调节单元的角位移对所述反馈调节单元发出控制信号，使得所述反馈调节单元对所述机载光电吊舱的稳定平台进行调节；
[0010]所述反馈调节单元，用于根据所述FPGA控制器发出的控制信号对所述机载光电吊舱的稳定平台的角位移、位移速度和加速度进行控制，并向所述FPGA控制器返回包含所述反馈调节单元角位移的所述调节反馈信号。
[0011]结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述頂U惯性测量单元包括:多个单轴加速度计和多个单轴陀螺仪；
[0012]所述多个单轴加速度计，用于检测所述光电探测设备在所述机载光电吊舱的稳定平台坐标系统独立轴的加速度信号；
[0013]所述多个单轴陀螺仪，用于检测所述机载光电吊舱的稳定平台相对于导航坐标系的角速度信号。
[0014]结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述反馈调节单元包括:驱动机、方位轴电机、俯仰轴电机、方位轴编码器和俯仰轴编码器；
[0015]所述驱动机分别与所述FPGA控制器、所述方位轴电机和所述俯仰轴电机连接；
[0016]所述方位轴编码器分别与所述FPGA控制器和所述方位轴电机连接；
[0017]所述俯仰轴编码器分别与所述FPGA控制器和所述俯仰轴电机连接；
[0018]所述驱动机，用于接收所述FPGA控制器的指令并根据指令控制所述方位轴电机和所述俯仰轴电机移动；
[0019]所述方位轴电机和所述俯仰轴电机，用于分别控制方位轴方向的移动和俯仰轴方向的移动；
[0020]所述方位轴编码器和所述俯仰轴编码器，用于分别测量出所述方位轴电机和所述俯仰轴电机相对方位轴和俯仰轴转动的角位移，并将根据所述角位移生成的所述调节反馈信号传输至FPGA控制器。
[0021]结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述FPGA控制器，通过神经网络算法对所述光电吊舱系统进行控制。
[0022]结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述FPGA控制器还通过所述神经网络算法结合PID比例-积分-微分控制算法，对所述光电吊舱系统进行控制。
[0023]结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述FPGA控制器采用可编程N1SII处理器。
[0024]结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述机载光电吊舱的稳定平台还包括:上位机；
[0025]所述上位机与所述FPGA控制器连接；
[0026]所述上位机，用于向所述FPGA控制器发送上位机指令，使得所述FPGA控制器对所述反馈调节单元发出控制信号。
[0027]结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述陀螺仪为光纤陀螺仪。
[0028]结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述机载光电吊舱的稳定平台还包括:电源；
[0029]所述电源与所述FPGA控制器连接；
[0030]所述电源，用于对所述FPGA控制器供电。
[0031]结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述机载光电吊舱的稳定平台为两轴两框架稳定平台。
[0032]本发明实施例提供的一种机载光电吊舱的稳定平台，通过设置FPGA控制器、MU惯性测量单元和反馈调节单元，来对机载光电吊舱的稳定平台进行控制，相对于现有技术中使用陀螺仪对机载光电吊舱系统的姿态进行稳定相比，可以更好的实现平台的稳定，保证载机获得的目标图像的清晰度。
【附图说明】
[0033]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0034]图1示出了本发明实施例所提供的一种机载光电吊舱的稳定平台的结构示意图；
[0035]附图1中，各标号所代表的部件列表如下:
[0036]10:FPGA控制器，11:頂U惯性测量单元，
[0037]12:驱动机，13:方位轴电机，
[0038]14:方位轴编码器，15:俯仰轴电机，
[0039]16:俯仰轴编码器，17:电源，
[0040]18:上位机。
【具体实施方式】
[0041]下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]考虑到相关技术中，光电吊舱稳定控制平台一般由陀螺仪和控制器来实现光电吊舱稳定控制平台的稳定，陀螺仪将稳定平台的方位信息和俯仰信息初递给控制器，控制器通过调节直流电机的力矩等条件来实现稳定控制平台的稳定。在实际操作过程中，由于外界干扰因素的复杂多变，导致稳定控制平台系统的陀螺仪在稳定机载光电吊舱系统姿态的过程中存在着不能准确的实现载机定位和灵敏的对平台进行控制的缺陷，从而造成载机获得的目标图像产生抖动且传感器成像的稳定性和清晰度达不到要求的问题。基于此，本发明实施例提供了一种机载光电吊舱的稳定平台，下面通过实施例进行描述。
[0043]实施例
[0044]为了实现准确的对载机进行定位和灵敏的对稳定平台进兴控制，更好的保证载机获得的目标图像的清晰度。参见图1，本实施例提供一种机载光电吊舱的稳定平台，包括:FPGA控制器1、IMU惯性测量单元11和反馈调节单元；
[0045]FPGA控制器10分别与IMU惯性测量单元11和反馈调节单元连接；
[0046]IMU惯性测量单元11，用于测量光电探测设备的角速度和加速度；
[0047]FPGA控制器10，用于接收頂U惯性测量单元11发出的光电探测设备的角速度和加速度、以及反馈调节单元返回的调节反馈信号，并根据接收到的角速度、加速度和调节反馈信号中包含的反馈调节单元的角位移对反馈调节单元发出控制信号，使得反馈调节单元对机载光电吊舱的稳定平台进行调节；
[0048]反馈调节单元，用于根据FPGA控制器10发出的控制信号对机载光电吊舱的稳定平台的角位移、位移速度和加速度进行控制，并向FPGA控制器10返回包含反馈调节单元角位移的调节反馈信号。
[0049]为了准确的测量机载光电吊舱的稳定平台的角速度和加速度。本实施例提供一种机载光电吊舱的稳定平台中，IMU惯性测量单元11包括:多个单轴加速度计和多个单轴陀螺仪；
[0050]多个单轴加速度计，用于检测光电探测设备在机载光电吊舱的稳定平台坐标系统独立轴的加速度信号；
[0051]多个单轴陀螺仪，用于检测机载光电吊舱的稳定平台相对于导航坐标系的角速度信号。
[0052]通过以上实施例可以看出，光电探测设备相对于坐标系统独立轴的加速度信号由单轴加速度计测量，角速度信号由单轴陀螺仪测量，其中，机载光电吊舱稳定平台坐标系统，是指以机载光电吊舱为基准建立的坐标系；导航坐标系，是指在卫星导航定位系统中，轨道数据为地心地固系下的数据，这样能保证最终的定位结果和轨道数据同属于相同的坐标参照系，以方便进行相关计算。采用IMU惯性测量单元11的实时控制系统，实现吊舱平台高稳定性的同时实现实时定位跟踪。
[0053]为了实现对机载光电吊舱的稳定平台的有效调节，保持机载光电吊舱稳定平台的稳定。本实施例提供一种机载光电吊舱的稳定平台，反馈调节单元包括:驱动机12、方位轴电机13、俯仰轴电机15、方位轴编码器14和俯仰轴编码器16;
[0054]驱动机12分别与FPGA控制器10、方位轴电机13和俯仰轴电机15连接；
[0055]方位轴编码器14分别与FPGA控制器10和方位轴电机13连接；
[0056]俯仰轴编码器16分别与FPGA控制器10和俯仰轴电机15连接；
[0057]驱动机12，用于接收FPGA控制器10的指令并根据指令控制方位轴电机13和俯仰轴电机15移动；
[0058]方位轴电机13和俯仰轴电机15，用于分别控制方位轴方向的移动和俯仰轴方向的移动；
[0059]方位轴编码器14和俯仰轴编码器16，用于分别测量出方位轴电机13和俯仰轴电机15相对方位轴和俯仰轴转动的角位移，并将根据角位移生成的调节反馈信号传输至FPGA控制器10。
[0060]通过以上实施例可以看出，方位轴编码器14和俯仰轴编码器16分别测量出方位轴电机13和俯仰轴电机15相对轴系转动的角位移并，把角位移传输至FPGA控制器10，从而实现方位轴和俯仰轴的解耦和平台位置环路的闭环随动。FPGA控制器10能够根据控制性能要求和被控对象模型做出合适的控制决策，并把控制信号传输给方位轴电机13和俯仰轴电机15，实现稳定、快速和精确的控制。
[0061]为了实现对机载光电吊舱的实际控制和实时跟踪。本实施例提供一种机载光电吊舱的稳定平台，FPGA控制器10，通过神经网络算法对光电吊舱系统进行控制。
[0062]通过以上实施例可以看出，通过基于神经网络的FPGA控制器10，采用布谷鸟搜索算法优化，对吊舱系统进行控制，有效解决光电吊舱在空中易受飞机姿态变化、风阻、机械振动、负载扰动等影响而造成控制系统不稳定的问题，实现吊舱的实际控制和实时跟踪。
[0063]为了实现机载光电吊舱的稳定，遥控跟踪。本实施例提供一种机载光电吊舱的稳定平台，FPGA控制器10还通过神经网络算法结合PID比例-积分-微分控制算法，对光电吊舱系统进行控制。
[0064]通过以上实施例可以看出，将神经网络算法与PID控制算法相结合应用到机载光电吊舱的稳定平台中，实现了机载光电吊舱的稳定平台的稳定、遥控稳定跟踪。
[0065]为了实现FPGA控制器10能够实现程序可编辑。本实施例提供一种机载光电吊舱的稳定平台，FPGA控制器10采用可编程N1SII处理器。
[0066]通过以上实施例可以看出，采用ALTERA公司生产的CYCLONE系列FPGA作为核心，能够使设计者在很短时间内构建一个完整的可编程系统。利用SOPC Builder软件自定义一款N1SII处理器，其中主频、外围接口、定时器均可灵活配置，能够满足设计要求。
[0067]为了对FPGA控制器10的控制命令进行控制。本实施例提供一种巷道锚杆监测系统，机载光电吊舱的稳定平台，机载光电吊舱的稳定平台还包括:上位机18;
[0068]上位机18与FPGA控制器10连接；
[0069]上位机18，用于向FPGA控制器10发送上位机18指令，使得FPGA控制器10对反馈调节单元发出控制信号。
[0070]通过以上实施例可以看出，上位机18向FPGA控制器10发送上位机18指令，FPGA控制器10根据上位机18指令对反馈调节单元进行控制。
[0071]为了准确的敏感机载光电吊舱的稳定平台的角位移。本实施例提供一种机载光电吊舱的稳定平台，陀螺仪为光纤陀螺仪。
[0072]光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播，光传播路径的改变，决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻;与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。
[0073]为了给FPGA控制器10供电，保持FPGA控制器10正常工作。本实施例提供一种机载光电吊舱的稳定平台，机载光电吊舱的稳定平台还包括:电源17;电源17与FPGA控制器10连接;电源17，用于对FPGA控制器1供电。
[0074]其中，该电源17为可拆卸二次电池，持续为FPGA控制器1供电，保证FPGA正常工作，对整个机载光电吊舱的稳定平台进行控制。
[0075]为了保持机载光电吊舱的稳定平台的稳定。本实施例提供一种机载光电吊舱的稳定平台，机载光电吊舱的稳定平台为两轴两框架稳定平台。
[0076]其中，方位-俯仰两轴两框架结构已经较为成熟，俯仰框架为平台内框架跟随俯仰轴系运动，方位框架为平台外框架跟随方位轴系转动。
[0077]机载光电吊舱的稳定平台的控制系统主要有以下几种工作模式:
[0078]1、稳定模式:隔离外部扰动引起的视轴抖动，保证照相机成像清晰。在该模式下，系统被控量是相对惯性空间的角速度，且参考输入恒为0，因此平台通过光纤陀螺敏感光电负载视轴在惯性空间内的角速度变化，并将其作为反馈信号传输至平台的控制器。控制器按照“最大程度隔离外部扰动”的准则设计，通过速度回路控制实现平台的稳定功能。
[0079]2、自动跟踪模式:根据摄像机获取的视频信息，实现目标的自动搜索和跟踪。在此模式下，不存在视轴稳定的问题，系统被控量是相对惯性空间的脱靶量，因此平台通过积分光纤陀螺仪敏感到的角速度值得到相对惯性空间的角位移变化，并将其作为反馈信号传输至平台的控制器。控制器按照“以最快速度跟踪上参考输入”的准则设计，通过位置回路控制实现平台的搜索跟踪功能。
[0080]3、相机扫描侦查模式:当照相机在某个方向成像后，将转动至下一个预先设定的方向成像，然后依次循环摆扫，获得不同方位的图像信息。因此该模式包括视轴稳定和位置转移两个部分。在视轴稳定时，控制系统工作于稳定模式，在平台平稳转动时，控制系统工作的位置随动模式。
[0081]4、操纵杆随动模式:根据摄像机获取的视频信息，通过跟随操作杆指令，实现目标的手动搜索和跟踪。在此模式下，不存在视轴稳定的问题，系统被控量是相对基座空间的角位移，因此平台通过光电编码器测量平台相对基座空间的角速度和角位移变化，并将其作为反馈信号传输至平台的控制器。控制器按照“无静差随动操纵杆指令”的准则设计，通过位置回路控制实现平台的手动搜索跟踪功能。
[0082]综上所述，通过设置FPGA控制器、IMU惯性测量单元和反馈调节单元，来对机载光电吊舱的稳定平台进行控制，相对于现有技术中使用陀螺仪对机载光电吊舱系统的姿态进行稳定相比，可以更好的实现平台的稳定，保证载机获得的目标图像的清晰度。
[0083]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，包括:现场可编程门阵列FPGA控制器、IMU惯性测量单元和反馈调节单元； 所述FPGA控制器分别与所述頂U惯性测量单元和所述反馈调节单元连接； 所述IMU惯性测量单元，用于测量光电探测设备的角速度和加速度； 所述FPGA控制器，用于接收所述IMU惯性测量单元发出的所述光电探测设备的角速度和加速度、以及所述反馈调节单元返回的调节反馈信号，并根据接收到的所述角速度、所述加速度和所述调节反馈信号中包含的所述反馈调节单元的角位移对所述反馈调节单元发出控制信号，使得所述反馈调节单元对所述机载光电吊舱的稳定平台进行调节； 所述反馈调节单元，用于根据所述FPGA控制器发出的控制信号对所述机载光电吊舱的稳定平台的角位移、位移速度和加速度进行控制，并向所述FPGA控制器返回包含所述反馈调节单元角位移的所述调节反馈信号。2.根据权利要求1所述的机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，所述IMU惯性测量单元包括:多个单轴加速度计和多个单轴陀螺仪； 所述多个单轴加速度计，用于检测所述光电探测设备在所述机载光电吊舱的稳定平台坐标系统独立轴的加速度信号； 所述多个单轴陀螺仪，用于检测所述机载光电吊舱的稳定平台相对于导航坐标系的角速度信号。3.根据权利要求1所述的机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，所述反馈调节单元包括:驱动机、方位轴电机、俯仰轴电机、方位轴编码器和俯仰轴编码器； 所述驱动机分别与所述FPGA控制器、所述方位轴电机和所述俯仰轴电机连接； 所述方位轴编码器分别与所述FPGA控制器和所述方位轴电机连接； 所述俯仰轴编码器分别与所述FPGA控制器和所述俯仰轴电机连接； 所述驱动机，用于接收所述FPGA控制器的指令并根据指令控制所述方位轴电机和所述俯仰轴电机移动； 所述方位轴电机和所述俯仰轴电机，用于分别控制方位轴方向的移动和俯仰轴方向的移动； 所述方位轴编码器和所述俯仰轴编码器，用于分别测量出所述方位轴电机和所述俯仰轴电机相对方位轴和俯仰轴转动的角位移，并将根据所述角位移生成的所述调节反馈信号传输至FPGA控制器。4.根据权利要求1所述的机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，所述FPGA控制器，通过神经网络算法对所述光电吊舱系统进行控制。5.根据权利要求4所述的机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，所述FPGA控制器还通过所述神经网络算法结合PID比例-积分-微分控制算法，对所述光电吊舱系统进行控制。6.根据权利要求1所述的机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，所述FPGA控制器采用可编程N1SII处理器。7.根据权利要求1所述的机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，所述机载光电吊舱的稳定平台还包括:上位机； 所述上位机与所述FPGA控制器连接； 所述上位机，用于向所述FPGA控制器发送上位机指令，使得所述FPGA控制器对所述反馈调节单元发出控制信号。8.根据权利要求2所述的机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，所述陀螺仪为光纤陀螺仪。9.根据权利要求7所述的机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，所述机载光电吊舱的稳定平台还包括:电源； 所述电源与所述FPGA控制器连接； 所述电源，用于对所述FPGA控制器供电。10.根据权利要求1所述的机载光电吊舱的稳定平台，其特征在于，所述机载光电吊舱的稳定平台为两轴两框架稳定平台。
【文档编号】B64D47/00GK105947227SQ201610362914
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】马贺平, 王坚, 季晟
【申请人】苏州天地衡遥感科技有限公司, 王坚, 马贺平, 季晟