专利名称：基于光流和附加信息的飞行体姿态测量方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及航空领域，尤其涉及一种基于光流和附加信息的飞行体姿态测量方法与系统。
背景技术：
飞机飞行姿态是指飞机在飞行过程中俯仰、滚转、偏航的程度，其可以量化为俯仰角、滚转角、偏航角。为保证飞机正常飞行，需要对飞机的飞行姿态进行测量和控制。目前常用的飞机姿态测量方法是机械陀螺仪和光纤陀螺仪。机械陀螺仪依靠转子的空间指向稳定性确定飞机姿态，由于摩擦等原因的影响，转子轴向会逐渐偏离原来位置，随着时间的推移，输出的飞机姿态会逐渐偏离真实情况。光纤陀螺仪测量俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度，然后积分得到俯仰角、滚转角、偏航角，随着时间的推移，计算得到的角度值偏差会越来越大。为了保持姿态测量的精度，需要一种测量精度不随时间变化的测量方法来测量飞机飞行姿态，或使用该方法对陀螺仪进行校准。对于小型无人机，陀螺仪价格高、重量大，且降落时易因受到机械冲击而发生损坏。因此，需要有一种价格低、重量轻、耐机械冲击的飞机飞行姿态测量系统。目前有一些基于一维和二维图像识别的飞行体姿态测量方法，但其有较大的局限性。地平线识别方法可以给出飞行体滚转角，但差分得到的滚转角速度不够准确，在识别俯仰角、俯仰角速度和偏航角速度方面尚有困难，且受地平线处地形影响，不适合在地形起伏较大的地区使用，也不适合在城市楼群中、森林中和室内环境使用。飞行体起飞着陆和低空飞行时，红外地平仪受建筑、车辆、人、动物等地面物体影响，在早晨和傍晚，红外地平仪受太阳影响。光流是空间运动物体在观测平面上所成的像的运动速度，光流法能够在不知道场景的任何信息的情况下，检测出运动对象，并判断其运动情况。目前，光流方法已经在飞行体姿态测量方面有所应用，如瑞士 EcolePolytechnique Federale de Lausanne (EPFL)制成的一维光流信息飞机姿态感知和控制系统，可以测量偏航角速度，并以此积分出偏航角度；另外，专利申请“CN102654917A，运动体运动姿态感知方法及系统”中所述的运动体运动姿态感知方法及系统使用纯光流方法测量运动体的运动姿态，其虽能计算得到飞机姿态的全部信息，但需对所有光流传感器的信息进行联合求解，需要求解大规模超越方程组，该方程组解析解推导较为复杂，而其数值求解较慢，当飞行体控制需要较快的数据更新速度时，需要使用昂贵的高速计算芯片才能满足要求。为了降低飞行体制造成本、方便飞行体设计，需要一种能够尽量使用飞行体已有设备和系统的飞行体姿态测量方法。
发明内容
对上述问题，本发明提供了一种能够提供测量精度不随时间推移而降低的，价格低廉，耐机械冲击的飞行体姿态测量方法与系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:本发明公开了一种飞行体姿态测量方法，其包括:步骤1、测量飞行体下视方向的光流信息，同时测量附加信息；所述附加信息包括飞行体的位置信息或部分姿态信息；步骤2、根据所测得的光流信息和附加信息，判断是否具有足够的正确测量信息；若足够则执行步骤3，否则发出报警信号；步骤3、根据所测得的光流信息和附加信息解算飞行体的飞行姿态信息，并将得到的姿态信息输出。本发明还公开了一种飞行体姿态测量系统，其包括:光流信息测量单元，用于测量飞行体下视方向的光流信息；附加信息测量单元，用于测量飞行体的附加信息；所述附加信息包括飞行体的位置信息或部分姿态信息；测量信息检查器:用于检查光流信息测量单元和附加信息测量单元是否测出足够的正确测量信息，如果足够，则将足够的正确测量信息发送给飞行姿态解算器，否则发出报
警信号；飞行姿态解算器:用于根据从测量信息检查器接收到的光流信息和附加信息计算输出飞行体的姿态信息。本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点:I)本发明可配合速率陀螺，直接输出飞行体姿态角度、姿态角角速度、相对地面高度，无积分误差，输出值的精度不随时间推移而降低。2)本发明中，所述姿态解算系统计算飞行体飞行姿态使用的算法为解代数方程组，不需要积分即可获得俯仰角、滚转角、俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度，因此上述五个姿态信息无积分误差，其测量精度不随时间的推移而变差，特别适合导弹等需要长时间依靠惯性导航飞行的飞行体的姿态测量和上述飞行体所搭载陀螺仪的校准；3)本发明中，使用飞机偏航角速度积分得到飞机偏航角，故可以提供飞机偏航角信息；4)本发明在附加信息测量系统使用特定种类的测量单元时，可以测量飞行体距地面的飞行高度；5)本发明在附加信息测量系统使用特定种类的测量单元时，可以在室内、楼群中、树林中等环境中使用；6)本发明中，所述光流测量系统，使用的光流传感器价格低、重量轻、耐机械冲击，可以适用于低成本小型无人飞行体，或其它动态系统的低成本姿态测量；7)本发明中，可通过增加光流传感器个数和附加信息测量单元个数，作为冗余备份，确保任意时刻始终有足够多的正确的光流信息和附加信息，提高系统的可靠性；8)本发明可与多种设备配合，最大限度利用飞行体原有设备。本发明可提高飞行体性能，降低飞行体制造成本，减轻飞行体重量，因此，可广泛应用于飞机/导弹姿态测量和陀螺仪校准等领域，并可应用于任何动态系统的长时间低成本姿态测量。
图1是本发明中飞行体姿态测量方法流程示意图；图2是本发明中飞机参考系与地面坐标系之间的关系不意图；图3是本发明中光流传感器参考系与地面坐标系之间的关系示意图；图4是本发明中飞行体姿态测量系统结构图；图5是本发明中飞行体姿态测量系统的一个优选实施例；图6是本发明中飞行体姿态测量系统的另一优选实施例；图7是本发明中飞行体姿态测量系统的另一优选实施例；图8是本发明中飞行体姿态测量系统的另一优选实施例。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1是本发明中飞行体姿态测量方法流程示意图，如图1所示，本发明公开了一种飞行体姿态测量方法。该方法包括以下步骤:步骤1、测量飞行体下视方向的光流信息，同时测量附加信息；其中飞行体可以是飞机、小型无人机、导弹等飞行体；所述光流，指一个相机拍摄的连续图像中，图像中特征物体的移动情况，其正比于相机和被拍摄物体的横向相对速度，反比于相机和被拍摄物体的距离；所述光流信息可以通过一个或多个光流传感器获得，也可以通过摄像头连续捕捉图像计算获得；所述附加信息包括飞行体的位置信息和/或部分姿态信息，如飞行体上任意一点相对于地面的高度、飞行体上任意一点到地面上正对点的距离、飞行体的至少一个姿态角、飞行体的至少一个姿态角角速度等；所述飞行体上任意一点到地面上正对点，为从飞行体上这点沿一相对飞行体确定的方向延伸的射线与地面的交点。步骤2、根据所测得的光流信息和附加信息，判断是否具有足够的正确测量信息；若足够则执行步骤3，否则发出报警信号；步骤3、根据所测得的光流信息和附加信息解算飞行体的飞行姿态信息，并将得到的姿态信息输出至外接设备，其中所述姿态信息包括飞行体的俯仰角、滚转角、偏航角角速度、俯仰角角速度和滚转角角速度。所述外接设备可以包括但不限于计算机、机载总线、通信设备等。所述测量信息不正确，其可能包括无信号、信号过大或过小等，其可能的原因包括但不限于光流传感器故障、附加信息测量单元故障、被测值超出光流传感器或附加信息测量单元等测量设备的量程等。图2为本发明中飞机参考系与地面坐标系之间的关系示意图。以飞机为例，取飞机参考系为前-左-上坐标系，如图2所示，其中，i对应飞机飞行前向，>对应飞机左翼指向d对应飞机机体正上方。飞机参考系的原点在地面系OXYZ中的坐标为:R= (x y ζ)τ,
飞机平动速度为:v = (i y i)T，1、>、i分别为三个方向的平动速度分量，符号上
方的点表示相应物理量对时间的导数。对于现有飞机姿态测量系统，陀螺仪测得的三轴角速度为绕i i i三轴转动的角速度。故建立3-2-1转动系，三个姿态角依次为Y β α，分别对应偏航角、俯仰角和滚转角。由飞机参考系到地面参考系的坐标转换矩阵为Α，如下表示:
权利要求
1.一种飞行体姿态测量方法，其包括: 步骤1、测量飞行体下视方向的光流信息，同时测量附加信息；所述附加信息包括飞行体的位置信息或部分姿态信息； 步骤2、根据所测得的光流信息和附加信息，判断是否具有足够的正确测量信息；若足够则执行步骤3，否则发出报警信号； 步骤3、根据所测得的光流信息和附加信息解算飞行体的飞行姿态信息，并将得到的姿态信息输出。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光流信息通过多个光流传感器获得，或通过摄像头连续捕捉图像计算获得；所述姿态信息包括飞行体的俯仰角、滚转角、偏航角角速度、俯仰角角速度和滚转角角速度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加信息为下列信息的一个或若干个的组合:飞行体上任意一点相对于地面的高度、飞行体上任意一点到地面上正对点的距离、飞行体的俯仰角和滚转角中的至少一个、飞行体的至少一个姿态角角速度。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述飞行体上任意一点到地面上正对点，为从飞行体上这点沿一相对飞行体确定的方向延伸的射线与地面的交点。
5.如权利要求1或3所述的方法，其特征还在于，当所述附加信息为飞行体相对地面的姿态角或姿态角速度时，解算飞行体的飞行姿态信息之前根据所述光流信息和姿态角或姿态角速度计算得到飞行体相对地面的高度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中通过下面的方程解算得到飞行体的姿态信息:
7.一种飞行体姿态测量系统，其包括: 光流信息测量单元，用于测量飞行体下视方向的光流信息； 附加信息测量单元，用于测量飞行体的附加信息；所述附加信息包括飞行体的位置信息或部分姿态信息； 测量信息检查器:用于检查光流信息测量单元和附加信息测量单元是否测出足够的正确测量信息，如果足够，则将足够的正确测量信息发送给飞行姿态解算器，否则发出报警信号; 飞行姿态解算器:用于根据从测量信息检查器接收到的光流信息和附加信息计算输出飞行体的姿态信息。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光流信息测量单元包括:光流传感器，带有计算光流功能的摄像头，摄像头和光流计算设备的组合。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述附加信息测量单元，为下列测量单元的一个或若干个的组合:高度测量单元、距离测量单元、姿态角度测量单元、姿态角角速度测量单元。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述附加信息为下列信息的一个或若干个的组合:飞行体上某点相对于地面的高度、飞行体上某点到地面上正对点的距离、飞行体的某个姿态角、飞行体的某个姿态角角速度。
全文摘要
本发明公开了一种飞行体姿态测量方法与系统，主要是为了能够高效、可靠地测量飞行体姿态而设计。本发明所述方法包括连续测量飞行体上若干点处下视方向光流信息；连续测量飞行体上若干点处下列附加信息的一种或几种高度信息，距地面距离信息，部分姿态角度信息，部分姿态角角速度信息；基于测量得到的光流信息和附加信息解算出飞行体的运动姿态；将得到的运动姿态输出到外接设备。基于上述步骤，本发明能够测量飞行体姿态，可用于飞机、导弹的飞行姿态测量和控制、陀螺仪的校准、地表地形的测量，也可用于其他需要测量一个物体相对一平面的运动姿态的情形。
文档编号G01C21/00GK103196443SQ20131012142
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者王宁羽 申请人:王宁羽