專利名稱：：一種無人機實時目標信息解算器和解算的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種實時解算地面固定或臨時目標位置的裝置，可同步提供目標的三維實時位置信息，屬于微電子領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：有效載荷作為無人偵察機的重要組成部分，在實際應(yīng)用中需要將有效載荷鎖定的目標位置轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信息，以提供給用戶?，F(xiàn)有的系統(tǒng)是通過數(shù)傳將機載信息以及有效載荷平臺信息傳至地面，在地面進行解算。但由于數(shù)傳鏈路、位置解算、圖像壓縮解壓縮等過程產(chǎn)生的延時，地面解算得到的信息與實際圖^f象無法匹配。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能在機上對有效載荷平臺信息進行解算，再將解算結(jié)果與機上圖像進行字幕疊加，然后將圖像、位置信息同時下傳至地面，保證圖像信息上的目標點與位置凄t據(jù)吻合的解算器和解算的方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種無人機實時目標信息解算器，包括DSP電路、UART電路、CPLD電路和電平轉(zhuǎn)換電路，DSP電路同UART電路和CPLD電路數(shù)據(jù)線連接，CPLD電路控制UART電路和DSP電路的地址譯碼，UART電路通過電平轉(zhuǎn)換電路與飛控計算機、有效載荷和數(shù)傳之間數(shù)據(jù)傳輸，有效載荷鎖定的目標位置信息通過電平轉(zhuǎn)換電路經(jīng)UART電路發(fā)送到DSP電路，DSP電路完成位置解算，解算的結(jié)果和飛控計算機的機上圖像進行字幕疊加，通過數(shù)傳將圖^f象和解算的位置信息同時下傳到地面。所述的DSP電路采用Tl的浮點數(shù)字信號處理器TMS320VC33，程序存儲采用一片SST的3.3VFLASH39VF040,時鐘采用20MHz的微型晶振，PLL時鐘電路控制按5倍頻方式連接。所述的UART電路采用ST16C554。所述的CPLD電路采用LATTICE公司的M4A3-64/64，其電壓為3.3V，輸入輸出3V/5V兼容。所述的電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX202電路芯片完成TTL到RS-232的電平轉(zhuǎn)換，采用SN65LBC185完成TTL到RS-422的邏輯變換。一種無人機實時目標信息解算的方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn)(1)建立相關(guān)坐標系即光學(xué)偵察系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺坐標系、無人機機體坐標系和無人機地理坐標，光學(xué)偵察系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺坐標系X軸為光學(xué)偵察系統(tǒng)攝像機鏡頭所指方向，Z軸從光學(xué)偵察系統(tǒng)攝像機鏡頭左指向右，Y軸由光學(xué)偵察系統(tǒng)攝像機鏡頭腹部指向鏡頭背部，原點位于轉(zhuǎn)軸中心；無人機機體坐標系X軸從飛機縱軸指向機頭，Z軸從左翼指向右翼，Y軸由機腹指向機背；無人機地理坐標系X軸從飛機質(zhì)心指向正北，Z軸從飛機質(zhì)心指向正東，Y軸由飛機質(zhì)心指向地心，即北-東-地坐標系；(2)光學(xué)偵察系統(tǒng)測出目標的測距值L、鏡頭俯仰角ot、方位角P,無人機導(dǎo)航系統(tǒng)測出方位角ijj、俯仰角e及橫滾角Y;(3)用步驟(2)測得的方位角屮、俯仰角e及橫滾角Y形成歐拉角轉(zhuǎn)換矩陣，以完成無人機地理坐標系到才幾體坐標系的轉(zhuǎn)換；(4)用步驟(2)測得的鏡頭俯仰角a、方位角P形成歐拉角轉(zhuǎn)換矩陣，以完成無人機機體坐標系到偵察轉(zhuǎn)臺坐標系的轉(zhuǎn)換；(5)利用步驟(3)和(4)中形成的歐拉角轉(zhuǎn)換矩陣相乘，得到無人機地理坐標系到偵察轉(zhuǎn)臺坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣；(6)利用步驟(5)無人機地理坐標系到偵察轉(zhuǎn)臺坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，解算目標在無人機地理系的坐標值X，Y,Z;(7)根據(jù)步驟(6)得到的X、丫、Z的值，以及地球半徑r、無人機經(jīng)度J,、綿度W和高度G,求得目標點的相對于無人機的經(jīng)度、綽度及高度的偏移量jwgoffset[O]=arctg(Z/(r+G+丫))jwgoffset[1]=arctg(X/(r+G+Y))jwgoffset[2]二Y其中jwgoffset[O]為經(jīng)度偏移量(Z方向)，jwgoffset[1]為綿度偏移量(X方向)，jwgoffset[2]為高度偏移量(Y方向)，負值；(8)根據(jù)步驟(7)中得到的經(jīng)度、綿度及高度的偏移量，解得目標的經(jīng)度jwg[O]=J+jwgoffset=W+jwgoffset[1]，高度jwg[2]:G+jwgoffset[2]。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(1)本發(fā)明采用在機上用DSP嵌入式系統(tǒng)同步進行信息實時解算，能克服現(xiàn)有技術(shù)在地面解算得到的信息與實際圖像無法匹配的問題，在機上對位置目標信息進行實時解算；(2)本發(fā)明采用特殊算法，解算結(jié)果與機上圖像進行字幕疊加，然后將疊加目標位置信息的圖像下傳至地面，保證圖像信息上的目標點與位置數(shù)據(jù)吻合。圖1為本發(fā)明的電路原理框圖2為本發(fā)明在機上與有效載荷、數(shù)傳以及飛控計算機的相互關(guān)系示意圖；圖3為本發(fā)明待測目標在無人機機體坐標系的位置關(guān)系示意圖。具體實施例方式如圖1所示，無人機實時目標信息解算器，包括DSP電路、UART電路、CPLD電路和電平轉(zhuǎn)換電路，DSP電路同UART電路和CPLD電路數(shù)據(jù)線連接，CPLD電路控制UART電路和DSP電路的地址譯碼，UART電路通過電平轉(zhuǎn)換電路與飛控計算機、有效載荷和數(shù)傳之間數(shù)據(jù)傳輸，有效載荷鎖定的目標位置信息通過電平轉(zhuǎn)換電路經(jīng)UART電路發(fā)送到DSP電路，DSP電路完成位置解算，解算的結(jié)果和飛控計算機的機上圖像進行字幕疊加，通過數(shù)傳將圖像和解算的位置信息同時下傳到地面。DSP電路DSP采用Tl的浮點數(shù)字信號處理器TMS320VC33,其最高運算速度達150MFLOPS,具有40位的浮點處理能力。運算能力完全滿足系統(tǒng)需要。該芯片具有34K32位的內(nèi)部SRAM，并具有DMA傳輸能力，內(nèi)部具有兩個32位的硬件計數(shù)器和一個功能強大的高速串口。DSP的程序存儲采用一片SST的3.3VFLASH39VF040,在上電時，DSP的Bootloader將FLASH里的程序一次性讀入DSP內(nèi)部SRAM高速運行。DSP的時鐘采用20MHz的微型晶振，經(jīng)CPLD分別送給兩片DSP,DSP的PLL時鐘電路控制按5倍頻方式連接，使內(nèi)部DSP工作于100MHz。UART電路DSP擴展三個UART接口，分別與有效載荷、數(shù)傳以及飛控計算機進行數(shù)據(jù)交換。UART采用ST16C554,該集成電路具備四路UART接口電路。ST16C554的地址譯碼、片選以及讀寫控制由DSP通過CPLD控制。CPLD電路系統(tǒng)的整體時序及邏輯控制由一片CPLD完成，其主要功能是DSP的地址譯碼、UART控制等。CPLD采用LATTICE公司的M4A3-64/64,其電壓為3.3V，輸入輸出3V/5V兼容，有助于3.3VI/O的DSP與其它芯片的銜接。電平轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)字TTL邏輯電平到標準的RS-232、RS422電平轉(zhuǎn)換。采用MAX202電路芯片完成TTL到RS-232的電平轉(zhuǎn)換，采用SN65LBC185完成TTL到RS-422的邏輯變換。解算器工作原理解算器在機上與有效載荷、數(shù)傳以及飛控計算機的相互關(guān)系如圖2所示，圖2中①為已疊加目標位置信息的圖像信號；②為偵察系統(tǒng)信息(轉(zhuǎn)臺角度、目標測距數(shù)據(jù))；③為無人機信息(位置、姿態(tài)數(shù)據(jù))；④為目標位置信息。光學(xué)偵察系統(tǒng)將測量到的目標的測距值L、鏡頭俯仰角a、方位角P傳輸?shù)浇馑闫鳎w控計算機將測出的方位角屮、俯仰角e、橫滾角y及無人機經(jīng)度、煒度和高度(J，W,G)傳輸?shù)浇馑闫?，解算器進行解算后將算得的目標位置信息反饋回光學(xué)偵察系統(tǒng)和飛控計算機，同時將目標位置信息傳輸?shù)綑C上圖像/數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；光學(xué)偵察系統(tǒng)將已疊加目標位置信息的圖像信號傳輸?shù)綑C上圖像/數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，機上圖像/數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將目標位置信息和已疊加目標位置信息的圖像信號傳輸?shù)降孛鎴D^象/數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)上，再轉(zhuǎn)到地面控制站。實際解算過程1、建立相關(guān)坐標系即光學(xué)偵察系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺坐標系、無人機機體坐標系和無人才/U也理坐標，光學(xué)偵察系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺坐標系X軸為光學(xué)偵察系統(tǒng)攝像機鏡頭所指方向，Z軸從光學(xué)偵察系統(tǒng)攝像機鏡頭左指向右，Y軸由光學(xué)偵察系統(tǒng)攝像機鏡頭腹部指向鏡頭背部，原點位于轉(zhuǎn)軸中心；無人機機體坐標系X軸從飛機縱軸指向機頭，Z軸從左翼指向右翼，Y軸由機腹指向機背；無人機地理坐標系X軸從飛機質(zhì)心指向正北，Z軸從飛機質(zhì)心指向正東，Y軸由飛機質(zhì)心指向地心，即北-東-地坐標系。2、光學(xué)偵察系統(tǒng)測出目標的測距值L,鏡頭俯仰角a、方位角P，待測目標在無人機機體坐標系的位置關(guān)系如圖3所示。無人機導(dǎo)航系統(tǒng)測出方位角屮、俯仰角e及才黃滾角y。屮、e、Y、a、P測量數(shù)值見表1。表1:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>3、將測得的方位角屮、俯仰角8及橫滾角y通過A1=[cos(-屮)0-sin(-屮)010(1)sin(-i|j)0cos(-A2=[cos(S)sin(e)0-sin(8)cos(e)0(2)001]A3=[1000cos(y)sin(y)(3)0-sin(y)cos(y)]形成無人機地理坐標系到機體坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣A1、A2、A3。4、將測得的鏡頭俯仰角cc、方位角P通過A4=[cos(-|3)0-sin(-(3)010(4)sin(-p)0cos(-p)]A5=[cos(-(pi/2-a))sin(-(pi/2-a))0-sin(隱(pi/2-ot))cos(-(pi/2-a))0(5)001]形成成無人機機體坐標系到偵察轉(zhuǎn)臺坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣A4、A5c5、由A1、A2、A3、A4和A5，通過<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(6)完成無人機地理坐標系到偵察轉(zhuǎn)臺坐標系的轉(zhuǎn)換。6、設(shè)定AO=A5*A4*A3*A2*A1=[A0(1'1)A0(1，2)A0(1，3)A0(2'1)A0(2'2)A0(2,3)(7)A0(3,1)A0(3,2)A0(3,3)1根據(jù)公式(6)，解算目標在無人機地理系的坐標值(X，丫，Z):X=L*(A0(3,3)*A0(2,2)-A0(3'2)*A0(2,3))/(-A0(3,1)*A0(1，3)*A0(2,2)+A0(3，1)*A0(1,2)*A0(2,3)+A0(1,1)*A0(3,3)*A0(2,2)(9)+A0(1,3)*A0(2,1)*A0(3'2)國A0(1'2廣A0(2'1)*A0(3,3)-A0(1,1)*A0(3'2)*A0(2,3》Y--L*(-A0(3,1)*A0(2,3)+A0(2,1)*A0(3,3))/(-A0(3,1)*A0(1,3)*A0(2,2)+A0(3,1)*A0(1,2)*A0(2'3)+A0(1,1)*A0(3,3)*A0(2，2)+A0(1,3)*A0(2,1)*A0(3'2)(10)-A0(1,2)*A0(2,1)*A0(3，3)-A0(1,1)*A0(3,2)*A0(2,3"Z-L*(-A0(3，1)*A0(2,2)+A0(2,1)*A0(3,2))/(-A0(3，1)*A0(1,3)*A0(2,2)+A0(3,1)*A0(1,2)*A0(2,3)+A0(1,1)*A0(3'3)*A0(2,2)+A0(1,3)*A0(2,1)*A0(3,2)(11)-A0(1,2)*A0(2,1)*A0(3,3)-A0(1'1)*A0(3,2)*A0(2'3》將表1中的數(shù)據(jù)代入到公式(1)(2)(3)(4)(5)(7),即得矩陣AO,再將AO以及目標的測距值L=1000m代入(11),得到目標在無人機地理系的坐標值(X，Y,Z)見表2。表2:<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>7、根據(jù)得到的(X、Y、Z)的值、地球半徑r、無人機經(jīng)度、綿度和高度(J,W,G),求得目標點的相對于無人機的經(jīng)綿度及高度的偏移量jwgoffset[3jwgoffset[O]=arctg(Z/(r+G+Y))jwgoffset[1]=arctg(X/(r+G+丫))jwgoffset[2]=Y其中jwgoffset[O]為經(jīng)度偏移量(Z方向)，jwgoffset[1]為綿度偏移量(X方向)，jwgoffset[2]為高度偏移量(Y方向)，負值；無人機經(jīng)度J=111.49646°,無人機煒度W-36.0512°,無人機高度G-3000m，由表2數(shù)據(jù)計算出的經(jīng)綽度及高度的偏移量數(shù)值見表3。表3:<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>8、根據(jù)jwgoffset[3],解得目標的經(jīng)度、綿度和高度jwg[3]:jwg[O]=J+jwgoffset[O]jwg[1]=W+jwgoffset[1]jwg[2]=G+jwgoffset[2]，具體數(shù)值見表4。表4:<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>本發(fā)明未詳細說明部分為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識。權(quán)利要求1、一種無人機實時目標信息解算器，其特征在于包括DSP電路、UART電路、CPLD電路和電平轉(zhuǎn)換電路，DSP電路同UART電路和CPLD電路數(shù)據(jù)線連接，CPLD電路控制UART電路和DSP電路的地址譯碼，UART電路通過電平轉(zhuǎn)換電路與飛控計算機、有效載荷和數(shù)傳之間數(shù)據(jù)傳輸，有效載荷鎖定的目標位置信息通過電平轉(zhuǎn)換電路經(jīng)UART電路發(fā)送到DSP電路，DSP電路完成位置解算，解算的結(jié)果和飛控計算機的機上圖像進行字幕疊加，通過數(shù)傳將圖像和解算的位置信息同時下傳到地面。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人飛機實時目標信息解算器，其特征在于所述的DSP電路采用Tl的浮點數(shù)字信號處理器TMS320VC33，程序存儲采用一片SST的3.3VFLASH39VF040,時鐘采用20MHz的微型晶振，PLL時鐘電路控制按5倍頻方式設(shè)置。3、根據(jù)權(quán)利要求1的一種無人飛機實時目標信息解算器，其特征在于所述的UART電路采用ST16C554，并通過CPLD實現(xiàn)其與DSP的連接控制。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人才幾實時目標信息解算器，其特征在于所述的CPLD電路采用LATTICE公司的M4A3-64/64,其電壓為3.3V,輸入輸出3V/5V兼容。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人機實時目標信息解算器，其特征在于所述的電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX202電路芯片完成TTL到RS-232的電平轉(zhuǎn)換，采用SN65LBC化5完成TTL到RS-422的邏輯變換。6、一種無人機實時目標信息解算的方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn)(1)建立相關(guān)坐標系即光學(xué)偵察系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺坐標系、無人機機體坐標系和無人機地理坐標，光學(xué)偵察系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺坐標系X軸為光學(xué)偵察系統(tǒng)攝像機鏡頭所指方向，Z軸從光學(xué)偵察系統(tǒng)攝像機鏡頭左指向右，Y軸由光學(xué)偵察系統(tǒng)攝像機鏡頭腹部指向鏡頭背部，原點位于轉(zhuǎn)軸中心；無人機機體坐標系X軸從飛機縱軸指向機頭，Z軸從左翼指向右翼，Y軸由機腹指向機背；無人機地理坐標系X軸從飛機質(zhì)心指向正北，Z軸從飛機質(zhì)心指向正東，Y軸由飛機質(zhì)心指向地心，即北-東-地坐標系；(2)光學(xué)偵察系統(tǒng)測出目標的測距值l、鏡頭俯仰角cc、方位角P，無人機導(dǎo)航系統(tǒng)測出方位角屮、俯仰角e及橫滾角y;(3)用步驟(2)測得的方位角屮、俯仰角e及^f黃滾角y形成歐4立角轉(zhuǎn)換矩陣，以完成無人機地理坐標系到才幾體坐標系的轉(zhuǎn)換；(4)用步驟(2)測得的鏡頭俯仰角a、方位角p形成歐拉角轉(zhuǎn)換矩陣，以完成無人機機體坐標系到偵察轉(zhuǎn)臺坐標系的轉(zhuǎn)換；(5)利用步驟(3)和(4)中形成的歐拉角轉(zhuǎn)換矩陣相乘，得到無人機地理坐標系到偵察轉(zhuǎn)臺坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣；(6)利用步驟(5)無人機地理坐標系到偵察轉(zhuǎn)臺坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，解算目標在無人機地理系的坐標值X,Y，Z;(7)根據(jù)步驟(6)得到的X、丫、Z的值，以及地球半徑r、無人機經(jīng)度J，、綽度W和高度G,求得目標點的相對于無人機的經(jīng)度、綿度及高度的偏移量jwgoffset[O]=arctg(Z/(r+G+Y))jwgoffset[1]=arctg(X/(r+G+Y))jwgoffset[2]=Y其中jwgoffset[O]為經(jīng)度偏移量(Z方向)，jwgoffset[1]為綽度偏移量(X方向)，jwgoffset[2]為高度偏移量(丫方向)，負值；(8)根據(jù)步驟(7)中得到的經(jīng)度、綿度及高度的偏移量，解得目標的經(jīng)度jwg[O]=J+jwgoffset，緯度jwg[1]=W+jwgoffset[1],高度jwg[2]:G+jwgoffset[2]。全文摘要一種無人機實時目標信息解算器和解算的方法，可實時解算地面固定或臨時目標位置。本發(fā)明采用高速DSP處理技術(shù)，在機上對目標的三維位置信息進行實時解算，采用特殊的實時解算方法，能克服現(xiàn)有技術(shù)在地面解算得到的信息與實際圖像無法匹配的問題，在機上對位置目標信息進行實時解算，圖像和位置信息同時下傳至地面，保證了圖像信息上的目標點與位置數(shù)據(jù)相吻合。文檔編號G01C21/20GK101413801SQ200810227578公開日2009年4月22日申請日期2008年11月28日優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日發(fā)明者周乃恩,剛李申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院