一種直升機(jī)載激光雷達(dá)平臺(tái)三維姿態(tài)角復(fù)雜振動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及直升機(jī)載平臺(tái)的復(fù)雜振動(dòng)對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)三維成像不利影響的實(shí)時(shí)高精度補(bǔ)償問題。
【背景技術(shù)】
[0002]激光雷達(dá)具有成像精度高、作業(yè)效率高、探測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而直升機(jī)具有飛行機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)起飛和降落地點(diǎn)要求低，同時(shí)飛行高度也不高，適合各種復(fù)雜地形的測(cè)量，因此，兩者相結(jié)合，直升機(jī)載激光雷達(dá)在地形測(cè)繪、城市建模、電力線勘測(cè)等許多領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]機(jī)載激光雷達(dá)工作過程中，要求機(jī)載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)有規(guī)律，通常要求直升機(jī)為勻速直線飛行，從而可使激光雷達(dá)的探測(cè)點(diǎn)云覆蓋區(qū)域規(guī)則，分布密度均勻，被測(cè)地形的采樣點(diǎn)分布滿足二維采樣定理要求，則經(jīng)過后續(xù)的點(diǎn)云插值和曲面擬合處理時(shí)，三維地形模型誤差較小，可滿足地面測(cè)量的分辨率要求，三維成像精度高。
[0004]但直升機(jī)雖具有飛行機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)，但也有明顯的缺點(diǎn)，即直升機(jī)飛行過程中具有非常復(fù)雜的振動(dòng)。直升機(jī)在實(shí)際飛行過程中，飛機(jī)體會(huì)受到多方面的干擾影響，如陣風(fēng)、湍流、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及控制系統(tǒng)的性能缺陷等，使機(jī)載平臺(tái)無法保持理想的勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生強(qiáng)烈且復(fù)雜的振動(dòng)，嚴(yán)重影響激光雷達(dá)掃描點(diǎn)云的分布和采樣分辨率，進(jìn)而降低了被測(cè)地形三維成像模型的精度。因此，采取有效措施，針對(duì)直升機(jī)載激光雷達(dá)的飛行平臺(tái)復(fù)雜振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度補(bǔ)償，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0005]現(xiàn)有可實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光雷達(dá)載荷平臺(tái)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法中，如在專利ZL201010183492.4中，其提出了一種可實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光雷達(dá)載荷平臺(tái)的俯仰角變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，另外在專利ZL201010180527.9中，其提出了一種可實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光雷達(dá)載荷平臺(tái)的滾動(dòng)角變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法，也就是說現(xiàn)有的機(jī)載激光雷達(dá)雷達(dá)關(guān)于載荷平臺(tái)姿態(tài)角振動(dòng)的補(bǔ)償方法中只能實(shí)現(xiàn)單軸方向上的姿態(tài)角補(bǔ)償，而無法實(shí)現(xiàn)三軸姿態(tài)角振動(dòng)的同時(shí)補(bǔ)償。為了實(shí)現(xiàn)直升機(jī)載平臺(tái)三軸復(fù)雜姿態(tài)角振動(dòng)的實(shí)時(shí)高精度補(bǔ)償，需要對(duì)補(bǔ)償裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償原理和補(bǔ)償性能提出新的設(shè)計(jì)要求。本專利即提出了一種專用于直升機(jī)載激光雷達(dá)的機(jī)載平臺(tái)復(fù)雜三維姿態(tài)角振動(dòng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法與裝置，其具有與以往補(bǔ)償方法不同的補(bǔ)償原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作方式及補(bǔ)償性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)載激光雷達(dá)三維姿態(tài)角振動(dòng)的完全補(bǔ)償，本發(fā)明提供了一種直升機(jī)載激光雷達(dá)平臺(tái)三維姿態(tài)角復(fù)雜振動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法與裝置，主要有以下的幾點(diǎn)創(chuàng)新點(diǎn):一是采用直動(dòng)電機(jī)控制取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)控制，采用位移測(cè)量取代轉(zhuǎn)角測(cè)量的方法，其目的是改善補(bǔ)償裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高空間利用率，可實(shí)現(xiàn)大尺寸反射鏡的安裝，提高補(bǔ)償裝置對(duì)激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離測(cè)量的適應(yīng)能力，增強(qiáng)其實(shí)用性;二是采用磁性萬向軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)，取代三軸轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，可使大尺寸反射鏡繞X軸和y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)快速靈活，且避免了兩軸的轉(zhuǎn)動(dòng)耦合;三是增加了大尺寸反射鏡在z軸方向上的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)三軸姿態(tài)角振動(dòng)的完全補(bǔ)償，而非只補(bǔ)償一軸。
[0007]本發(fā)明提供的一種直升機(jī)載激光雷達(dá)平臺(tái)三維姿態(tài)角復(fù)雜振動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償方法與裝置，其特征在于在常規(guī)的直升機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)中增加一個(gè)激光束三維指向矯正裝置，通過此矯正裝置，將由于機(jī)載平臺(tái)三維姿態(tài)角振動(dòng)影響而偏轉(zhuǎn)了的激光脈沖束，矯正回?zé)o機(jī)載平臺(tái)姿態(tài)角振動(dòng)時(shí)的理想掃描方向上，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載平臺(tái)三維姿態(tài)角振動(dòng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，完全消除了直升機(jī)載平臺(tái)三維姿態(tài)角振動(dòng)對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量點(diǎn)云的不利影響，故將此裝置即稱為三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置。
[0008]其中，增加了三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置的直升機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組成特征在于包括直升機(jī)載平臺(tái)(I )、高頻激光脈沖測(cè)距儀(2)、一維掃描擺動(dòng)振鏡系統(tǒng)(3)、三維高精度陀螺儀(4)、三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置(5)、被測(cè)地形(6)。在所述三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置(5)上，安裝了一面大尺寸激光反射鏡(501)。其補(bǔ)償原理為:所述高頻激光脈沖測(cè)距儀(2)、一維掃描擺動(dòng)振鏡系統(tǒng)(3)、三維高精度陀螺儀(4)和三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置(5)均固定安裝在直升機(jī)載平臺(tái)(I)上。由高頻激光脈沖測(cè)距儀(2)發(fā)出的激光脈沖，經(jīng)一維掃描擺動(dòng)振鏡系統(tǒng)(3)反射后射向三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置(5)，經(jīng)三維角振動(dòng)補(bǔ)償裝置(5)上的大尺寸激光反射鏡(501)反射后照向被測(cè)地形(6)。由三維高精度陀螺儀(4)獲得直升機(jī)載平臺(tái)
(I)的實(shí)時(shí)三維姿態(tài)角振動(dòng)信息，提供給三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置(5)的控制器，使三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置(5)上的大尺寸激光反射鏡(501)在直升機(jī)載平臺(tái)(I)的三軸方向上做與姿態(tài)角振動(dòng)角度相關(guān)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0009]其中，在直升機(jī)載平臺(tái)(I)的滾動(dòng)角和俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng)方向上，三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置(5 )上的大尺寸激光反射鏡(501)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)為反向旋轉(zhuǎn)直升機(jī)載平臺(tái)(I)的滾動(dòng)角和俯仰角振動(dòng)值的一半。而在直升機(jī)載平臺(tái)(I)的偏航角方向上，三維姿態(tài)角振動(dòng)補(bǔ)償裝置(5)上的大尺寸激光反射鏡(501)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)為反向旋轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)直升機(jī)載平臺(tái)(I)的偏航角振動(dòng)值的相同角度，從而可實(shí)時(shí)高精度的補(bǔ)償?shù)糁鄙龣C(jī)載平臺(tái)(I)三維姿態(tài)角振動(dòng)，使高頻激光脈沖測(cè)距儀(2 )發(fā)出的經(jīng)一維掃描擺動(dòng)振鏡系統(tǒng)(3 )反射后的激光掃描分布完全免受直升機(jī)載平臺(tái)(I)的三維姿態(tài)角振動(dòng)的不利影響。
[0010]其中，所述大尺寸反射鏡(501)的長(zhǎng)寬為10mmX100mm，采用大尺寸激光反射鏡面可有效獲取地面反射的激光回波，有利于直升機(jī)載激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距離探測(cè)。所述大尺寸反射鏡(501)的鏡面支撐桿(502)由四根組成，采用鈦合金材料制造，質(zhì)量輕強(qiáng)度高，兩兩垂直均勻分布在一個(gè)平面內(nèi)，并與小半球體(530)切平面緊固焊接。所述小半球體(530)是高度略低于球半徑的半球體，其采用不銹鋼制成，支撐凹球面立柱(522)采用磁性鋼做成，可將所述小半球體(530)的球面緊緊吸住，因此所述小半球體(530)的球表面和所述支撐凹球面立柱(522)的支撐凹球面立柱相互配合，形成滑動(dòng)球面接觸，并且在強(qiáng)磁吸力的作用下，結(jié)合緊密不易分離，之間沒有縫隙，可靈活的繞X和y軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)磁性球面萬向軸承。所述大尺寸反射鏡(501)的中心點(diǎn)(529 )與所述小半球體(530 )的球心位置始終重合，因此當(dāng)所述小半球體(530)和所述支撐凹球面立柱(522)組成的磁性球面萬向軸承繞X和y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所述大尺寸反射鏡(501)的所述中心點(diǎn)(529)的空間位置相對(duì)于機(jī)載平臺(tái)始終保持不變。
[0011]其中，四個(gè)所述支撐桿(502)的端部各安裝了萬向連桿軸承(503)。所述大尺寸反射鏡(501)繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是由X軸直動(dòng)電機(jī)(524)通過X軸驅(qū)動(dòng)連桿2(525)驅(qū)動(dòng)，由X軸光柵尺位移測(cè)量傳感器(523)測(cè)出所述X軸直動(dòng)電機(jī)(524)的實(shí)際位移，通過計(jì)算可獲得所述大尺寸反射鏡(501)繞X軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角。在與安裝所述X軸直動(dòng)電機(jī)(524)支撐桿相對(duì)方向的支撐桿上，安裝了 X軸彈性恢復(fù)彈簧(505)和X軸阻尼器(506)，與X軸驅(qū)動(dòng)連桿1(504)相連，并通過X軸單軸連桿軸(507)與所述大尺寸反射鏡(501)相連接，其目的是獲得X軸控制系統(tǒng)的最優(yōu)固有頻率和阻尼比，改善所述大尺寸反射鏡(501)繞X軸的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)特性。
[0012]其中，所述大尺寸反射鏡(501)繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是由y軸直動(dòng)電機(jī)(527)通過y軸驅(qū)動(dòng)連桿2(528)驅(qū)動(dòng)，由y軸光柵尺位移測(cè)量傳感器(526)測(cè)出所述y軸直動(dòng)電機(jī)(527)的實(shí)際位移，通過計(jì)算可獲得所述大尺寸反射鏡(501)繞y軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角。在與安裝所述y軸直動(dòng)電機(jī)(527)支撐桿相對(duì)方向的支撐桿上，安裝了 y軸彈性恢復(fù)彈簧(509)和y軸阻尼器(510)，與y軸驅(qū)動(dòng)連桿1(511)相連，并通過y軸單軸連桿軸(512)與所