一種高精度船只目標(biāo)光電定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李英杰，李紹軍，蔣 鵬，盧嘉成，陳 力，梁冬冬，周 磊

一種高精度船只目標(biāo)光電定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李英杰1，李紹軍1，蔣 鵬2，盧嘉成2，陳 力1，梁冬冬1，周 磊1

（1. 北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000；2. 駐南京地區(qū)第三軍事代表室，江蘇 南京 210000）

針對(duì)跨海橋梁或沿海機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所需要實(shí)時(shí)測(cè)算獲取移動(dòng)船只目標(biāo)絕對(duì)位置和高程的現(xiàn)實(shí)需要，文中介紹一種高精度光電船只目標(biāo)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)將高清高精度光學(xué)探測(cè)組件集成于高精度云臺(tái)設(shè)備內(nèi)部，可實(shí)時(shí)解算出目標(biāo)點(diǎn)的絕對(duì)位置信息和高程信息并上報(bào)監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)引導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守情況下自動(dòng)測(cè)算過(guò)往船只經(jīng)緯度坐標(biāo)及高程功能。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)展現(xiàn)出良好的可靠性，具有較好的測(cè)量精度和應(yīng)用前景。

光學(xué)探測(cè)組件；云臺(tái)；無(wú)人值守；自動(dòng)測(cè)算；經(jīng)緯度坐標(biāo)；高程

0 引言

在沿海機(jī)場(chǎng)往往會(huì)面臨機(jī)場(chǎng)跑道方向上時(shí)有貨輪經(jīng)過(guò)附近海域或大型海上平臺(tái)在航線方向海上作業(yè)影響飛機(jī)起飛降安全的情況，由于機(jī)場(chǎng)位于開(kāi)闊水域，往來(lái)船舶等頻繁，發(fā)生跑道入侵事件的風(fēng)險(xiǎn)很大[1]；在內(nèi)陸江河或沿海航道上同樣會(huì)面臨過(guò)往船只過(guò)高對(duì)跨江或跨海大橋產(chǎn)生安全威脅的情況，需要預(yù)防橋梁受到船舶撞擊[2]。為此這些地方往往需要對(duì)過(guò)往船只的高度乃至位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握目標(biāo)航向和目標(biāo)高度以便評(píng)估其威脅程度。

在船舶移動(dòng)的過(guò)程中由于多普勒效應(yīng)影響，同時(shí)雷達(dá)引導(dǎo)上傳目標(biāo)數(shù)據(jù)周期性長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差，單純的雷達(dá)探測(cè)只能獲取滯后的目標(biāo)絕對(duì)位置信息，不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差[3-4]，無(wú)法掌握目標(biāo)準(zhǔn)確的高度，且隨著水位的漲落，同一型船只在不同的時(shí)間經(jīng)過(guò)同一位置也難以保證船只最高點(diǎn)的高程保持不變，為此需要一種高精度目標(biāo)定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)解算出目標(biāo)的絕對(duì)位置和高程信息。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種集成有高清可見(jiàn)光相機(jī)、紅外熱像儀、高精度激光測(cè)距機(jī)、傾角儀、光電編碼器于一體的光電船只目標(biāo)定位系統(tǒng)。

1 測(cè)量原理

光電船只目標(biāo)定位系統(tǒng)安裝于陸地基座上，依靠?jī)?nèi)部集成的高清可見(jiàn)光相機(jī)、紅外熱像儀及激光測(cè)距機(jī)可實(shí)現(xiàn)晝夜對(duì)目標(biāo)船只位置和高程信息的監(jiān)測(cè)，下文圖中云臺(tái)均以PTZ代表，系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)定位系統(tǒng)示意

通過(guò)北斗定位裝置獲取云臺(tái)自身的經(jīng)緯度高程坐標(biāo)信息（本文中經(jīng)緯度高程坐標(biāo)信息均基于2000國(guó)家大地坐標(biāo)系），通過(guò)激光測(cè)距機(jī)和云臺(tái)編碼器獲取目標(biāo)相對(duì)于云臺(tái)的相對(duì)坐標(biāo)信息，通過(guò)傾角儀獲取云臺(tái)安裝基座姿態(tài)變化信息以對(duì)目標(biāo)解算位置進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。以上信息經(jīng)云臺(tái)內(nèi)部目標(biāo)定位解算模塊解算，給出目標(biāo)的絕對(duì)位置信息，如圖2所示。

由于系統(tǒng)設(shè)備安裝方式為陸基安裝，故只需在系統(tǒng)安裝完畢后，利用北斗定位裝置對(duì)光電系統(tǒng)安裝位置進(jìn)行一次自身坐標(biāo)位置標(biāo)定，以獲取光電系統(tǒng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程信息。同時(shí)利用云臺(tái)內(nèi)部的水平向和高低向光電編碼器獲取目標(biāo)相對(duì)于云臺(tái)的角度信息，通過(guò)激光測(cè)距機(jī)獲取目標(biāo)相對(duì)于云臺(tái)的測(cè)量距離，由此可解算出目標(biāo)對(duì)于光電系統(tǒng)的相對(duì)位置和高程信息，再結(jié)合光電系統(tǒng)自身的大地坐標(biāo)位置即可解算出目標(biāo)的絕對(duì)位置和高程信息，目標(biāo)與云臺(tái)坐標(biāo)系關(guān)系如圖3所示。

圖3 目標(biāo)與云臺(tái)坐標(biāo)系關(guān)系

目標(biāo)相對(duì)于云臺(tái)坐標(biāo)系的相對(duì)位置信息為：

式中：1、1、1為目標(biāo)在云臺(tái)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)信息；為目標(biāo)相對(duì)云臺(tái)的直線距離；為目標(biāo)相對(duì)于云臺(tái)的俯仰角；為目標(biāo)相對(duì)于云臺(tái)的方位角。

實(shí)際應(yīng)用中，云臺(tái)所處的安裝基座一般要高出地面或者建筑物一定高度，長(zhǎng)期受到大風(fēng)或者振動(dòng)影響后基座面相對(duì)于初始安裝時(shí)往往會(huì)發(fā)生一定的姿態(tài)改變，這會(huì)造成目標(biāo)相對(duì)于云臺(tái)自身的相對(duì)位置也會(huì)發(fā)生輕微變化，進(jìn)而一定程度上會(huì)影響對(duì)目標(biāo)的定位解算精度。因此引入云臺(tái)內(nèi)傾角儀輸出的姿態(tài)信息對(duì)云臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行校正。目標(biāo)與發(fā)生偏移后云臺(tái)坐標(biāo)系關(guān)系如圖4所示。

圖4 目標(biāo)與偏移后的云臺(tái)坐標(biāo)系關(guān)系

目標(biāo)在偏移后的云臺(tái)坐標(biāo)系的絕對(duì)位置信息為：

式中：0、0、0為在大地坐標(biāo)系下三軸的坐標(biāo)；2、2、2為在大地坐標(biāo)系下三軸的坐標(biāo)；、、分別為偏移后的云臺(tái)坐標(biāo)系各軸相對(duì)于原坐標(biāo)系各軸的姿態(tài)變化角度，矩陣為：

2 云臺(tái)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

云臺(tái)伺服系統(tǒng)采用經(jīng)典的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)設(shè)計(jì)，通過(guò)位置環(huán)結(jié)合速度環(huán)和電流環(huán)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)引導(dǎo)信息調(diào)轉(zhuǎn)到指定位置，由于雷達(dá)引導(dǎo)坐標(biāo)位置精確性較差且具有滯后性，需要進(jìn)一步優(yōu)化工作流程才能鎖定測(cè)量目標(biāo)。因此云臺(tái)在接收雷達(dá)引導(dǎo)信息調(diào)轉(zhuǎn)到位后，轉(zhuǎn)入識(shí)別跟蹤流程，識(shí)別并鎖定跟蹤目標(biāo)船只最高點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行目標(biāo)定位測(cè)量解算。伺服系統(tǒng)控制方案如圖5所示。

其中位置環(huán)和電流環(huán)采用Proportional integral比例積分控制器，速度環(huán)采用Linear active disturbance rejection control線性自抗擾控制器。

自抗擾控制由韓京清教授最早提出，通過(guò)跟蹤-微分器、反饋控制律、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器組成的控制器不依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型具有良好的魯棒性和適應(yīng)性[5]。針對(duì)自抗擾控制中非線性結(jié)構(gòu)多、待調(diào)控制參數(shù)多的不便于工程化使用情況，高志強(qiáng)教授進(jìn)一步提出了待調(diào)參數(shù)數(shù)量簡(jiǎn)化的線性自抗擾控制算法即LADRC，使整定參數(shù)和帶寬相關(guān)，整定難度簡(jiǎn)化，更適合應(yīng)用于工程領(lǐng)域[6]。

圖5 云臺(tái)伺服系統(tǒng)方案

云臺(tái)采用表貼式永磁同步電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：e為電磁轉(zhuǎn)矩；L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為阻尼系數(shù)；為電機(jī)機(jī)械角速度；為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；t為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；q為轉(zhuǎn)矩電流分量。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程可見(jiàn)，速度環(huán)適宜使用一階LADRC速度控制器，首先設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器部分。

由式(4)可以進(jìn)一步得到狀態(tài)方程：

采用的線性狀態(tài)觀測(cè)器方程為：

式中：為系統(tǒng)觀測(cè)的狀態(tài)量；為系統(tǒng)實(shí)際的狀態(tài)量；為系統(tǒng)輸入量。

由式(5)、式(6)可以得到：

式中：0為控制律輸出量。

圖6 速度環(huán)LADRC控制器結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中俯仰向采用J180LWX005型無(wú)刷力矩電機(jī)和EAC90F-0M21S型光電編碼器，采用的電機(jī)和編碼器參數(shù)如表1所示。

速度環(huán)給定轉(zhuǎn)速ref＝3.66°/s，分別測(cè)試速度環(huán)采用PI控制器和LADRC控制器速度響應(yīng)情況，并在速度達(dá)到穩(wěn)定后突加一固定干擾力矩，速度環(huán)響應(yīng)曲線如圖7所示。

由圖7、圖8可見(jiàn)采用LADRC控制器后，云臺(tái)速度環(huán)可更快抑制擾動(dòng)，轉(zhuǎn)速控制波動(dòng)量小更加平穩(wěn)，位置調(diào)轉(zhuǎn)響應(yīng)更快。

位置閉環(huán)響應(yīng)曲線如圖8所示，電機(jī)初始位置為30°，測(cè)試時(shí)先回到0°位置，再調(diào)轉(zhuǎn)至50°位置。

表1 電機(jī)和編碼器參數(shù)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該目標(biāo)定位系統(tǒng)工作流程如圖9所示。云臺(tái)根據(jù)雷達(dá)引導(dǎo)信息調(diào)轉(zhuǎn)至指定位置，由于雷達(dá)引導(dǎo)位置存在一定誤差，加上目標(biāo)船只處于移動(dòng)狀態(tài)因此雷達(dá)引導(dǎo)信息具有滯后性，且雷達(dá)不能獲取到目標(biāo)最高點(diǎn)位置，因此云臺(tái)調(diào)轉(zhuǎn)到位后不能立刻進(jìn)行目標(biāo)船只定位測(cè)高，需要先識(shí)別選定視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)船只最高點(diǎn)，然后再開(kāi)啟跟蹤鎖定目標(biāo)船只最高點(diǎn)進(jìn)行定位測(cè)高。

圖7 速度環(huán)響應(yīng)曲線對(duì)比

圖8 位置環(huán)響應(yīng)曲線對(duì)比

在得到目標(biāo)船只測(cè)距值后，通過(guò)依次讀取云臺(tái)傾角儀獲取云臺(tái)相對(duì)大地坐標(biāo)系姿態(tài)角、云臺(tái)編碼器值獲取目標(biāo)船只相對(duì)云臺(tái)坐標(biāo)系極坐標(biāo)，結(jié)合云臺(tái)所處的經(jīng)緯度高程信息，即可解算出目標(biāo)船只準(zhǔn)確的經(jīng)緯度和高程信息。

4 測(cè)試結(jié)果

隨機(jī)選取了4個(gè)不同方向不同距離的目標(biāo)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試，目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度測(cè)試情況如表2所示。

目標(biāo)點(diǎn)高程測(cè)試情況，如表3所示。綜合表2和表3可見(jiàn)，該系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)在經(jīng)緯度測(cè)量上誤差不超過(guò)5m，高程測(cè)量上誤差不超過(guò)2m，可實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度。

圖9 系統(tǒng)工作流程

表2 目標(biāo)經(jīng)緯度測(cè)量對(duì)照

表3 目標(biāo)高程測(cè)量對(duì)照

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種光電式高精度目標(biāo)船只定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可獲取較高精度的目標(biāo)位置和高程信息，有效提高了目標(biāo)定位測(cè)算的準(zhǔn)確度和效率。

試驗(yàn)表明了該設(shè)計(jì)的合理性。試驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)可給出目標(biāo)位置較高精度的定位數(shù)據(jù)，投入使用后工作穩(wěn)定可靠，具有良好的性能，在無(wú)人值守監(jiān)控定位領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of a High-precision Ship Target Photoelectric Positioning System

LI Yingjie1，LI Shaojun1，JIANG Peng2，LU Jiacheng2，CHEN Li1，LIANG Dongdong1，ZHOU Lei1

(1..,210000,, 2.,210000,)

Herein, the design and implementation of a high-precision photoelectric ship target positioning system is introduced to obtain the absolute position and elevation of a moving ship target for real-time measurements in places such as sea-crossing bridges or coastal airports. By integrating high-definition and high-precision optical detection components into the high-definition PTZ equipment, the absolute position and altitude information of the target point can be calculated in real time and reported to the monitoring system. Combined with the guidance of a radar system, it can automatically measure the longitude, latitude coordinates, and altitude of passing ships under unattended conditions. An actual operational test showed that the system had good reliability, measurement accuracy, and application prospects.

optical detection assembly, PTZ, unattended, automatic calculation, longtitude and latitude, altitude

TN06

A

1001-8891(2023)10-1090-06

2022-09-03；

2022-09-25.

李英杰（1987-），男，博士，從事光電技術(shù)研究。E-mail：lsj_gdsf@163.com。

李紹軍（1989-），男，碩士，從事云臺(tái)伺服控制技術(shù)研究。E-mail：lsj_gdsf@163.com。