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2维PSD传感器能够准确给出入射光点在光敏面上的位置,当入射光斑较小时,PSD传感器可快速探测出光斑能量中心的位置,响应时间为微秒级,且其可对光斑位置进行连续测量,同时PSD传感器对于光斑形状无特殊要求[10]。图 3为2维PSD传感器工作原理。其拥有4个电流输出管脚,工作时根据光斑坐标位置输出4路不同大小的电流[10-11]。以PSD传感器光敏面中心作为坐标原点,设4个电极输出电流分别为I1, I2, I3, I4,如图 3中阴影部分所示,PSD敏感面尺寸为L×L,则其光斑能量中心坐标与4路电流之间的关系如下式所示:
$\left\{ \begin{array}{l} x = \frac{L}{2} \cdot \frac{{{I_2} - {I_1}}}{{{I_2} + {I_1}}}\\ y = \frac{L}{2} \cdot \frac{{{I_4} - {I_3}}}{{{I_4} + {I_3}}} \end{array} \right. $
(1) PSD传感器与飞行器完全固连,照射在目标上的漫反射激光光斑在PSD成像面上进行成像,随着飞行器不断地向目标飞行,得到目标反射成像位置的运动轨迹。其中各坐标系关系为[12]:地面坐标系为O-x-y-z,飞行器机体坐标系为O-x1-y1-z1,PSD传感器固定于飞行器底部z轴方向,探测面朝向大地,则成像坐标系定义为O′-xg-yg-zg。由PSD传感器与飞行器固定关系可知,成像坐标系是飞行器坐标系O-x1-y1-z1沿O-z1轴平移距离光学透镜焦距f得到的,各坐标系关系如图 4所示。
大地坐标系中,飞行器的实时坐标为O(xo, yo, zo),激光照射目标点的坐标为T(xt, yt, zt),那么根据图 4各坐标关系,目标在机体坐标系当中的坐标位置T′为(x′, y′, z′),其计算如下式所示[13]:
$\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x^\prime }}\\ {{y^\prime }}\\ {{z^\prime }} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \phi \cos \varphi }&{\cos \phi \sin \varphi }&{\sin \phi }\\ { - \sin \varphi \cos \gamma - \sin \phi \cos \varphi \sin \gamma }&{\cos \varphi \cos \gamma - \sin \phi \sin \varphi \sin \gamma }&{\cos \phi \sin \gamma }\\ {\sin \varphi \sin \gamma - \sin \phi \cos \varphi \cos \gamma }&{ - \cos \varphi \sin \gamma - \sin \phi \sin \varphi \cos \gamma }&{\cos \phi \cos \gamma } \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_\rm{t}} - {x_\rm{o}}}\\ {{y_\rm{t}} - {y_\rm{o}}}\\ {{z_\rm{t}} - {z_\rm{o}}} \end{array}} \right] $
(2) 式中, φ, ϕ, γ分别对应飞行器飞行俯仰角、偏航角和横滚角。成像过程中,由于敏感面是处于光学镜头的焦平面上的,故成像坐标系中目标点z轴坐标值zg恒等于0,此时光学透镜的焦距为f,因此可得到目标成像点Tg′(xg, yg, zg)坐标点与目标点在机体坐标系坐标点位置关系如下式所示:
$\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{x_{\rm{g}}}}\\ {{y_{\rm{g}}}} \end{array}} \right] = \frac{f}{{{z^\prime }}}\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{x^\prime }}\\ {{y^\prime }} \end{array}} \right] $
(3) 实际测量时,PSD成像面坐标系中的目标点成像坐标Tg′(xg, yg, zg)、大地坐标系中的目标点坐标T(xt, yt, zt)和飞行器姿态角φ, ϕ, γ均可测量测到,因此, 可以求出飞行器在大地坐标系当中的坐标位置O(xo, yo, zo),最终求得飞行器与目标点之间的位置关系。
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激光照射器的选择是限制本文中PSD激光导航定位系统探测性能的关键,因此采用某型军用红外脉冲激光器作为激光照射光源,其参量如表 1所示。
Table 1. Prarmeters of laser emitter
wavelength/
nmpulse
width/nsrepetition
frequency/Hzpulse
energy/mJlaser beam
divergence/mradcollimating
method1064 10 10 80 1~5 optical telescope mode PSD信号处理电路设计方案如图 5所示。其中包括PSD传感器、4路电流/电压(I/V)转换电路、4路方法滤波电路、4通道高速模数采样模块以及采集主控现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)等[14-16]。PSD传感器在工作时,测量发射激光光斑在探测面上的能量中心位置坐标,根据坐标输出4路电流信号;4路电流信号输入I/V转换电路后,被等比例转换成模拟电压信号;进而4路模拟电压信号经过放大滤波电路,进行滤波处理,同时放大合适倍数供后续处理;微处理器通过控制高速模数转换芯片时序来进行4路电压信号的高速采样,完成后根据(2)式与(3)式来求得飞行器与激光照射目标点的实时位置关系。其中4通道高速模数采样模块采用带采样保持的模数转换芯片MAX1304。
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根据飞行阶段分,导航系统分为中间阶段GPS/IMU粗定位导航飞行过程、末端/降落阶段PSD激光制导细定位导航飞行过程。由于PSD传感器的有效探测面积、安装固定角度与飞行器自身姿态限制了其探测范围,因此中间飞行阶段与末端/降落飞行阶段的区分标志即为PSD传感器是否接收到了有效的激光反射点信息,即PSD传感器输出的定位信号是否有效。
因此, 本文中提出的GPS/IMU与PSD激光制导组合导航定位方案的软件执行流程如图 6所示。
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为了验证基于PSD激光探测的无人机组合导航方案较单纯使用GPS/IMU导航定位精度高,较图像颜色识别导航定位鲁棒性强,较SIFT图像识别导航定位计算速度快,本文中以某小型四旋翼无人机为载体,设计3组飞行制导对比实验。
本次实验中,卫星定位导航部分采用S1216商用GPS+北斗双模定位模块,惯性导航模块采用MPU9250 9轴MEMS传感器+BMP280气压高度计组合;图像颜色识别部分采用STM32微处理器+OV2640 CMOS摄像头组合,采用色调、饱和度、明度(hue, saturation, value, HSV)颜色空间识别,以像素点面积作为识别标准;SIFT图像匹配识别部分则采用YANG等人[17]提出的图像匹配定位技术研究的实验结果;本文中提出的组合制导方案中激光器采用某型军用1064nm红外脉冲激光器,探测部分采用日本滨松公司的S5991-01 2维枕型PSD作为探测元件,配合FPGA控制高速模数转换芯片MAX1304进行4路信号采样,并按照2.1节中的坐标计算方法进行目标位置定位解算。每组实验中四旋翼飞行器飞行高度均控制为10m左右,摄像头和PSD传感器均固定于稳定云台,人工地面标志采用20cm×20cm红色塑料板。
实验结果如表 2所示。由表分析可知,GPS/IMU组合导航方式无法在室内等遮挡卫星信号环境工作,其定位精度约为2.7m圆形概率误差(circular error probable, CEP),同时其探测周期限制于卫星接收机工作频率,仅为20Hz。实验中,图像颜色识别的室外定位精度约为0.33m CEP,其在室内外均可工作,但是摄像头极易受环境影响,在室内强光或者弱光情况下,其定位精度均出现较大波动。图像特征匹配导航方式则具有较好的识别鲁棒性,但是其计算复杂、耗时较大、导航实时性较差。而本文中提出的PSD激光制导方式,其室内外定位精度较为一致,鲁棒性较高,均在0.1m CEP左右,且其探测计算量较小,频率可以做到5kHz及以上,完全满足飞行器定位实时性要求。
Table 2. Comparison of 4 navigation methods
navigation method outdoors indoors and week
lighting conditionsindoors and normal
lighting conditionsindoors and bright
ighting conditionsperiod CEP period CEP period CEP period CEP GPS/IMU integrated navigation 20Hz 2.70m 20Hz — 20Hz — 20Hz — image color recognition navigation 20Hz 0.33m 20Hz 2m 20Hz 0.35m 20Hz 2.20m image feature matching navigation 0.812Hz 0.21m — — — — — — PSD laser navigation 5kHz 0.10m 5kHz 0.10m 5kHz 0.10m 5kHz 0.11m 本实验中飞行器载体定高约10m,激光器于水平距离约50m、垂直距离约27m处进行照射,按照y轴坐标0.5m直线向前飞行3.7m左右,其数据采集曲线如图 7所示。从图 7中的数据可以看出,考虑到无飞机飞行时的振动与运动情况,其制导过程中精度在0.1m CEP范围内。
基于位置敏感探测器的组合导航技术研究
Research of combined navigation technology based on position sensitive detectors
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摘要: 为了减小现有小型旋翼类无飞机飞行过程中卫星/惯性组合导航系统的制导误差,提高其导航系统定位精确度,提出2维位置敏感探测器激光制导与机载卫星/惯性组合导航系统结合的新型导航系统方案。该系统利用1064nm红外脉冲激光作为引导光源,采用中间飞行段卫星/惯性导航、末端飞行段激光照射制导结合的方式,进行了理论分析和对比实验验证。结果表明,在室外飞行环境和室内强、弱、正常光照飞行环境下,该系统始终保持较高的定位精度和结果一致性;相对比其它现有制导方式,该系统的探测频率始终保持5kHz、定位精度始终保持其圆形概率误差处于0.10m数量级,取得了较好的定位实验结果。该系统具有鲁棒性强、电路简单、探测灵活、高速精确的特征,对无人机末端制导具有重要意义。Abstract: In order to reduce the guidance error of a satellite/inertial integrated navigation system and improve its navigation and positioning accuracy, a new navigation system scheme combining position sensitive detector (PSD) laser guidance with airborne satellite/inertial integrated navigation system was proposed. In this system, 1064nm infrared pulse laser was used as the guiding light source, and the combination of satellite/inertial navigation in the middle flight segment and laser guidance in the terminal flight segment was adopted. Through theoretical analysis and comparative experiments, the results show that the system always maintains high positioning accuracy and consistent results in the outdoor flight environment and the indoor strong, weak and normal lighting flight environment. Compared with the other existing guidance methods, the detection frequency of the system always remains 5kHz, and the positioning accuracy always keeps its circular error probable at the order of 0.10m. Good positioning experimental results are obtained. The system has the characteristics of strong robustness, simple circuit, flexible detection, high speed and precision. It is of great importance to the terminal guidance of unmanned aerial vehicle.
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Key words:
- laser technique /
- laser guidance /
- position sensitive detector /
- integrated navigation
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Table 1. Prarmeters of laser emitter
wavelength/
nmpulse
width/nsrepetition
frequency/Hzpulse
energy/mJlaser beam
divergence/mradcollimating
method1064 10 10 80 1~5 optical telescope mode Table 2. Comparison of 4 navigation methods
navigation method outdoors indoors and week
lighting conditionsindoors and normal
lighting conditionsindoors and bright
ighting conditionsperiod CEP period CEP period CEP period CEP GPS/IMU integrated navigation 20Hz 2.70m 20Hz — 20Hz — 20Hz — image color recognition navigation 20Hz 0.33m 20Hz 2m 20Hz 0.35m 20Hz 2.20m image feature matching navigation 0.812Hz 0.21m — — — — — — PSD laser navigation 5kHz 0.10m 5kHz 0.10m 5kHz 0.10m 5kHz 0.11m -