[發(fā)明專利]一種無人船用低成本光電吊艙的光學(xué)輔助穩(wěn)像技術(shù)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811032937.1
• 申請(qǐng)日: 2018-09-05
• 公開（公告）號(hào): CN109298630B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王博;張磊;莊佳園;陳啟賢;張偉;顧華宇;廖煜雷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B11/42
• 分類號(hào): G05B11/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種無人船用低成本光電吊艙的光學(xué)輔助穩(wěn)像技術(shù)，屬于智能船舶技術(shù)領(lǐng)域。尤其是涉及一種無人船利用光學(xué)圖像中的顯著特征實(shí)現(xiàn)對(duì)光電吊艙的反饋控制，從而有效提高低成本光電吊艙的穩(wěn)像性能的技術(shù)。針對(duì)低成本光電吊艙常常出現(xiàn)的平衡點(diǎn)漂移、穩(wěn)定精度差的問題，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光電吊艙姿態(tài)角的附加反饋控制回路，首先，利用光電吊艙中的光學(xué)成像設(shè)備采集圖像，通過檢測(cè)光學(xué)圖像中的顯著特征計(jì)算光電吊艙的角度偏差；然后，將角度偏差作為反饋控制的輸入，使光電吊艙姿態(tài)角穩(wěn)定在期望值。本發(fā)明能夠有效提高低成本光電吊艙的穩(wěn)像性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于智能船舶技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無人船用低成本光電吊艙的光學(xué)輔助穩(wěn)像技術(shù)。

背景技術(shù)

近年來，隨著無人船技術(shù)的出現(xiàn)和日趨發(fā)展完善，未來的海上交通方式和海洋觀測(cè)手段面臨著重大的變革，將對(duì)我國(guó)海洋科學(xué)研究、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生重要而深遠(yuǎn)的影響。針對(duì)實(shí)際海洋環(huán)境中的應(yīng)用需求，無人船可配置航海雷達(dá)、激光雷達(dá)、光學(xué)成像設(shè)備、聲吶等各種類型傳感器，用于獲取周圍一定范圍內(nèi)的環(huán)境、目標(biāo)、障礙物等信息，自主完成目標(biāo)認(rèn)知、環(huán)境建模、危險(xiǎn)規(guī)避、路徑規(guī)劃、自主決策等智能行為，能夠執(zhí)行海上貨物運(yùn)輸、事故人員搜救、水文氣象監(jiān)測(cè)、海洋生態(tài)研究等各類任務(wù)。

與其它類型傳感器相比，光學(xué)成像設(shè)備具有采集頻率高、分辨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其成像原理與生物視覺系統(tǒng)十分相似，因此獲取的圖像或視頻能夠真實(shí)地反映環(huán)境和目標(biāo)的外觀形態(tài)，有利于操作人員對(duì)無人船周圍情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。然而，無人船在實(shí)際海洋環(huán)境中航行時(shí)會(huì)受到海況的影響，常常會(huì)出現(xiàn)劇烈顛簸或大幅度搖蕩，從而造成光學(xué)成像設(shè)備采集的圖像或視頻也出現(xiàn)劇烈的抖動(dòng)或大幅度運(yùn)動(dòng)，對(duì)無人船的自主認(rèn)知行為和操作人員的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)形成非常不利的影響。光電吊艙的應(yīng)用能夠較好地解決這種問題，它集成了光學(xué)成像設(shè)備和伺服穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，伺服穩(wěn)定機(jī)構(gòu)能夠?qū)Ω骺臻g方向上的角速度和線速度進(jìn)行補(bǔ)償，使光學(xué)成像設(shè)備能夠保持穩(wěn)定的位置和姿態(tài)，顯著改善獲取的圖像或視頻的穩(wěn)定性。

顯然，光電吊艙的穩(wěn)定性能主要取決于伺服穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，而伺服穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的性能又主要取決于速度傳感器的精度和補(bǔ)償控制算法，在補(bǔ)償控制算法日趨成熟的情況下，速度傳感器的精度成為了決定光電吊艙穩(wěn)定性能的關(guān)鍵。目前，光電吊艙的速度傳感器主要采用光纖陀螺儀、微機(jī)械陀螺儀等，其中光纖陀螺儀的精度較高，但造價(jià)比較昂貴，而微機(jī)械陀螺儀構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低廉，但精度較差。由于光學(xué)成像設(shè)備的成本越來越低，速度傳感器占據(jù)了光電吊艙的大部分成本，因此目前低成本光電吊艙幾乎都使用了微機(jī)械陀螺儀，但同時(shí)也存在平衡點(diǎn)漂移、穩(wěn)定精度差的缺點(diǎn)。

無人船的研制和設(shè)計(jì)需要綜合考慮需求、成本、功耗、體積、重量等各種因素，低成本光電吊艙是其中一種經(jīng)常采用的可選傳感器，但其平衡點(diǎn)漂移、穩(wěn)定精度差等缺點(diǎn)導(dǎo)致無人船在航行過程中，時(shí)常需要操作人員調(diào)整光電吊艙的姿態(tài)，增加了對(duì)無人船的操作頻率，降低了其自主性水平，使無人船無法脫離操作人員的干預(yù)而完全獨(dú)立運(yùn)行，尤其是在較惡劣的海況下，無人船處于劇烈顛簸或大幅度搖蕩狀態(tài)時(shí)，操作人員通過遠(yuǎn)程干預(yù)使光電吊艙保持穩(wěn)定是不可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。

針對(duì)這種問題，本發(fā)明提供了一種無人船用低成本光電吊艙的光學(xué)輔助穩(wěn)像技術(shù)，利用光電吊艙中的光學(xué)成像設(shè)備采集圖像，通過檢測(cè)光學(xué)圖像中的顯著特征計(jì)算光電吊艙的角度偏差，并作為PID(比例-積分-微分)控制器的輸入對(duì)光電吊艙的姿態(tài)角進(jìn)行反饋控制，從而使光電吊艙的姿態(tài)角穩(wěn)定在期望值，有效提高低成本光電吊艙的穩(wěn)像性能。

[1]金銘.基于DSP光電吊艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].沈陽航空航天大學(xué),2017

[2]葉濤.基于FPGA的無人機(jī)光電吊艙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中北大學(xué),2016

[3]徐賢玉.船載光電平臺(tái)伺服穩(wěn)像方法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].南京理工大學(xué),2014

[4]雷瓊瑩，金偉其，郭宏，等.基于MEMS陀螺儀及壓電微擺鏡的光機(jī)電聯(lián)合穩(wěn)像技術(shù)[J].紅外技術(shù),2018,40(04):332-337