[發明專利]一種應用于邊防的無人值守控制系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201811330928.0
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109460076B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 付勝華;婁文忠;廖茂浩;潘海;石丹
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種應用于邊防的無人值守控制系統的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步驟：

1)對系統上電，依據當地環境選擇電源管理電路供電方式，控制處理器控制相機視覺定位設備、兩自由度隨動機構和預警裝置的供電時序；

2)控制處理器進入等待狀態；

3)相機視覺定位設備的相機對周邊環境實時拍攝；

4)當相機的視場角內出現目標時，相機將圖像傳輸至視覺定位解算器，視覺定位解算器利用單目視覺透視成像幾何原理，并引入地面約束關系，得到目標的坐標，通過通訊裝置傳輸至控制處理器；其中，視覺定位解算器利用單目視覺透視成像幾何原理，并引入地面約束關系，得到目標的坐標，包括以下步驟：

a)建立相機和目標之間的坐標關系：

相機的光心為O′，O為點O′在地面上的垂直投影，以俯仰角δ安裝在地面上方，高度為h，光軸O′P穿過像平面點P′與地面相交于點P，建立相機的中心透視模型，以x-y為像平面物理坐標系x′-y′在地面上的投影，以x-y為世界坐標系，由OP是O′P的射影、x′平行于x、O′P垂直于x′得到，OP垂直于x軸，從而證明點O與P在同一條直線上，從而得到：

b)引入地面約束關系：

由于鏡頭與地面存在俯仰角，像點與像坐標軸圍成的矩形到了地面則對應為梯形，目標物在地面上的坐標面與其像坐標面不平行，這種非對稱投影給求解坐標變量x帶來了一定難度，因此建立輔助平面Π，平面Π通過目標點T與像平面平行，并保持關于點O′的中心投影關系不變，其中，P′為光軸與像平面的交點，即圖像物理坐標系原點；(u₀ v₀)為點P′在圖像像素坐標系的坐標；P″ 為光軸與平面Π的交點；x″-y″為平面Π的坐標系；T″_x和T_x分別為T在x″軸和x軸上的對應點；T_y為T在y軸上的對應點；O′P′為長度，等于焦距f，由x與x″ 平行得到，目標在x″ 軸上的坐標長度就是目標在地面上的坐標長度，設目標對應的物坐標為(x，y)，像坐標為(x′ ，y′ )，輔助平面Π坐標為(x″，y″)；O′ T_y與光軸的夾角為α，O′ T″ _x與光軸的夾角為β，建立如下約束關系方程：

c)得到目標物的坐標：

5)控制處理器將目標的坐標轉換為兩自由度隨動機構的指令軌跡，控制處理器發送指令軌跡傳輸至伺服驅動電路，包括以下步驟：

a)控制處理器將目標的坐標(x，y)轉換成兩自由度隨動機構的指令軌跡為指令軌跡的旋轉角，為指令軌跡的俯仰角，建立指令軌跡的線性解耦方程：

其中，u_i(t)為目標的矢量坐標即[x，y]的分量，d_0i為外界對目標的矢量坐標[x，y]的動態干擾的分量，d_1i為目標矢量坐標[x，y]輸入引起的干擾的分量，t為時間；J_i為轉動慣量即J₁為周向旋轉機構的轉動慣量，J₂為俯仰機構的轉動慣量；B_i為阻尼系數即B₁為周向旋轉機構的阻尼，B₂為俯仰機構的阻尼；

b)求解得到系統的最優解，使得誤差在條件范圍內；

6)伺服驅動電路根據指令軌跡控制兩自由度隨動機構的周向旋轉運動和俯仰運動；

7)兩自由度隨動機構將周向旋轉運動和俯仰運動的實際軌跡反饋回控制處理器，控制處理器根據兩自由度隨動機構的動力學模型由實際軌跡與指令軌跡得到補償軌跡，再發送至伺服驅動電路，補償兩自由度隨動機構的運動，實現全閉環位置補償方法；

8)當控制處理器接收到目標的坐標位于相應的警戒區域內時，控制處理器發出相應的警戒指令至預警裝置，并通過兩自由度隨動機構控制預警裝置瞄準目標，預警裝置發出相應的警告信號，實現實時化定位預警。

2.如權利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步驟7)中，控制處理器根據兩自由度隨動機構的動力學模型由實際軌跡與指令軌跡得到補償軌跡，包括以下步驟：

a)兩自由度隨動機構的實際旋轉角為q₁，實際俯仰角為q₂，得旋轉角和俯仰角的軌跡跟蹤方程e_q1和e_q2：

其中，為控制處理器發出的指令軌跡的旋轉角，為控制處理器發出的指令軌跡的俯仰角；

b)得補償軌跡：

其中，為補償軌跡的旋轉角，為補償軌跡的俯仰角。