[发明专利]一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置

说明书

一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，在直升机载激光雷达系统中，增加一个三维姿态角振动补偿装置，其上安装一面大尺寸反射镜。采用磁性万向轴承支撑所述大尺寸反射镜绕x轴和y轴实现同时转动；x轴和y轴的转动采用直动电机和光栅尺位移传感器实现转角闭环控制，可消除x轴和y轴的转动耦合；所述大尺寸反射镜绕z轴的转动采用直流力矩电机和齿轮传动方式。通过所述三维姿态角振动补偿装置，将由机载平台三维姿态角振动影响而偏转了的激光脉冲束，矫正回无机载平台姿态角振动时的理想扫描方向上，从而实现对机载平台三维姿态角振动的实时完全补偿，消除直升机载平台三维姿态角振动对激光雷达测量点云的不利影响。

技术领域

本发明涉及直升机载平台的复杂振动对机载激光雷达三维成像不利影响的实时高精度补偿问题。

背景技术

激光雷达具有成像精度高、作业效率高、探测距离远等优点，而直升机具有飞行机动灵活的优点，对起飞和降落地点要求低，同时飞行高度也不高，适合各种复杂地形的测量，因此，两者相结合，直升机载激光雷达在地形测绘、城市建模、电力线勘测等许多领域，得到了广泛的应用。

机载激光雷达工作过程中，要求机载平台的运动有规律，通常要求直升机为匀速直线飞行，从而可使激光雷达的探测点云覆盖区域规则，分布密度均匀，被测地形的采样点分布满足二维采样定理要求，则经过后续的点云插值和曲面拟合处理时，三维地形模型误差较小，可满足地面测量的分辨率要求，三维成像精度高。

但直升机虽具有飞行机动灵活的优点，但也有明显的缺点，即直升机飞行过程中具有非常复杂的振动。直升机在实际飞行过程中，飞机体会受到多方面的干扰影响，如阵风、湍流、发动机振动及控制系统的性能缺陷等，使机载平台无法保持理想的匀速直线运动状态，产生强烈且复杂的振动，严重影响激光雷达扫描点云的分布和采样分辨率，进而降低了被测地形三维成像模型的精度。因此，采取有效措施，针对直升机载激光雷达的飞行平台复杂振动进行实时高精度补偿，具有重要的现实意义。

现有可实现机载激光雷达载荷平台实时补偿方法中，如在专利ZL201010183492.4中，其提出了一种可实现机载激光雷达载荷平台的俯仰角变化实时补偿方法，另外在专利ZL201010180527.9中，其提出了一种可实现机载激光雷达载荷平台的滚动角变化实时补偿方法，也就是说现有的机载激光雷达雷达关于载荷平台姿态角振动的补偿方法中只能实现单轴方向上的姿态角补偿，而无法实现三轴姿态角振动的同时补偿。为了实现直升机载平台三轴复杂姿态角振动的实时高精度补偿，需要对补偿装置的机械结构、补偿原理和补偿性能提出新的设计要求。本专利即提出了一种专用于直升机载激光雷达的机载平台复杂三维姿态角振动的实时补偿方法与装置，其具有与以往补偿方法不同的补偿原理、机械结构、工作方式及补偿性能。

发明内容

为了实现对直升机载激光雷达三维姿态角振动的完全补偿，本发明提供了一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，主要有以下的几点创新点：一是采用直动电机控制取代传统的转动电机控制，采用位移测量取代转角测量的方法，其目的是改善补偿装置的机械结构，提高空间利用率，可实现大尺寸反射镜的安装，提高补偿装置对激光雷达远距离测量的适应能力，增强其实用性；二是采用磁性万向轴承机械结构，取代三轴转台结构，可使大尺寸反射镜绕x轴和y轴的转动快速灵活，且避免了两轴的转动耦合；三是增加了大尺寸反射镜在z轴方向上的补偿，实现了机载激光雷达对三轴姿态角振动的完全补偿，而非只补偿一轴。

本发明提供的一种直升机载激光雷达平台三维姿态角复杂振动实时补偿方法与装置，其特征在于在常规的直升机载激光雷达系统中增加一个激光束三维指向矫正装置，通过此矫正装置，将由于机载平台三维姿态角振动影响而偏转了的激光脉冲束，矫正回无机载平台姿态角振动时的理想扫描方向上，从而可实现对机载平台三维姿态角振动的实时补偿，完全消除了直升机载平台三维姿态角振动对激光雷达测量点云的不利影响，故将此装置即称为三维姿态角振动补偿装置。