CN103064430B - 机电融合型图像稳定装置 - Google Patents
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Abstract
机电融合型图像稳定装置，包括控制组件、图像处理器、稳定平台和综合光电瞄具。本发明的有益效果是：1、在方位-俯仰陀螺稳定平台的基础上，通过加装横滚速率陀螺获取该方向的角度偏移量即旋转角度，进而采用数字图像处理器进行电子学校正实现图像消旋，最终输出全向稳定的视频图像序列；2、采用光电组件、光学窗口相对于基座方位随动、光电组件相对于光学窗口俯仰随动的机械结构形式，简单紧凑，可靠性高，密封性能好；3、可见光摄像机、红外热像仪、激光测距机、图像处理器等光电组件利用“Z”形架进行细粒度集成的布局方式，具备昼夜稳定成像能力，环境适应性强。
Description
【技术领域】本发明适用于运动载体基光电平台昼夜稳定成像，属于机电控制及图像处理领域。
【背景技术】信息化战争条件下，武器系统要求通过光电技术手段实时感知目标区域态势并对目标参数进行高精度测量，获取清晰、稳定的视频图像序列已经成为实施精确打击的关键前提。受各种外部扰动及载体运动的影响，车载、舰载、机载光电平台直接获取的图像信息往往包含各类噪声从而发生失真或偏转，难以实现目标搜索、瞄准及观测，图像稳定技术应运而生。
理论上只有三轴稳定平台才能真正实现图像稳定，但其机电系统十分复杂，相关设计、制造、装配要求极其严格，导致成本畸高难以量产；目前，陀螺稳定平台已经成为事实上的标准解决方案，方位-俯仰两轴稳定平台技术成熟，但无法消除横滚扰动。
【发明内容】本发明针对上述问题，提供一种融合两轴平台与电子图像消旋技术的图像稳定装置，用于实现视频图像在方位、俯仰、横滚方向稳定。
如附图1所示，方位与俯仰陀螺安装在俯仰框架内，由此衍生耦合问题——在稳定方位轴时，陀螺输出的方位速率信息需利用俯仰角度进行解耦后再使用。
设载体坐标系为（X，Y，Z），如附图2所示。其中，OX为载体前端方向，OY为与载体基座底面垂直的方向，（X 1，Y，Z 1）为方位坐标系，（X 2，Y 2，Z 1）为俯仰坐标系，θa为光轴的方位角，θf为光轴的俯仰角。由图易知，光轴OX 2在坐标系OXYZ中的位置由θa、θf唯一确定。当载体有角速度时，此角速度将通过平台环架向台体耦合。
又设ωx、ωy、ωz为载体坐标系三个坐标轴的角速度分量，例如对舰载平台即为横摇角速度、艏摇角速度、纵摇角速度。ωx、ωy、ωz通过OY与OZ 1轴的摩擦约束和几何约束耦合给方位环与俯仰环，两环伺服回路工作即可隔离相应扰动。推导易得，船体扰动对OX 2轴的角速度分量为：
（1）
该分量无法隔离，此即两轴陀螺平台的固有缺陷，最终导致目标图像以-ωx2的角速度旋转。对ωx2积分，可得图像消旋角θ。给定数字图像，设其绕图像中心点（）旋转角度后得到图像。（）与（）之间的映射关系为：
（2）
据此对每帧图像进行像素级运算操作，从而实现电子消旋。为减轻系统计算负担，采用加装横滚速率陀螺，直接利用该方向角速率信息积分得θ，其初始角度由静态条件下倾角仪输出的纵、横角依据式（3）计算得出。
（3）
本发明取代传统三轴稳定平台，在目标搜瞄、跟踪、侦测领域能够广泛运用，其解决技术问题的具体方案为：
机电融合型图像稳定装置包括控制组件、图像处理器、稳定平台和综合光电瞄具，其特征在于，控制组件嵌入稳定平台底部，稳定平台方位轴嵌入导电滑环，方位轴上安装有力矩电机和旋转变压器；稳定平台上部设有“U”形旋转臂，“U”形旋转臂外部安装有防护罩；“U”形旋转臂的俯仰轴的一侧安装有力矩电机，另一侧安装有旋转变压器；综合光电瞄具通过“Z”形架安装于“U”形旋转臂的俯仰轴上；图像处理器安装于综合光电瞄具的下部；所述综合光电瞄具由可见光摄像机、红外热像仪、激光测距机组成。所述稳定平台由力矩电机、旋转变压器、陀螺仪组件、倾角仪和“U”形旋转臂组成；所述激光测距机的后侧安装有方位-俯仰陀螺、横滚陀螺组合而成的陀螺仪组件。
所述控制组件由综合控制板和伺服驱动板以混搭方式组成。
所述防护罩为整体铸件。
所述防护罩外壁上固定安装有可见光玻璃和红外玻璃。
本发明的有益效果是：1、在方位-俯仰陀螺稳定平台的基础上，通过加装横滚速率陀螺获取该方向的角度偏移量即旋转角度，进而采用数字图像处理器进行电子学校正实现图像消旋，最终输出全向稳定的视频图像序列；2、采用光电组件、光学窗口相对于基座方位随动、光电组件相对于光学窗口俯仰随动的机械结构形式，简单紧凑，可靠性高，密封性能好；3、可见光摄像机、红外热像仪、激光测距机、图像处理器等光电组件利用“Z”形架进行细粒度集成的布局方式，具备昼夜稳定成像能力，环境适应性强。
【附图说明】
图1是本发明原理框图
图2是载体坐标系
图3是本发明构成框图
图4是本发明的外形示意图
图5是本发明的内部结构图
图6是图5的俯视图
图7是本发明的信号流图
图中：1、红外热像仪，2、可见光摄像机，3、激光测距机，4、图像处理器，5、力矩电机，6、旋转变压器，7、陀螺仪组件，8、控制组件，9、可见光玻璃，10、红外玻璃，11、防护罩，12、“Z”形架，13、“U”形旋转臂，14、导电滑环，15、倾角仪。
【具体实施方式】下面结合附图对发明的实施阐述如下：
参照附图3、图4、图5和图6，机电融合型图像稳定装置包括控制组件8、图像处理器4、稳定平台和综合光电瞄具。
控制组件8嵌入稳定平台底部，对外仅保留电气接口，可减少电机转动过程中对电路干扰。控制组件8由综合控制板和伺服驱动板以混搭方式组成，综合控制板主要实现系统任务管理与运动控制；伺服驱动板则接受综合控制板输出的PWM信号，通过信号变换与功率放大驱动力矩电机5执行相关动作，同时提供过热、过流、过压、欠压保护，为提高系统带宽并减轻软件运算负担，在伺服驱动板上集成了模拟电流环控制电路。
稳定平台主体为机械本体，由力矩电机5、旋转变压器6、陀螺仪组件7、倾角仪15和“U”形旋转臂13组成；其方位轴嵌入导电滑环14，以保证方位能360°转动；力矩电机5和旋转变压器6直接安装在方位轴上，采用刚性连接方式，无传动间隙，可保证角度测量精度，且结构紧凑，节省许多空间。
稳定平台上部设有“U”形旋转臂13， “U”形旋转臂13的俯仰轴的一侧安装有力矩电机5，另一侧安装有旋转变压器6。
综合光电瞄具通过“Z”形架12安装于“U”形旋转臂13的俯仰轴上；综合光电瞄具由可见光摄像机2、红外热像仪1、激光测距机3组成；其中，可见光摄像机2用于获取目标的可见光图像，红外热像仪1用于获取目标的红外图像，激光测距机3用于目标距离测量。
激光测距机的后侧安装有方位-俯仰陀螺、横滚陀螺组合而成的陀螺仪组件7，跟随俯仰轴系一起运动，能实时感知光轴及平台的姿态，为运动控制提供准确的角速率信息。
“U”形旋转臂13外部安装有防护罩11，防护罩11为整体铸件，防护罩外壁上固定安装有可见光玻璃9和红外玻璃10。
图像处理器4以单板形式自成独立功能模块，装配于综合光电瞄具的红外热像仪1下部，用于图像采集、图像增强及图像消旋；其能同时采集一路CCD图像（PAL）及一路红外图像（CCIR），受控实现双路图像选通输入及输出，实现透雾增强，并实时输出图像旋转角度。
红外热像仪1及可见光摄像机2输出的视频输入图像处理器4，图像处理器4通过综合倾角仪15确定的初始角及横滚陀螺输出的横滚速率信息获得图像旋转角，进而对图像信息进行像素级操作实现消旋处理，最后输出相对于横滚方向稳定的视频图像序列。
参照附图7，外部控制设备通过通讯接口以固定周期发出激励命令，装置接收后提取控制字，根据控制字向系统其他单元分发控制命令以实时完成指定任务，随后收集所需状态信息构成当前状态字进而形成响应消息，通过通讯接口回送控制设备。
综合管理板根据接收的指令控制综合光电瞄具，或处理来自两轴旋转变压器及陀螺仪组件所测量的位置、速度等信息，发出控制信号给伺服驱动板，伺服驱动板对控制信号进行功率变换后，驱动电机执行相应动作。
综合光电瞄具根据命令获取目标信息，可见光或红外视频图像序列先经过图像处理器消旋处理，再通过视频线缆直接把输送至控制设备，同时把距离信息及传感器状态等传回综合管理板。
Claims (5)
1.机电融合型图像稳定装置，包括控制组件、图像处理器、稳定平台和综合光电瞄具，其特征在于，控制组件嵌入稳定平台底部，稳定平台方位轴嵌入导电滑环，方位轴上安装有力矩电机和旋转变压器；稳定平台上部设有“U”形旋转臂，“U”形旋转臂外部安装有防护罩；“U”形旋转臂的俯仰轴的一侧安装有力矩电机，另一侧安装有旋转变压器；综合光电瞄具通过“Z”形架安装于“U”形旋转臂的俯仰轴上；图像处理器安装于综合光电瞄具的下部；所述综合光电瞄具由可见光摄像机、红外热像仪、激光测距机组成；所述激光测距机的后侧安装有方位-俯仰陀螺、横滚陀螺组合而成的陀螺仪组件。
2.根据权利要求1所述的机电融合型图像稳定装置，其特征在于，所述稳定平台由力矩电机、旋转变压器、陀螺仪组件、倾角仪和“U”形旋转臂组成。
3.根据权利要求1所述的机电融合型图像稳定装置，其特征在于，所述控制组件由综合控制板和伺服驱动板以混搭方式组成。
4.根据权利要求1所述的机电融合型图像稳定装置，其特征在于，所述防护罩为整体铸件。
5.根据权利要求1或4所述的机电融合型图像稳定装置，其特征在于，所述防护罩外壁上固定安装有可见光玻璃和红外玻璃。
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