CN103914083B - 复合稳定平台功能的宽视场成像结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合稳定平台功能的宽视场成像结构及其控制方法，宽视场成像结构包括基座；横滚环架；俯仰环架；横滚轴电机；俯仰轴电机；45°补偿镜；成像仪器。本发明将稳定平台复合在宽视场成像结构上，采用控制领域经典的PID三环控制算法，既实现翼展方向的宽视场摆扫成像和飞行方向的前向像移补偿，又为成像仪器配置稳定平台，有效解决了使用通用稳定平台带来的诸如仪器重量以及设计尺寸方面的限制问题。

Description

复合稳定平台功能的宽视场成像结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种宽视场成像结构，具体涉及一种复合稳定平台功能、能够实现翼展方向宽视场摆扫成像和飞行方向前向像移补偿的宽视场成像结构及其控制方法。

背景技术

在有像质要求的前提下，很难依靠单镜头非扫描成像实现宽视场（超过30°）成像。在过去面阵探测器技术尚不成熟的年代，宽视场图像的获取是采用单元或者线列探测器，利用光学系统前的旋转扫描镜在翼展方向逐行扫描实现的。随着面阵探测器技术的发展，宽视场成像的方式随之发生改变。在面阵探测器技术日益成熟的今天，采用面阵探测器在翼展方向整机摆扫是实现宽视场成像的必由之路，也是未来很长一段时间内的发展趋势。在此，整机包括成像仪器以及置于光学系统前的折转镜。

面阵探测器件可以增加像元驻留时间，有效提升信噪比，但与此同时，由于运动载体的高速运动，造成飞行方向的像点移动，带来前向像移问题。像移是影响成像质量的关键因素，虽然不可避免，但实践证明通过一定的措施来补偿各种原因所产生的像移是可行且有效的，能大幅度提高成像质量。

运动载体的姿态变化也会影响仪器的成像质量，若成像仪器不稳定，即使进行像移补偿，成像效果也会很差，所以首先要保证成像仪器的稳定，而稳定平台正好满足了这种需求。

一般将成像仪器安装在通用稳定平台上来隔离运动载体的姿态变化对成像造成的影响，成像仪器与稳定平台分离。然而通用稳定平台对成像仪器的重量、设计尺寸都有限制，例如瑞士Leica公司生产的通用稳定平台PAV30，有效载荷限制为100Kg±3Kg，安装尺寸为436mm，不能满足不同重量以及外形尺寸的成像仪器的需求。

发明内容

综上所述，如何克服通用稳定平台对成像仪器的重量及设计尺寸的限制乃是本发明所要解决的技术问题。因此，本发明技术解决思路如下：

宽视场成像结构用来实现翼展方向的宽视场摆扫成像和飞行方向的前向像移补偿，在此基础上，将稳定平台的横滚姿态稳定和俯仰姿态稳定复合在宽视场成像结构上，为成像仪器配置稳定平台，有效解决了通用稳定平台对成像仪器的重量及设计尺寸的限制。具体实现如下：

如图1所示，复合稳定平台功能的宽视场成像结构，包括基座1，横滚环架2，俯仰环架3，俯仰轴电机4，45°补偿镜5，横滚轴电机6，以及成像仪器7。

基座1固定在运动载体上，横滚轴电机6安装在横滚轴上，横滚环架2通过横滚轴与基座1连接，俯仰轴电机4安装在俯仰轴上，45°补偿镜5固定在俯仰轴电机4上，俯仰环架3通过俯仰轴与横滚环架2连接，成像仪器7固定在横滚环架2上，构成复合稳定平台功能的宽视场成像结构。

利用控制领域经典的PID三环（位置环、速度环、电流环）控制算法（图2），驱动俯仰轴电机4带动45°补偿镜5实现俯仰轴的复合控制，驱动横滚轴电机6带动横滚环架2实现横滚轴复合控制：

（1）将翼展方向宽视场成像控制要求转换成横滚轴电机位置环控制指令，控制横滚轴电机6带动横滚环架2在运动载体翼展方向周期性往返摆扫实现宽视场成像；

（2）将飞行方向前向像移补偿控制要求转换成俯仰轴电机位置环控制指令，控制俯仰轴电机4带动45°补偿镜5绕俯仰轴作景物跟踪运动，保证45°补偿镜5补偿运动过程中成像仪器的视场正好对应摆扫过程的往或返，实现飞行方向的前向像移补偿；

（3）利用惯性传感器获取运动载体横滚方向的姿态变化，将横滚姿态信息作为横滚轴电机位置环控制指令，驱动横滚轴电机6带动横滚环架2反向运动补偿，实现运动载体横滚方向的姿态稳定；

（4）将横滚轴翼展方向摆扫控制指令与运动载体横滚方向姿态稳定控制指令复合，驱动横滚轴电机6带动横滚环架2实现横滚轴的复合控制；

（5）利用惯性传感器获取运动载体俯仰方向的姿态变化，将1/2俯仰姿态信息作为俯仰轴电机位置环控制指令，驱动俯仰轴电机5带动45°补偿镜6反向运动补偿，实现运动载体俯仰方向的姿态稳定；

（6）将俯仰轴飞行方向前向像移补偿控制指令与运动载体俯仰方向姿态稳定控制指令复合，驱动俯仰轴电机5带动45°补偿镜6实现俯仰轴的复合控制。

本发明的优点在于：

（1）本发明应用灵活，可以用于不同重量及设计尺寸的成像仪器。

根据成像仪器的重量、尺寸设计宽视场成像结构，然后将稳定平台功能复合在宽视场成像结构上，既可以实现翼展方向的宽视场摆扫成像和飞行方向的前向像移补偿，又为成像仪器配置稳定平台，有效解决了使用通用稳定平台带来的诸如仪器重量以及设计尺寸方面的限制问题。

（2）在控制方法上稍作改动即可用于翼展方向视场不变的成像仪器。

翼展方向视场不变的成像仪器，不需进行摆扫控制。俯仰轴复合控制不变，取消横滚轴复合控制，仅将运动载体横滚方向的姿态信息作为横滚轴电机位置环控制指令，驱动横滚轴电机6带动横滚环架2反向运动补偿，实现运动载体横滚方向的姿态稳定。控制方法修改之后，在实现飞行方向前向像移补偿的同时，也为翼展方向视场不变的成像仪器配置稳定平台。

附图说明

图1是复合稳定平台功能的宽视场成像结构，其中：1.基座；2.横滚环架；3.俯仰环架；4.横滚轴电机；5.俯仰轴电机；6.45°补偿镜；7.成像仪器。

图2是PID三环复合控制示意图。

具体实施方式

下面结合图1给出本发明的一个较好实例，主要作进一步详细说明，而非用来限定本发明的范围：

将本发明应用于面阵成像仪，翼展方向要求实现55°的宽视场成像。根据面阵成像仪的尺寸设计横滚环架，将成像仪固定在横滚环架上，进而设计基座，选择铝合金材料加工基座和横滚环架。选择平面玻璃镜作为45°补偿镜，选择摆角式音圈电机作为横滚轴与俯仰轴的电机，45°补偿镜和俯仰轴音圈电机组成俯仰环架。

采用控制领域经典的PID三环（位置环、速度环、电流环）控制算法，驱动横滚轴音圈电机带动横滚环架，将翼展方向的宽视场摆扫成像控制与横滚方向的姿态稳定控制复合；驱动俯仰轴音圈电机带动45°补偿镜，将飞行方向的前向像移补偿控制与俯仰方向的姿态稳定控制复合，即可实现复合稳定平台功能的、在翼展方向进行55°宽视场摆扫成像以及带飞行方向前向像移补偿的面阵成像仪。

Claims (1)

1.一种基于复合稳定平台功能的宽视场成像结构的控制方法，所述的复合稳定平台功能的宽视场成像结构包括基座(1)，横滚环架(2)，俯仰环架(3)，俯仰轴电机(4)，45°补偿镜(5)，横滚轴电机(6)以及成像仪器(7)；基座(1)固定在运动载体上，横滚轴电机(6)安装在横滚轴上，横滚环架(2)通过横滚轴与基座(1)连接，俯仰轴电机(4)安装在俯仰轴上，45°补偿镜(5)固定在俯仰轴电机(4)上，俯仰环架(3)通过俯仰轴与横滚环架(2)连接，成像仪器(7)固定在横滚环架(2)上，构成复合稳定平台功能的宽视场成像结构；其特征在于所述的控制方法如下：

利用控制领域经典的PID三环控制算法，驱动俯仰轴电机(4)带动45°补偿镜(5)实现俯仰轴的复合控制，驱动横滚轴电机(6)带动横滚环架(2)实现横滚轴复合控制，具体步骤如下：

1)将翼展方向宽视场成像控制要求转换成横滚轴电机位置环控制指令，控制横滚轴电机(6)带动横滚环架(2)在运动载体翼展方向周期性往返摆扫实现宽视场成像；

2)将飞行方向前向像移补偿控制要求转换成俯仰轴电机位置环控制指令，控制俯仰轴电机(4)带动45°补偿镜(5)绕俯仰轴作景物跟踪运动，保证45°补偿镜(5)补偿运动过程中成像仪器的视场正好对应摆扫过程的往或返，实现飞行方向的前向像移补偿；

3)利用惯性传感器获取运动载体横滚方向的姿态变化，将横滚姿态信息作为横滚轴电机位置环控制指令，驱动横滚轴电机(6)带动横滚环架(2)反向运动补偿，实现运动载体横滚方向的姿态稳定；

4)将横滚轴翼展方向摆扫控制指令与运动载体横滚方向姿态稳定控制指令复合，驱动横滚轴电机(6)带动横滚环架(2)实现横滚轴的复合控制；

5)利用惯性传感器获取运动载体俯仰方向的姿态变化，将1/2俯仰姿态信息作为俯仰轴电机位置环控制指令，驱动俯仰轴电机(5)带动45°补偿镜(6)反向运动补偿，实现运动载体俯仰方向的姿态稳定；

6)将俯仰轴飞行方向前向像移补偿控制指令与运动载体俯仰方向姿态稳定控制指令复合，驱动俯仰轴电机(5)带动45°补偿镜(6)实现俯仰轴的复合控制。