CN104767942B - 一种定点拍摄式航测相机凸轮像移补偿机构控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定点拍摄式航测相机凸轮像移补偿机构控制方法，属于航测相机技术领域。该控制方法设计了匀加速的凸轮运动曲线，计算凸轮从初始位置由静止加速到设定的转速，保持匀速到达推程起点的时间，得到凸轮启动时刻相对拍摄时刻的提前量。采用步进电机对凸轮进行控制，按步距角对凸轮运动曲线离散化，得到步进电机控制脉冲的发送时刻，计算相邻脉冲的时间差，形成查找表，利用微控制器的定时器和比较器功能实现对步进电机脉冲时刻的精确控制。本方法保证了凸轮在拍摄时刻以设定的转速进入推程角范围，以获得要求的像移补偿速度，解决了航测相机在定点拍摄工作方式下凸轮式像移补偿机构的控制问题。
Description
技术领域
本发明涉及采用凸轮相移补偿机构的航测相机在定点拍摄工作方式下对凸轮机构的控制方法，属于航测相机技术领域。
背景技术
航测相机工作时，由于曝光时间内载体存在前向运动，导致场景所成的像在像面上的移动，即产生前向像移。前向像移导致图像退化，表现为图像拖尾、灰度失真、对比度和分辨率下降，必须要进行补偿才能满足航测相机清晰成像的要求。
常用的前向像移补偿方式有机械式像移补偿、光学式像移补偿和电子像移补偿。机械式像移补偿是利用机械结构实现曝光时感光介质或传感器随影像的运动而移动。在CCD航测相机中常用的结构为将CCD安装在移动底座，利用压电晶体或凸轮等结构驱动底座在曝光时进行相应移动。光学式像移补偿是通过旋转和移动光学元件，常用摆镜，使像在焦面保持相对静止。电子像移补偿主要针对CCD相机，利用CCD电荷转移驱动技术使电荷包转移与像移同步，实现像移补偿。
光学式像移补偿对相机的光机结构有特殊的要求，主要用于长焦全景相机中。电子像移补偿不需要额外的光机结构，有利于相机体积和重量的控制，但受到传感器类型的限制，对于不是采用CCD作为传感器的相机、行间转移型CCD相机、Bayer格式的彩色CCD相机等无法使用电子相移补偿。在这种情况下，航测相机一般采用机械式像移补偿。本发明主要针对凸轮式像移补偿机构。
凸轮式像移补偿机构的传统工作方式为：根据凸轮的结构参数，载体速高比信息得到凸轮转动速度，当凸轮运动到有效推程起点时，发出外同步信号，触发相机曝光成像。由于像移补偿速度以及拍摄的航向重叠率均与速高比相关，通过设计凸轮的结构参数，可以保证补偿速度和重叠率要求。在定点拍摄式航测相机中，事先规划了航带上的拍摄点的位置，要求相机在载体运动到设定的拍摄点时曝光成像，而凸轮机构传统的工作方式下拍摄点的位置取决于机构启动运转的时刻，具有随机性，无法满足定点拍摄的要求。此外，在传统工作方式下，凸轮的结构参数直接决定了凸轮转速，进而决定了拍摄间隔和航向重叠率。因此其航向重叠率是固定的，无法灵活设置。
发明内容
为了解决凸轮式像移补偿机构传统控制方式下拍摄点不确定、航向重叠率无法灵活设置的不足，本发明提供了一种适用于定点拍摄式航测相机的凸轮像移补偿机构控制方法。
本发明采用的技术方案如下：一种定点拍摄式航测相机凸轮像移补偿机构控制方法，所述的凸轮像移补偿机构包括凸轮、光电对管、凸轮座、联轴节、电机座、驱动电机以及控制系统；凸轮和光电对管安装在凸轮座上；光电对管的发射器和接收器分别位于凸轮两侧，结合凸轮上的通孔来确定凸轮的初始位置；驱动电机安装在电机座上，电机转轴和凸轮通过连轴节连接和传动；控制系统包括控制器和驱动器，控制驱动电机按要求运动。所述的凸轮像移补偿机构安装在CCD底座旁，利用弹簧的拉力使CCD底座在凸轮运动过程中始终保持与凸轮的接触；所述的凸轮像移补偿机构的具体控制方法为：
(1)在拍摄之前，所述的凸轮像移补偿机构位于初始位置，并保持静止状态；
(2)定点拍摄式航测相机主控系统利用GPS位置测量信息预测到达设定拍摄点的时刻，根据速高比得到像移补偿速度参数，在到达拍摄时刻之前一段时间，将补偿速度参数发送到凸轮像移补偿机构的控制系统；
(3)定点拍摄式航测相机主控系统根据补偿速度计算加速时间，得到所述的凸轮像移补偿机构的启动时刻，发送到定点拍摄式航测相机同步系统，定点拍摄式航测相机同步系统在所述的凸轮像移补偿机构启动时刻发出同步脉冲，启动所述的凸轮像移补偿机构运动；
(4)所述的凸轮像移补偿机构驱动电机在控制系统控制下，按设计的运动曲线加速，使凸轮达到要求的补偿速度，在拍摄时刻进入凸轮推程角范围，在曝光时间内，凸轮保持在推程角范围内；
(5)曝光完成后，凸轮继续运动，并在下个拍摄点之前回到初始位置并停止，完成一个拍摄点的拍摄。
进一步的，步骤(1)中，在上电初始化时，凸轮机构利用光电对管寻找初始位置，在每完成一次拍摄凸轮回到初始位置后，利用光电对管验证。
进一步的，步骤(4)中，设计凸轮的运动曲线为匀加速曲线，凸轮从初始位置开始以恒定加速度加速，到达设定的像移补偿速度后保持匀速，直到进入推程角范围，该过程凸轮具有相同的角位移量，根据角位移量和设计的加速度大小，计算得到凸轮启动时刻相对于拍摄时刻的提前量。
进一步的，步骤(4)中，采用步进电机对凸轮机构进行控制，根据凸轮运动的“角位移-时间”曲线，按照步进电机步距角的大小进行离散化，得到步进电机控制脉冲的发送时刻。
进一步的，步骤(4)中，采用微控制器的定时器和比较器功能实现步进电机脉冲时刻控制，根据设计的电机运动曲线，离散化后计算相邻脉冲的时间差，形成定时器周期参数查找表，在电机加速过程中顺序加载周期参数，减速过程中逆序加载周期参数，并对脉冲个数进行计数，保证当速度减为0时，凸轮回到初始位置。
本发明的积极成果：
1.本发明通过对凸轮像移补偿机构的运动曲线的设计和运动过程的精确控制，保证凸轮在要求的时刻以设定转速进入推程角范围，保障了航测相机拍摄时刻像移补偿速度的要求，解决了凸轮像移补偿机构传统工作方式下拍摄点不确定、航向重叠率无法灵活设置的问题，适用于定点拍摄式航测相机。
2.本发明设计了一种基于脉冲时刻的步进电机控制方法，通过对步进电机“角位移-时间”曲线按照步距角离散化得到步进脉冲的发送时刻，建立查找表，利用微控制器常见的定时器和比较器功能实现脉冲发送时刻的控制，实现简单，控制精度高，适用于固定运动曲线的步进电机运动控制。
附图说明
图1为以相同的加速度加速到不同的速度v，运动相同的角位移θ所需时间不同的示意图；
图2为对设计的步进电机“角位移-时间”变化曲线按步距角离散化得到脉冲发送时刻及发送间隔的示意图；
图3为航测相机凸轮像移补偿机构以及凸轮结构参数示意图；其中，(a)为航测相机凸轮像移补偿机构示意图，(b)为凸轮结构参数示意图，1为凸轮，2为光电对管，3为凸轮座，4为联轴节，5为电机座，6为驱动电机，7为通孔，用于光电对管寻找零位；
图4为凸轮电机控制程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
含凸轮像移补偿机构的定点拍摄式航测相机工作过程为：在拍摄之前，凸轮机构位于初始位置，保持静止状态。相机主控系统利用GPS位置测量信息预测到达设定拍摄点的时刻，根据速高比得到像移补偿速度参数，在到达拍摄时刻之前一段时间，将补偿速度参数发送到凸轮机构控制系统。同时相机主控根据补偿速度计算加速时间，得到补偿机构的启动时刻，发送到同步系统。相机同步系统在补偿机构启动时刻发出同步脉冲，启动凸轮机构运动。凸轮机构经过加速达到要求的补偿速度，在拍摄时刻到达凸轮的推程起点。在曝光时间内，凸轮保持在推程角范围内。曝光完成后，凸轮继续运动，并在下个拍摄点之前回到初始位置并停止，等待下个拍摄点重复以上工作。
根据凸轮的结构参数可以建立像移补偿速度与凸轮转速的对应关系，凸轮转速的计算公式为：
式中f为相机焦距，V为载体速度，H为载体高度，为凸轮推程角，d为凸轮推程。
要实现精确的像移补偿控制，关键技术是凸轮机构运动过程的精确控制。为了避免冲击，凸轮机构存在加减速过程。凸轮从初始位置开始以恒定加速度α加速，到达设定的速度ω后保持匀速，直到到达推程角起点，该过程凸轮具有相同的角位移量θ，若加速度α相同，在不同的设定速度ω下凸轮的运动时间t不同，如图1所示。若加速度α和角位移量θ确定，则根据设定速度ω，运动时间t可以提前计算确定。
凸轮的运动控制采用步进电机实现。根据步进电机的工作原理，控制器每输入一个脉冲，电机运动一个步距角，通过控制输入脉冲的频率控制电机的转速，通过控制输入脉冲数控制电机运动的角位移，忽略控制脉冲输入到电机步进运动之间的延迟。根据凸轮的结构参数、最大速高比可以得到凸轮的最大转速以及最大加速距离，考虑匀加速情况下得到凸轮启动过程的加速度大小。根据以上参数设计凸轮加速过程的运动曲线，即“角位移-时间”变化曲线。根据步进电机工作原理，按照电机步距角的大小，对角位移离散化，得到每个控制脉冲发送的时刻，如图2所示。
利用微控制器常见的定时器和比较器功能可以实现对步进电机控制脉冲的精确控制。根据得到的每个控制脉冲的发送时刻，计算相邻脉冲的时间差，作为定时器的计数周期。如图2所示，在ti时刻，控制器发出步进脉冲，定时器计数周期为TPi。当前计数周期完成后，到达ti+1时刻，发出控制脉冲，同时更新计数周期为TPi+1，以保证下一个脉冲的发送时刻为ti+2。通过以上方式确保每一个步进脉冲发送时刻符合设计值，使步进电机的加速过程遵循设计的加速曲线。步进电机的加速曲线确定之后，可以事先完成步进脉冲间隔的计算，形成定时器周期参数TPi的查找表以供电机运行时查询。
凸轮运动曲线设计以及步进脉冲时刻的计算要满足最大转速的要求，在实际工作中，当速高比小于最大速高比的情况下，凸轮转速小于最大转速。设该转速下对应的输入脉冲周期为TPv，在加速过程中，若控制器检测到加载的下一个定时器的计数周期TPi小于TPv，则完成加速过程，以周期TPv加载定时器，并保持匀速直到完成转动一周，减速回到初始位置。减速过程与加速过程采用对称曲线，只需要逆序加载定时器周期查找表即可。
根据凸轮的结构参数、步进电机的步距角以及运动曲线，可以得到凸轮自初始位置从静止状态开始，经过加速到设定的转速，并保持该转速匀速进入推程角范围，这一过程所需要的时间。设凸轮从初始位置到工作区起点的角度为θP，步进电机的步距角为θstep，则该过程步进电机的运动步数Np为：
NP＝θP/θstep (2)
匀速运动对应的脉冲周期为TPv。根据查找表可以得到加速过程所需的步数Nacc，且有Nacc<NP。加速过程所需的时间T1为：
式中TPi表示加速过程中每一步对应的定时器周期值。则匀速过程所需的时间T2为：
T2＝(NP-Nacc)·TPv (4)
总时间T3的计算表达式为：
相机主控根据设定的像移补偿速度以及定时器周期查找表以及上述表达式进行计算，得到电机启动时刻相对于相机拍照时刻的提前量。
同理可以计算在电机运动一周，按对称曲线减速回到初始位置的时间T4：
工作过程中要保证在当前速高比参数下，凸轮运动一周的时间T4要小于相机的拍摄间隔。
大面阵航测相机彩色CCD采用了Bayer格式的像素排列，采用凸轮像移补偿机构。如图3(a)所示，凸轮像移补偿机构包括凸轮1、光电对管2、凸轮座3、联轴节4、电机座5、驱动电机6以及控制系统(图中未示出)。凸轮像移补偿结构参数如图3(b)所示，可以看出，凸轮基圆半径为21mm，推程角20°，推程0.1mm，在推程角范围内，推程与角度变化满足线性关系。凸轮开有通孔，配合光电对管用于确定初始位置，初始位置距离凸轮推程起点70°。
航测相机彩色CCD镜头焦距约32mm。考虑工作过程中最大速高比的情况：航高1000m，航速500km/h。根据凸轮结构参数，按照(1)式计算得到最大速高比情况下要求凸轮的转速为888°/s。
驱动电机旋转Oriental Motor公司的ASC46AK-N10，最大转速240rpm，即1440°/s，保持转矩1.5N·m，输入电压DC24V，满足指标要求。
根据以上参数，设计步进电机的加速过程曲线。设计加速度为6000°/s2，最大加速时间0.15s，可以得到电机运行的最大速度为900°/s，电机从静止状态加速到900°/s共经过的角位移为67.5°，确保了凸轮从初始位置静止开始加速，在到达推程起点之前达到设定的转速(不大于888°/s)，并留有余量。
电机控制器采用TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407A，利用片上集成的事件管理模块实现控制脉冲发送的功能。事件管理模块包含多路比较器，以定时器为基准，通过对周期寄存器，比较寄存器设置不同的值，可以对输出脉冲的时刻进行控制。考虑步进电机驱动器输入脉冲频率的要求，选择步进电机的步距角为0.036°。对该加速曲线按步距角离散化得到各个脉冲的发送时刻，计算相邻脉冲时刻的时间差，根据2407比较器的时钟基准10MHz，得到各周期寄存器的值，建立如表1所示查找表。
表1 电机加减速曲线查找表
由于速度变化与周期寄存器值是反比例关系，在匀加速过程中，周期寄存器的值的变化是非线性的。随着周期寄存器值减小，周期寄存器的值每变化1引起的速度变化越大，即速度的分辨力降低。在这种情况下，在每一个周期寄存器值下往往需要发送多个脉冲。
相机进行定点拍摄工作时，初始状态下凸轮根据光电对管的反馈找到初始位置并保持静止。到达拍摄点之前，上位机根据当前飞机的速高比等信息计算像移补偿速度，并转换为2407比较器的周期寄存器的值，作为目标速度参数发送到2407。同时上位机根据以上查找表按照公式(5)计算凸轮从静止加速到设定速度并保持匀速到达推程起点的时间，根据拍摄时刻得到凸轮的启动时刻，发送到同步控制模块。在凸轮启动时刻，2407外部中断管脚接收到同步控制模块发送的启动脉冲，进入电机控制程序。
电机控制程序流程如图4所示。按查找表加载周期寄存器值和脉冲数，使能2407的比较中断，在比较中断中对脉冲数减1，判断是否发送完成要求的脉冲数。若完成，则根据查找表读取下一个周期寄存器值和脉冲数，并比较下一个周期值是否大于设定的目标速度参数值。若大于，则写入周期寄存器，利用2407的影子寄存器机制在周期溢出时自动装载新的寄存器值；反之，表明已加速到设定速度，将设定的目标速度参数值写入周期寄存器，保持匀速运动。考虑对称的减速过程，匀速阶段的脉冲数设为：运动一圈的总脉冲数(10000)-加速过程的脉冲数×2。匀速过程脉冲数发送完成后，同理按照查找表反向加载周期寄存器和脉冲数，可以保证当速度减到0时，凸轮回到初始位置。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种定点拍摄式航测相机凸轮像移补偿机构控制方法，其特征在于：所述的凸轮像移补偿机构包括凸轮、光电对管、凸轮座、联轴节、电机座、驱动电机以及控制系统；凸轮和光电对管安装在凸轮座上；光电对管的发射器和接收器分别位于凸轮两侧，结合凸轮上的通孔来确定凸轮的初始位置；驱动电机安装在电机座上，电机转轴和凸轮通过连轴节连接和传动；控制系统包括控制器和驱动器，控制驱动电机按要求运动；所述的凸轮像移补偿机构安装在CCD底座旁，利用弹簧的拉力使CCD底座在凸轮运动过程中始终保持与凸轮的接触；所述的凸轮像移补偿机构的具体控制方法为：
(1)在拍摄之前，所述的凸轮像移补偿机构位于初始位置，并保持静止状态；
(2)定点拍摄式航测相机主控系统利用GPS位置测量信息预测到达设定拍摄点的时刻，根据速高比得到像移补偿速度参数，在到达拍摄时刻之前一段时间，将补偿速度参数发送到凸轮像移补偿机构的控制系统；
(3)定点拍摄式航测相机主控系统根据补偿速度计算加速时间，得到所述的凸轮像移补偿机构的启动时刻，发送到定点拍摄式航测相机同步系统，定点拍摄式航测相机同步系统在所述的凸轮像移补偿机构启动时刻发出同步脉冲，启动所述的凸轮像移补偿机构运动；
(4)所述的凸轮像移补偿机构的驱动电机在控制系统控制下，按设计的运动曲线加速，使凸轮达到要求的补偿速度，在拍摄时刻进入凸轮推程角范围，在曝光时间内，凸轮保持在推程角范围内；
(5)曝光完成后，凸轮继续运动，并在下个拍摄点之前回到初始位置并停止，完成一个拍摄点的拍摄；
步骤(1)中，在上电初始化时，凸轮机构利用光电对管寻找初始位置，在每完成一次拍摄凸轮回到初始位置后，利用光电对管验证；
步骤(4)中，设计凸轮的运动曲线为匀加速曲线，凸轮从初始位置开始以恒定加速度加速，到达设定的像移补偿速度后保持匀速，直到进入推程角范围，该过程凸轮具有相同的角位移量，根据角位移量和设计的加速度大小，计算得到凸轮启动时刻相对于拍摄时刻的提前量；
步骤(4)中，采用步进电机作为凸轮驱动电机，对凸轮机构的运动进行控制，根据凸轮运动的“角位移-时间”曲线，按照步进电机步距角的大小进行离散化，得到步进电机控制脉冲的发送时刻；
步骤(4)中，采用微控制器的定时器和比较器功能实现步进电机脉冲时刻控制，根据设计的电机运动曲线，离散化后计算相邻脉冲的时间差，形成定时器周期参数查找表，在电机加速过程中顺序加载周期参数，减速过程中逆序加载周期参数，并对脉冲个数进行计数，保证当速度减为0时，凸轮回到初始位置；
根据凸轮的结构参数可以建立像移补偿速度与凸轮转速的对应关系，凸轮转速的计算公式为：
式中f为相机焦距，V为载体速度，H为载体高度，为凸轮推程角，d为凸轮推程；
要实现精确的像移补偿控制，关键技术是凸轮机构运动过程的精确控制，为了避免冲击，凸轮机构存在加减速过程，凸轮从初始位置开始以恒定加速度α加速，到达设定的速度ω后保持匀速，直到到达推程角起点，该过程凸轮具有相同的角位移量θ，若加速度α相同，在不同的设定速度ω下凸轮的运动时间t不同，若加速度α和角位移量θ确定，则根据设定速度ω，运动时间t可以提前计算确定；
凸轮的运动控制采用步进电机实现，根据步进电机的工作原理，控制器每输入一个脉冲，电机运动一个步距角，通过控制输入脉冲的频率控制电机的转速，通过控制输入脉冲数控制电机运动的角位移，忽略控制脉冲输入到电机步进运动之间的延迟，根据凸轮的结构参数、最大速高比可以得到凸轮的最大转速以及最大加速距离，考虑匀加速情况下得到凸轮启动过程的加速度大小，根据以上参数设计凸轮加速过程的运动曲线，即“角位移-时间”变化曲线，根据步进电机工作原理，按照电机步距角的大小，对角位移离散化，得到每个控制脉冲发送的时刻；
利用微控制器常见的定时器和比较器功能可以实现对步进电机控制脉冲的精确控制，根据得到的每个控制脉冲的发送时刻，计算相邻脉冲的时间差，作为定时器的计数周期，在ti时刻，控制器发出步进脉冲，定时器计数周期为TPi，当前计数周期完成后，到达ti+1时刻，发出控制脉冲，同时更新计数周期为TPi+1，以保证下一个脉冲的发送时刻为ti+2，通过以上方式确保每一个步进脉冲发送时刻符合设计值，使步进电机的加速过程遵循设计的加速曲线，步进电机的加速曲线确定之后，可以事先完成步进脉冲间隔的计算，形成定时器周期参数TPi的查找表以供电机运行时查询；
凸轮运动曲线设计以及步进脉冲时刻的计算要满足最大转速的要求，在实际工作中，当速高比小于最大速高比的情况下，凸轮转速小于最大转速，设该转速下对应的输入脉冲周期为TPv，在加速过程中，若控制器检测到加载的下一个定时器的计数周期TPi小于TPv，则完成加速过程，以周期TPv加载定时器，并保持匀速直到完成转动一周，减速回到初始位置，减速过程与加速过程采用对称曲线，只需要逆序加载定时器周期查找表即可；
根据凸轮的结构参数、步进电机的步距角以及运动曲线，可以得到凸轮自初始位置从静止状态开始，经过加速到设定的转速，并保持该转速匀速进入推程角范围，这一过程所需要的时间；设凸轮从初始位置到工作区起点的角度为θP，步进电机的步距角为θstep，则该过程步进电机的运动步数Np为：
NP＝θP/θstep (2)
匀速运动对应的脉冲周期为TPv，根据查找表可以得到加速过程所需的步数Nacc，且有Nacc<NP，加速过程所需的时间T1为：
式中TPi表示加速过程中每一步对应的定时器周期值，则匀速过程所需的时间T2为：
T2＝(NP-Nacc)·TPv (4)
总时间T3的计算表达式为：
相机主控根据设定的像移补偿速度以及定时器周期查找表以及上述表达式进行计算，得到电机启动时刻相对于相机拍照时刻的提前量；
同理可以计算在电机运动一周，按对称曲线减速回到初始位置的时间T4：
工作过程中要保证在当前速高比参数下，凸轮运动一周的时间T4要小于相机的拍摄间隔；
大面阵航测相机彩色CCD采用了Bayer格式的像素排列，采用凸轮像移补偿机构，凸轮像移补偿结构参数为：凸轮基圆半径为21mm，推程角20°，推程0.1mm，在推程角范围内，推程与角度变化满足线性关系；凸轮开有通孔，配合光电对管用于确定初始位置，初始位置距离凸轮推程起点70°；
航测相机彩色CCD镜头焦距约32mm，考虑工作过程中最大速高比的情况：航高1000m，航速500km/h，根据凸轮结构参数，按照(1)式计算得到最大速高比情况下要求凸轮的转速为888°/s；
驱动电机旋转Oriental Motor公司的ASC46AK-N10，最大转速240rpm，即1440°/s，保持转矩1.5N·m，输入电压DC24V，满足指标要求；
根据以上参数，设计步进电机的加速过程曲线，设计加速度为6000°/s2，最大加速时间0.15s，可以得到电机运行的最大速度为900°/s，电机从静止状态加速到900°/s共经过的角位移为67.5°，确保了凸轮从初始位置静止开始加速，在到达推程起点之前达到设定的转速，设定转速不大于888°/s，并留有余量。
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