CN107121152B

CN107121152B - 三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法

Info

Publication number: CN107121152B
Application number: CN201710290183.9A
Authority: CN
Inventors: 周刚
Original assignee: As Long Changchun Photoelectric Technology LLC
Current assignee: As Long Changchun Photoelectric Technology LLC
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: CN107121152A

Abstract

本发明涉及一种三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法，该方法如下：实时采集飞机的速度和航高并计算速高比；当速高比超过设定值时，控制稳定平台在航空摄影设备每帧图像拍照周期内，在俯仰方向做一次往返运动；稳定平台往返运动过程分为保持初始位置阶段、加速旋转阶段、匀速旋转阶段和返回初始位置阶段。本发明为稳定平台增加了前向像移补偿功能，使稳定平台搭载航空摄影设备可适用于速高比较大的场合，增加了作业效率，提高了测绘精度。

Description

三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法

技术领域

本发明属于自动控制及应用技术领域，涉及三轴陀螺稳定平台控制方法，特别涉及一种三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法。

背景技术

在航空摄影测绘领域，在作业区规划若干航线和拍照周期，飞机上搭载航空摄影设备(这里指框幅式相机)，周期性对地照相，要求获得的若干照片前后左右均具有一定重叠率，照片经过后期图像处理能生成作业区的正射影像等测绘所需要的图像数据。如果航空摄影设备直接固定在飞机上对地拍照，由于飞机容易受气流影响，产生横滚、俯仰和偏航等方向的旋转运动，导致拍照时镜头并不始终垂直对地，所拍的相邻图像排列不整齐，而且航空摄影设备只能选用较快的快门速度，减少航姿对成像质量的影响。为了满足重叠率要求，只有在规划航线和拍照周期时增加图像重叠率，降低了作业效率。三轴陀螺稳定平台(也称之为三轴陀螺稳定座驾，后面简称为稳定平台)的主要功能是将所装载的负载保持在惯性空间上的指定位置，可以有效补偿飞机的横滚、俯仰和偏航等旋转姿态运动。将航空摄影设备放置在稳定平台上拍照可以增加作业效率。但是目前稳定平台无法对飞机前向飞行带来的前向像移进行补偿。

高质量的航空摄影成像一般要求前向像移量不超过2个像元，倘若飞机的速高比工作范围超过了允许范围，如果不补偿前向像移，则所获取的图像将会因为像移而模糊；同样，如果限定飞机速高比后，曝光时间变长也会增加像移量。

传统稳定平台处于最佳理想工作状态时，使负载保持在惯性空间中指定角度位置，角速度为零(如果无特殊说明，后面所说的角度和角速度均为惯性空间的物理量)，能为航空摄影设备提供横滚方向、俯仰方向和航向方向等三个方向的高质量稳定效果，但是无法解决飞机速高比工作范围超过允许范围所出现的图像模糊问题。为了获取满足要求的图像，业内通常的做法是限定飞机的速度，作业效率也受影响。倘若能解决前向像移补偿问题，作业时提高飞机速度将会增加作业效率，对于带帘缝式快门的航空摄影设备而言，还能提高测绘精度。目前市面上的稳定平台还没有解决该问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法，该方法能够解决飞机速高比工作范围超过允许范围所出现的图像模糊问题，增加作业效率，提高测绘精度。

为了解决上述技术问题，本发明的三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法，其特征在于该方法如下：实时采集飞机的速度V和航高H，并按公式(1)计算速高比η:

设航空摄影设备的像元尺寸为b×bmm²，f为航空摄影设备的镜头焦距，航空摄影设备的曝光时间长度为t₇，则前向像移量不超过2个像元的速高比为η_c：

当η≥η_c时，控制稳定平台在航空摄影设备每帧图像拍照周期内，稳定平台在俯仰方向做一次往返运动；其运动过程分为如下几个阶段：保持初始位置阶段、加速旋转阶段、匀速旋转阶段和返回初始位置阶段。

进一步，在每帧图像拍照周期内，稳定平台在俯仰方向往返运动的控制方法如下：

步骤一：设当前帧为第N帧，根据加速旋转阶段时间设定值t₀，匀速旋转阶段时间设定值t₁，第N-1曝光同步时刻T₁(N-1)，按公式(3)计算当前帧图像前向像移补偿开始时刻T₀(N)，N≥2；

其中t₈为拍照周期长度；

步骤二：根据公式(4)计算稳定平台在初始稳定位置的保持时间t₄；

t₄＝t₉-(t₀+t₁+t₆) (4)

式中，t₆为返回初始位置阶段时间设定值，t₉为稳定平台俯仰运动周期长度，t₉＝t₈；

步骤三：根据速高比η，按照公式(5)计算匀速旋转角速度为ω_c：

ω_c＝K×η (5)

式中K为速高比系数；

步骤四：根据公式(6)计算初始稳定位置稳定平台的工作平面与水平面的夹角θ₀；

步骤五：控制稳定平台俯仰轴旋转使稳定平台到达初始稳定位置，并保持在该位置，保持时间为t₄；

步骤六：当到前向像移补偿开始时刻T₀(N)时，控制稳定平台俯仰轴加速旋转，直至角速度达到ω_c，然后以该角速度ω_c匀速旋转，在匀速旋转过程中控制航空摄影设备进行曝光，曝光时间长度t₇应满足条件t₇≤t₁；同时记录航空摄影设备的曝光同步信号时刻T₁(N)；

步骤七：匀速阶段结束后，控制俯仰轴回到初始稳定位置θ₀；

步骤八：按步骤一～步骤七的顺序循环执行，完成每帧图像拍照时的前向像移补偿。

所述步骤一中的拍照周期长度t₈可以为设定值。

所述步骤一中的拍照周期长度t₈还可以根据前两帧曝光同步时刻T₁(N-2)、T₁(N-1)，按公式(7)计算；

t₈＝T₁(N-1)-T₁(N-2) (7)

需要指出的是返回阶段的运动控制方案有多种，比如：加速和减速；加速、匀速和减速；

高质量的航空摄影成像一般要求像移量S不超过2个像元，则有：S≤2b。作业时，根据拍照时的天气状况，先设定曝光时间长度t₇，再根据公式(2)确定需要前向像移补偿的速高比η_c。倘若飞机的速高比η＞η_c，如果不补偿前向像移，则所获取的图像将会因为像移而模糊；同样，如果限定飞机速高比后，曝光时间变长也会增加像移量。本发明为稳定平台增加了前向像移补偿功能，使稳定平台搭载航空摄影设备可适用于速高比较大的场合，增加了作业效率，提高了测绘精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是三轴陀螺稳定平台与航空摄影设备组合示意图；

图2是三轴陀螺稳定平台前向像移补偿运动示意图；

图3是稳定平台俯仰运动时序图。

具体实施方式

如图1所示，三轴陀螺稳定平台101上安装航空摄影设备102，航空摄影设备上的探测器104的像面105朝下。飞机沿着方向103飞行，前向像移补偿时，稳定平台俯仰轴108沿方向106旋转。航空摄影设备拍照时，稳定平台的理想状态是使工作平面107处于水平，俯仰角为0，俯仰角速度保持在使像面105上的像移速度为0。

本发明的三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法，曝光过程中稳定平台及航空摄影设备运动如图2所示，图中(a)、(b)、(c)分别表示了在航空摄影设备204曝光开始，曝光中间时刻和曝光结束时稳定平台201的工作面205所处位置示意图。工作面205与水平面206的夹角202即为俯仰角，在曝光过程中，尽管飞机沿方向208方向飞行，由于稳定平台201的俯仰轴210沿方向203旋转补偿了前向像移，航空摄影设备204的探测器209始终对着地面景物207曝光。需要说明的是俯仰角速度需要在曝光开始前达到目标俯仰角速度(即匀速旋转角速度)，并且速度要一直保持到曝光结束后。

稳定平台201俯仰轴210的第N帧图像前向像移补偿运动时序如图3所示，坐标横轴表示时间t，纵轴表示稳定平台201俯仰角速度ω。

航空摄影设备204的第N-1帧图像曝光同步时刻设为T₁(N-1)，第N帧图像曝光同步时刻设为T₁(N)，第N+1帧图像曝光同步时刻设为T₁(N+1)，按公式(7)计算其拍照周期313的时间长度t₈，从曝光开始时刻303到曝光结束时刻306组成了航空摄影设备的曝光时间312，时间长度为t₇，理想曝光同步信号源自曝光中间时刻305。

t₈＝T₁(N-1)-T₁(N-2) (7)

除此之外，拍照周期长度t₈还可以为设定值。

稳定平台第N帧图像的前向像移补偿开始时刻301设为T₀(N)，第N+1帧图像的前向像移补偿开始时刻310设为T₀(N+1)，稳定平台201的运动周期314的时间长度t₉需要满足条件t₉＝t₈，按公式(3)计算第N帧图像拍照周期的稳定平台前向像移补偿开始时刻T₀(N)。稳定平台俯仰轴210前向像移补偿运动过程包括加速302、匀速304、返回初始位置311和保持309等阶段，返回初始位置阶段311包括减速和反向加速307、反向减速308阶段。

航空摄影设备的曝光时间312必须处于稳定平台201的匀速304阶段内，且尽量处于中间时刻。

需要说明的是，稳定平台201俯仰方向补偿完前向像移后回到初始位置的运动过程有诸多方案，图中给出的仅是其中一种方案。

本发明的方法具体如下：

稳定平台201的前向像移补偿方法是在航空摄影设备204每帧图像拍照周期内，稳定平台201在俯仰方向做一次往返运动。其运动过程分为如下几个阶段：保持初始位置阶段；加速旋转阶段(加速旋转时间设定值为t₀)；匀速旋转阶段(匀速旋转时间设定值为t₁)；返回初始位置阶段(返回时间设定值为t₆，t₆＝t₂+t₃)。本方法的关键是要确定稳定平台俯仰轴的初始位置θ₀，运动过程的起始时刻T₀(N)，匀速旋转阶段的角速度ω_c。稳定平台俯仰轴的初始位置θ₀根据公式(6)计算，匀速旋转角速度为ω_c根据公式(5)计算。其中t₀、t₁、t₆的数值预先根据稳定平台俯仰轴的行程、匀速角速度ω_c和伺服系统驱动能力等因素确定。

ω_c＝K×η (5)

设航空摄影设备的像元尺寸b为5.2μm，焦距f为50mm，曝光时间t₇设为2ms，稳定平台俯仰轴的加速旋转时间设定值t₀＝400ms，匀速旋转时间设定值t₁＝100ms，返回初始位置时间设定值t₆＝1200ms，K的大小与航空摄影设备在稳定平台上的安装尺寸有关，这里设K＝1，飞机速度V＝100m/s和航高H＝500m。

根据公式(6)计算初始稳定位置

由于t₀+t₁+t₆＝1700ms，则拍照周期t₈＞1700ms。设t₈＝2000ms。

具体工作流程如下：

第一步，实时采集飞机的速度V和航高H，根据公式(1)计算速高比参数η，由于则进入第二步；

第二步，在每帧图像拍照周期内，控制稳定平台在俯仰方向做一次往返运动，具体控制过程如下：

步骤一、首先根据公式(5)设置匀速旋转阶段稳定平台201的俯仰角速度ω_c＝K×η＝11.46°/s，根据公式(6)计算初始稳定位置θ₀＝2.86°，控制稳定平台俯仰轴210旋转使稳定平台201的工作平面205到达初始稳定位置θ₀，并保持在2.86°；

步骤二：根据第N-1帧曝光同步信号T₁(N-1)，用公式(3)确定第N帧图像拍照周期稳定平台前向像移补偿开始时刻T₀(N)，T₀(N)＝T₁(N-1)+1550，即收到第N-1帧曝光同步信号T₁(N-1)之后的1550ms开始启动像移补偿运动。

步骤三：稳定平台201的工作平面205保持在初始稳定位置θ₀＝2.86°，直到第N-1帧曝光同步信号T₁(N-1)之后1550ms开始启动像移补偿运动，然后控制稳定平台俯仰轴210加速旋转直至角速度达到ω_c＝11.46°/s，然后以该角速度ω_c匀速旋转，在匀速旋转过程中控制航空摄影设备204进行曝光，记录航空摄影设备204的当前曝光同步信号时刻T₁(N)(即理想曝光同步信号源自曝光中间时刻304)；

步骤四：匀速阶段结束后，控制稳定平台俯仰轴减速旋转至角速度为0；

步骤五：在返回初始位置阶段，反方向旋转使稳定平台回到初始稳定位置θ₀；返回阶段的工作方式不限；在到达下一帧起始时刻T₀(N+1)之前，稳定平台俯仰轴210需要保持在初始稳定位置(工作平面205与水平面206的夹角为θ₀＝2.86°)；

步骤六：再从步骤一依顺序执行，周而复始，完成每帧图像拍照时的前向像移补偿。

所述航空摄影设备，通过三轴陀螺稳定平台装载在飞机上用于对地拍照的框幅式照相机，包括胶片式照相机和面阵数字照相机。

所述前向像移补偿过程，为避免航空摄影设备在曝光期间产生前向像移所做的稳定平台俯仰运动过程。

所述曝光同步信号，为时序上与航空摄影设备曝光控制信号或者快门信号相关的脉冲式电子信号。

在航空摄影设备每帧图像拍照周期内，稳定平台在俯仰方向做一次往返运动，在前向像移补偿过程中稳定平台的俯仰角动态变化，俯仰角速度与飞机速高比成正比，由曝光同步信号触发稳定平台俯仰运动。

本发明“一种三轴陀螺稳定平台实现前向像移补偿方法”不仅仅局限于上述的实施例，可以在本发明的技术思想允许的范围内进行多种变化后加以应用。

凡以本发明权利要求进行等效变化与修改，均应属于本发明涵盖范围。

Claims

1.一种三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法，其特征在于该方法如下：实时采集飞机的速度V和航高H，并按公式(1)计算速高比η:

当η≥η_c时，控制稳定平台在航空摄影设备每帧图像拍照周期内，稳定平台在俯仰方向做一次往返运动；其运动过程分为如下几个阶段：保持初始位置阶段、加速旋转阶段、匀速旋转阶段和返回初始位置阶段；

在每帧图像拍照周期内，稳定平台在俯仰方向往返运动的控制方法如下：

其中t₈为拍照周期长度；

t₄＝t₉-(t₀+t₁+t₆) (4)

ω_c＝K×η (5)

式中K为速高比系数；

2.根据权利要求1所述的三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法，其特征在于所述步骤一中的拍照周期长度t₈为设定值。

3.根据权利要求1所述的三轴陀螺稳定平台的前向像移补偿方法，其特征在于所述步骤一中的拍照周期长度t₈根据前两帧曝光同步时刻T₁(N-2)、T₁(N-1)，按公式(7)计算；

t₈＝T₁(N-1)-T₁(N-2) (7)。