CN115993112A - 一种可见光/红外直观飞行器侦测探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见光/红外直观飞行器侦测探头，包括拍摄结构体、伺服驱动电机和加载惯导系统的控制板；所述拍摄结构体包括拍摄单元、陀螺和驱动框架；拍摄单元是将红外拍摄相机、可见光拍摄相机及激光测距单元一体化设置，通过镜头互相错位排布、光轴一致性调校来实现可见光和红外相机对着同一个目标拍摄。本发明整体结构更为紧凑，体积小，重量轻，窗口体积小，中间环节少，控制流程简化；红外可见光直接观测目标，不产生像旋，红外、可见光、光轴一致性可以调节；直接将可见光、红外、激光、陀螺均安装在转动框架上，由俯仰电机直接驱动框架带动镜头，响应快。

Description

一种可见光/红外直观飞行器侦测探头

技术领域

本发明属于飞行器探测技术领域，涉及一种可见光/红外直观飞行器侦测探头。

背景技术

近些年来，随着包括无人机在内的飞行技术的蓬勃发展，无论在国民经济领域还是在国防军事上其重要性日益突出；其中飞行拍摄或者航拍是其中重要的应用之一。

在飞行连续拍摄时，随飞行抖动翻滚可能形成S型排布的图片，因此需要拍摄视轴的稳定。用三维框架稳定是很多产品所采取的方案，三维稳定非常复杂，适用于大型高价值设备，如平台式惯导系统等，通常的摄像或拍照稳定系统难以承受。而且限于飞行器有限的搭载环境，拍摄用的图像采集器容易产生振动，影响拍摄效果。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种可见光/红外直观飞行器侦测探头，在不同高度昼夜侦察，完成对预定区域无缝隙拍照取样。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种可见光/红外直观飞行器侦测探头，包括拍摄结构体、伺服驱动电机和加载惯导系统的控制板；

所述拍摄结构体包括拍摄单元、陀螺和驱动框架；拍摄单元是将红外拍摄相机、可见光拍摄相机及激光测距单元一体化设置，通过镜头互相错位排布、光轴一致性调校来实现可见光和红外相机对着同一个目标拍摄；

驱动框架由伺服驱动电机驱动，其包括横滚轴和俯仰轴；横滚轴与飞行载体横滚轴平行，横滚轴上设有横滚电机与位置编码器，俯仰轴安装在横滚轴上；俯仰轴与飞行载体的俯仰轴平行，俯仰轴的定子是U形架结构，U形架的两侧分别安装电机和位置编码器；拍摄单元和测量其惯性速度的陀螺分别安装在俯仰轴转子上，陀螺直接敏感拍摄单元的瞄准线，拍摄单元的瞄准线透过飞行载体上设置的窗口玻璃下视；

陀螺、伺服驱动电机和控制板电机构成闭环反馈对拍摄单元的瞄准线进行控制，使瞄准线在惯性空间的某一固定位置保持不变；控制板接收陀螺的数据、位置编码器的数据和惯导信息，产生PWM控制信号，经功率放大器放大后发送给驱动电机进行驱动；

瞄准线稳定是通过陀螺直接稳定和惯导系统间接稳定结合来实现的，陀螺直接稳定控制带宽高，惯导系统提供的姿态信息提供瞄准线的绝对位置信息；经控制板输出控制指令给伺服驱动电机，伺服驱动电机带动驱动框架的俯仰轴/横滚轴转动消除飞行扰动对瞄准线的影响。

所述陀螺敏感瞄准线在惯性空间的运动，经控制板输出控制指令给伺服驱动器，伺服驱动器反向驱动带动驱动框架消除飞行扰动对瞄准线的影响，并可接收控制指令按照一定速度运动。

所述的控制板还通过伺服驱动器给驱动框架施加大小相等方向相反的角运动来抵消飞行平动引起的图像运动，使曝光时刻内，景物相对图像传感器没有发生相对运动，以进行反扫控制：

由飞行载体速高比就可获得像移速度，飞行载体的速度通过惯导系统获得：

V＝V_ECOSΨ+V_NSINΨ；

V_E为飞行载体东向速度，V_N为北向速度，Ψ为飞行载体航向角；

飞行高度R通过激光测距机测距获得，则飞行载体平动引起的图像运动速度为：

ω＝V/R

控制板先控制瞄准线垂直于地面工作，然后根据速高比控制图像以此速度反扫，反扫过程中接收上位机发送的脉冲信号，发出控制指令由拍摄单元曝光图像，曝光完成后驱动框架回到初始位置，再重新反扫。

所述控制板还接收上位机发送的零位校正指令，可以将驱动框架的方位俯仰零位设置在工作范围内的任意位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的可见光/红外直观飞行器侦测探头，整体结构更为紧凑，体积小，重量轻，窗口体积小，中间环节少，控制流程简化；红外可见光直接观测目标，不产生像旋，红外、可见光、光轴一致性可以调节；直接将可见光、红外、激光、陀螺均安装在转动框架上，由俯仰电机直接驱动框架带动镜头，响应快。

本发明提供的可见光/红外直观飞行器侦测探头，通过陀螺反馈可以实现瞄准线的高带宽控制，对于衰减高频扰动具有重要作用；在陀螺反馈的基础上，通过惯导数据指令可以实现瞄准线的姿态控制，两者结合可隔离基座运动和力矩扰动，并实现系统的反扫控制功能；飞行载体在300m～2000m相对高度，保证可见光和红外相机对着同一个目标拍摄，相对大地高速飞行可清晰拍照；可见光与红外起始成像时刻的差值小于0.2ms；红外和可见光为单独模块，后截距调整方便。

通过无陀螺和有陀螺反馈仿真，对基座姿态变化引起的扰动，两者差别不大，但对力矩扰动相差悬殊，考虑系统因摩擦力、线绕力矩和振动引起的频谱比较复杂的力矩扰动，只有通过陀螺直接反馈构成的稳像系统才能克服，高带宽的陀螺反馈稳像为系统提供快速响应能力，这是其它方法难以实现的，以往的工程经验也充分证明了这一点。

附图说明

图1为本发明的拍摄单元结构示意图；其中，101为光学负载，102为俯仰轴，103为横滚轴；

图2为本发明的驱动框架稳定控制示意图；

图3为本发明的瞄准线稳定控制示意图；

图4为本发明的曝光拍摄示意图之一；

图5为本发明的曝光拍摄示意图之二；

图6为本发明的控制板电路连接示意图；

图7为本发明的俯仰控制模型示意图；

图8为本发明的横滚控制模型示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1-图3，一种可见光/红外直观飞行器侦测探头，包括拍摄结构体、伺服驱动电机和加载惯导系统的控制板；

所述拍摄结构体包括拍摄单元、陀螺和驱动框架；拍摄单元是将红外拍摄相机、可见光拍摄相机及激光测距单元一体化设置，通过镜头互相错位排布、光轴一致性调校来实现可见光和红外相机对着同一个目标拍摄；

驱动框架由伺服驱动电机驱动，其包括横滚轴和俯仰轴；横滚轴与飞行载体横滚轴平行，横滚轴上设有横滚电机与位置编码器，俯仰轴安装在横滚轴上；俯仰轴与飞行载体的俯仰轴平行，俯仰轴的定子是U形架结构，U形架的两侧分别安装电机和位置编码器；拍摄单元和测量其惯性速度的陀螺分别安装在俯仰轴转子上，陀螺直接敏感拍摄单元的瞄准线，拍摄单元的瞄准线透过飞行载体上设置的窗口玻璃下视；

陀螺、伺服驱动电机和控制板电机构成闭环反馈对拍摄单元的瞄准线进行控制，使瞄准线在惯性空间的某一固定位置保持不变；控制板接收陀螺的数据、位置编码器的数据和惯导信息，产生PWM控制信号，经功率放大器放大后发送给驱动电机进行驱动；

瞄准线稳定是通过陀螺直接稳定和惯导系统间接稳定结合来实现的，陀螺直接稳定控制带宽高，惯导系统提供的姿态信息提供瞄准线的绝对位置信息；经控制板输出控制指令给伺服驱动电机，伺服驱动电机带动驱动框架的俯仰轴/横滚轴转动消除飞行扰动对瞄准线的影响。

所述陀螺敏感瞄准线在惯性空间的运动，经控制板输出控制指令给伺服驱动器，伺服驱动器反向驱动带动驱动框架消除飞行扰动对瞄准线的影响，并可接收控制指令按照一定速度运动。

所述的控制板还通过伺服驱动器给驱动框架施加大小相等方向相反的角运动来抵消飞行平动引起的图像运动，使曝光时刻内，景物相对图像传感器没有发生相对运动，以进行反扫控制。

所述控制板还接收上位机发送的零位校正指令，可以将驱动框架的方位俯仰零位设置在工作范围内的任意位置。

下面对各个部分详细说明。

1、拍摄结构体

为解除飞行载体姿态运动的耦合，同时隔离飞行载体平台振动造成的扰动，使拍摄单元视轴始终保持铅垂向下；进一步可根据需要进行特定的摆动，补偿成像装置在大速高比环境下形成的像移，本发明的拍摄结构体采用一体化设计。

将红外拍摄相机、可见光拍摄相机及激光测距单元一体化做成一个整体的拍摄单元，通过镜头互相错位排布、光轴一致性上调校(以平行光管拍摄无限远的目标)来实现可见光和红外相机对着同一个目标拍摄；

驱动框架采用滚仰式整体稳定控制。光学负载(包括可见光相机、红外相机)整体安装在可以转动的驱动框架(转台)的俯仰轴转子上，用于测量光学负载惯性速度的陀螺与光学负载安装在一起，俯仰轴与飞行载体俯仰轴平行，光学负载的瞄准线透过飞行载体上安装的窗口玻璃下视；

俯仰轴的定子是U形架结构(参见图1)，U形架的两侧分别安装电机和位置编码器；俯仰机构安装在横滚轴上，横滚轴与飞行载体横滚轴平行，横滚轴的运动实际产生图像方位向运动；横滚轴安装横滚电机与位置编码器。

利用陀螺闭环反馈可实现图像拍摄方位俯仰两轴惯性稳定，隔离飞行载体姿态运动引起图像方位俯仰两个方向的图像运动模糊，但沿瞄准线方向的横滚运动不受控。

同时将框架式通过优化载荷设计，实现载荷的最小化。

2、伺服控制

2.1由控制板进行的伺服控制主要包括以下控制：

1)瞄准线稳定，为隔离载机振动和姿态变化引起的瞄准线运动，需要对瞄准线进行惯性稳定，通过陀螺与电机构成的闭环反馈系统实现图像的稳定。

2)反扫，用于消除载机平动引起的像移，并实现以一定的频率下视拍照的功能。

3)零位校正，通过上位机发送的零位校正指令，可以将转台的方位俯仰零位设置在工作范围内的任意位置，并保存在存储器中。

4)上报信息，将伺服驱动系统的框架角度、瞄准线速度、工作状态等发送给上位机。

2.2控制过程

图像的横滚运动由飞行载体航向运动引起，设飞行载体航向运动速度为ω，图像像元数为a×b，图像曝光时间为t，则在图像曝光时间内，引起图像模糊最大的位置是离视轴中心最远的像素点位置，为

个像元，越靠近视轴中心图像横滚引起的视觉模糊越小，例如，ω＝10^°/s，图像像元数为1024×768，图像曝光时间为5ms，则最大引起的视觉模糊约为0.5个像元。因此，图像横滚向引起的视觉模糊相对较小，工程上可以接受，只要对方位和俯仰两个轴进行稳定即可。

方位俯仰向图像运动模糊与传感器的焦距有关，焦距越长，图像运动模糊越大，设飞行载体运动引起的方位向或俯仰向运动速度为ω，图像曝光时间为t，焦距为f，像元尺寸为δ，则视觉模糊为ωtf/δ个像元，例如，ω＝10°/s，图像曝光时间为5ms，焦距为25毫米，像元尺寸为14um，则引起的视觉模糊为1.5个像元。

另外，飞行载体飞行引起的平动也会造成图像运动模糊，设飞行载体飞行速度为v，飞行载体到目标景物的距离为d，则引起的视觉模糊为vft/δd。

因此需要控制消除飞行载体飞行的姿态运动和平动引起的图像模糊，采用两轴两框架结构，通过陀螺反馈控制实现瞄准线的惯性稳定，从而降低姿态运动引起的图像模糊，而通过控制两轴框架反扫运动来消除飞机平动引起的图像模糊。

驱动框架稳定控制如下所述：

将光学系统直接安装到驱动框架上，陀螺安装在俯仰轴上，直接敏感瞄准线运动。陀螺敏感瞄准线在惯性空间的运动，经控制板输出控制指令给驱动电机的驱动器，驱动电机带动驱动框架反转消除外界扰动对瞄准线的影响，并可接收指令按照一定速度运动。瞄准线稳定控制采用自抗扰控制，提高对瞄准线扰动的抑制能力，从而提高系统的稳定精度。

如图3所示，为消除陀螺漂移，使瞄准线在惯性空间在某一固定位置保持不变，引入惯导系统输出的姿态对瞄准线进行惯性位置控制。

瞄准线稳定是通过陀螺直接稳定和惯导系统间接稳定两者结合来实现的，陀螺直接稳定控制带宽高，可有效消除较高频率的扰动，特别是系统振动引起的图像模糊，惯导系统提供的姿态信息可提供瞄准线的绝对位置信息，引入惯导数据可消除陀螺稳定的漂移并对瞄准线在惯性空间的位置姿态进行控制。两者取长补短，综合后可获得较好的控制效果。

反扫控制如下所述：

为消除载机平动引起的像移造成的图像模糊，给两轴惯性稳定平台施加大小相等方向相反的角运动来抵消平动引起的图像运动，使曝光时刻内，景物相对图像传感器没有发生相对运动，从而获得清晰的图像。实现这一过程需要引入惯导数据和测距信息来实现。由于仅在垂直下视时拍摄图像，因此仅计算飞行载体速高比就可获得像移速度，速度的获得通过惯导输出计算获得：

V＝V_ECOSΨ+V_NSINΨ；

V_E为飞行载体东向速度，V_N为北向速度，Ψ为飞行载体航向角。

高度R通过激光测距机测距获得，则飞行载体平动引起的图像运动速度约为：

ω＝V/R

工作时，首先控制瞄准线垂直于地面工作，然后根据速高比控制图像以此速度反扫，反扫过程中接收脉冲信号曝光图像，曝光完成后回到初始位置，重新反扫。

3、拍摄流程

控制系统工作流程图如图4、图5所示：系统上电后，默认为待机模式，等待接收工作指令，当接收到工作指令后，切换至工作模式，此时，控制系统接收惯导信息，将瞄准线控制至垂直下视位置，并计算速高比，启动反扫，接收到曝光脉冲指令后，使电视或热像曝光一副图像，等曝光完成后，驱动俯仰框架重新指向垂直于地面的位置，重新启动反扫。

下面给出各部件的具体实现方式。

陀螺选用MEMS陀螺

表1陀螺主要技术参数

俯仰编码器用磁栅编码器eCoder20，技术指标如下：

表2俯仰编码器主要技术参数

横滚编码器选用磁栅编码器eCoder35，技术指标如下：

表3横滚编码器主要技术参数

控制板

控制板是整个系统控制的核心，它一方面接收上位机的控制指令，控制伺服机构和各个传感器工作，另一方面把工作状态和数据信息发送给上位机。如图6所示，控制板接收陀螺数据、编码器数据和惯导信息，产生PWM控制信号，经功率放大器放大后发送给驱动电机进行驱动，从而实现稳定和反扫等功能。

控制板包括信号处理器、接口电路、电机驱动电路、存储器电路和电源管理电路等，处理器采用arm处理器，电机驱动电路采用集成功率放大电路，电路简单，易于控制，存储器使用EEROM电路，用于保存位置零位等信息。

4、仿真分析

4.1建立系统仿真模型

被控对象俯仰转动惯量为J_v＝0.007kgm²，横滚转动惯量为J_h＝0.01kgm²俯仰电机力矩和反电动势系数为k_T≈k_e≈0.25，线电阻R＝17欧姆，线电感L＝7mH,横滚电机力矩和反电动势系数为k_T≈k_e≈0.18，线电阻R＝7欧姆，线电感L＝2.8mH,陀螺带宽约230Hz，惯导输出带宽预估20Hz，建立控制模型分别如图7和图8所示。

运动模糊分析

根据飞行载体的飞行条件，飞行载体在300m～3000m相对高度，以40～60m/s相对大地速度，计算不同速高比下的相对角速度：

	40m	50m	60m
				300m	7.628711569	9.527985174	11.42202758
600m	3.818586128	4.772239565	5.72523215
				1000m	2.291694473	2.864403349	3.436969157
2000m	1.145961802	1.432425398	1.718871092
				3000m	0.763988682	0.954977894	1.145961802

可以看到最大的相对角速度为11.42°/s，按照红外的曝光时间7ms计算，则运动角度为4.8′，对应的红外像素数为3.4个像素，对应可见光为13.6个像元，会造成模糊现象。

1km高度，50m/s的速度时，对应的相对角速度为2.86°/s，按照红外的曝光时间7ms计算，则运动角度为1.2′，对应的红外像素数为0.85个像素，对应可见光为3.4个像元，则红外造成的模糊可以忽略，可见光造成的的模糊影响成像，如果进一步减少可见光的曝光时间，例如1ms，则可以解决这个问题。

通过仿真可以看出，横滚向同俯仰向一样，有陀螺反馈与无陀螺反馈比较，对基座扰动的隔离能力相差不大，但对于扰动力矩隔离能力相差悬殊。

仿真结论如下：

1)通过陀螺反馈可以实现瞄准线的高带宽控制，对于衰减高频扰动具有重要作用。

2)在陀螺反馈的基础上，通过惯导数据指令可以实现瞄准线的姿态控制，两者结合可隔离基座运动和力矩扰动，并实现系统的反扫控制功能。

通过陀螺直接反馈构成的稳像系统能克服因摩擦力、线绕力矩和振动引起的频谱比较复杂的力矩扰动，高带宽的陀螺反馈稳像为系统提供快速响应能力，这是其它方法难以实现的，以往的工程经验也充分证明了这一点，因此陀螺直接反馈方法更适合于本系统功能的实现。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可见光/红外直观飞行器侦测探头，其特征在于，包括拍摄结构体、伺服驱动电机和加载惯导系统的控制板；

所述拍摄结构体包括拍摄单元、陀螺和驱动框架；拍摄单元是将红外拍摄相机、可见光拍摄相机及激光测距单元一体化设置，通过镜头互相错位排布、光轴一致性调校来实现可见光和红外相机对着同一个目标拍摄；

驱动框架由伺服驱动电机驱动，其包括横滚轴和俯仰轴；横滚轴与飞行载体横滚轴平行，横滚轴上设有横滚电机与位置编码器，俯仰轴安装在横滚轴上；俯仰轴与飞行载体的俯仰轴平行，俯仰轴的定子是U形架结构，U形架的两侧分别安装电机和位置编码器；拍摄单元和测量其惯性速度的陀螺分别安装在俯仰轴转子上，陀螺直接敏感拍摄单元的瞄准线，拍摄单元的瞄准线透过飞行载体上设置的窗口玻璃下视；

陀螺、伺服驱动电机和控制板电机构成闭环反馈对拍摄单元的瞄准线进行控制，使瞄准线在惯性空间的某一固定位置保持不变；控制板接收陀螺的数据、位置编码器的数据和惯导信息，产生PWM控制信号，经功率放大器放大后发送给驱动电机进行驱动；

瞄准线稳定是通过陀螺直接稳定和惯导系统间接稳定结合来实现的，陀螺直接稳定控制带宽高，惯导系统提供的姿态信息提供瞄准线的绝对位置信息；经控制板输出控制指令给伺服驱动电机，伺服驱动电机带动驱动框架的俯仰轴/横滚轴转动消除飞行扰动对瞄准线的影响。

2.如权利要求1所述的可见光/红外直观飞行器侦测探头，其特征在于，所述陀螺敏感瞄准线在惯性空间的运动，经控制板输出控制指令给伺服驱动器，伺服驱动器反向驱动带动驱动框架消除飞行扰动对瞄准线的影响，并可接收控制指令按照一定速度运动。

3.如权利要求1所述的可见光/红外直观飞行器侦测探头，其特征在于，所述的控制板还通过伺服驱动器给驱动框架施加大小相等方向相反的角运动来抵消飞行平动引起的图像运动，使曝光时刻内，景物相对图像传感器没有发生相对运动，以进行反扫控制：

由飞行载体速高比就可获得像移速度，飞行载体的速度通过惯导系统获得：

V＝V_ECOSΨ+V_NSINΨ；

V_E为飞行载体东向速度，V_N为北向速度，Ψ为飞行载体航向角；

飞行高度R通过激光测距机测距获得，则飞行载体平动引起的图像运动速度为：

ω＝V/R

控制板先控制瞄准线垂直于地面工作，然后根据速高比控制图像以此速度反扫，反扫过程中接收上位机发送的脉冲信号，发出控制指令由拍摄单元曝光图像，曝光完成后驱动框架回到初始位置，再重新反扫。

4.如权利要求1所述的可见光/红外直观飞行器侦测探头，其特征在于，所述控制板还接收上位机发送的零位校正指令，可以将驱动框架的方位俯仰零位设置在工作范围内的任意位置。

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