復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)及其控制方法，寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)包括基座；橫滾環(huán)架；俯仰環(huán)架；橫滾軸電機(jī)；俯仰軸電機(jī)；45°補(bǔ)償鏡；成像儀器。本發(fā)明將穩(wěn)定平臺(tái)復(fù)合在寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)上，采用控制領(lǐng)域經(jīng)典的PID三環(huán)控制算法，既實(shí)現(xiàn)翼展方向的寬視場(chǎng)擺掃成像和飛行方向的前向像移補(bǔ)償，又為成像儀器配置穩(wěn)定平臺(tái)，有效解決了使用通用穩(wěn)定平臺(tái)帶來的諸如儀器重量以及設(shè)計(jì)尺寸方面的限制問題。
【專利說明】復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)，具體涉及一種復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能、能夠?qū)崿F(xiàn)翼展方向?qū)捯晥?chǎng)擺掃成像和飛行方向前向像移補(bǔ)償?shù)膶捯晥?chǎng)成像結(jié)構(gòu)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在有像質(zhì)要求的前提下，很難依靠單鏡頭非掃描成像實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)(超過30° )成像。在過去面陣探測(cè)器技術(shù)尚不成熟的年代，寬視場(chǎng)圖像的獲取是采用單元或者線列探測(cè)器，利用光學(xué)系統(tǒng)前的旋轉(zhuǎn)掃描鏡在翼展方向逐行掃描實(shí)現(xiàn)的。隨著面陣探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，寬視場(chǎng)成像的方式隨之發(fā)生改變。在面陣探測(cè)器技術(shù)日益成熟的今天，采用面陣探測(cè)器在翼展方向整機(jī)擺掃是實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)成像的必由之路，也是未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)。在此，整機(jī)包括成像儀器以及置于光學(xué)系統(tǒng)前的折轉(zhuǎn)鏡。
[0003]面陣探測(cè)器件可以增加像元駐留時(shí)間，有效提升信噪比，但與此同時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)載體的高速運(yùn)動(dòng)，造成飛行方向的像點(diǎn)移動(dòng)，帶來前向像移問題。像移是影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，雖然不可避免，但實(shí)踐證明通過一定的措施來補(bǔ)償各種原因所產(chǎn)生的像移是可行且有效的，能大幅度提聞成像質(zhì)量。
[0004]運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)變化也會(huì)影響儀器的成像質(zhì)量，若成像儀器不穩(wěn)定，即使進(jìn)行像移補(bǔ)償，成像效果也會(huì)很差，所以首先要保證成像儀器的穩(wěn)定，而穩(wěn)定平臺(tái)正好滿足了這種需求。
[0005]一般將成像儀器安裝在通用穩(wěn)定平臺(tái)上來隔離運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)變化對(duì)成像造成的影響，成像儀器與穩(wěn)定平臺(tái)分離。然而通用穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)成像儀器的重量、設(shè)計(jì)尺寸都有限制，例如瑞士 Leica公司生產(chǎn)的通用穩(wěn)定平臺(tái)PAV30,有效載荷限制為100Kg±3Kg,安裝尺寸為436_，不能滿足不同重量以及外形尺寸的成像儀器的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]綜上所述，如何克服通用穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)成像儀器的重量及設(shè)計(jì)尺寸的限制乃是本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題。因此，本發(fā)明技術(shù)解決思路如下:
[0007]寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)翼展方向的寬視場(chǎng)擺掃成像和飛行方向的前向像移補(bǔ)償，在此基礎(chǔ)上，將穩(wěn)定平臺(tái)的橫滾姿態(tài)穩(wěn)定和俯仰姿態(tài)穩(wěn)定復(fù)合在寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)上，為成像儀器配置穩(wěn)定平臺(tái)，有效解決了通用穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)成像儀器的重量及設(shè)計(jì)尺寸的限制。具體實(shí)現(xiàn)如下:
[0008]如圖1所示，復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)，包括基座1，橫滾環(huán)架2，俯仰環(huán)架3,俯仰軸電機(jī)4,45°補(bǔ)償鏡5,橫滾軸電機(jī)6,以及成像儀器7。
[0009]基座I固定在運(yùn)動(dòng)載體上，橫滾軸電機(jī)6安裝在橫滾軸上，橫滾環(huán)架2通過橫滾軸與基座I連接，俯仰軸電機(jī)4安裝在俯仰軸上，45°補(bǔ)償鏡5固定在俯仰軸電機(jī)4上，俯仰環(huán)架3通過俯仰軸與橫滾環(huán)架2連接，成像儀器7固定在橫滾環(huán)架2上，構(gòu)成復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)。[0010]利用控制領(lǐng)域經(jīng)典的PID三環(huán)(位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán))控制算法(圖2)，驅(qū)動(dòng)俯仰軸電機(jī)4帶動(dòng)45°補(bǔ)償鏡5實(shí)現(xiàn)俯仰軸的復(fù)合控制，驅(qū)動(dòng)橫滾軸電機(jī)6帶動(dòng)橫滾環(huán)架2實(shí)現(xiàn)橫滾軸復(fù)合控制:
[0011 ] (I)將翼展方向?qū)捯晥?chǎng)成像控制要求轉(zhuǎn)換成橫滾軸電機(jī)位置環(huán)控制指令，控制橫滾軸電機(jī)6帶動(dòng)橫滾環(huán)架2在運(yùn)動(dòng)載體翼展方向周期性往返擺掃實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)成像；
[0012](2)將飛行方向前向像移補(bǔ)償控制要求轉(zhuǎn)換成俯仰軸電機(jī)位置環(huán)控制指令，控制俯仰軸電機(jī)4帶動(dòng)45°補(bǔ)償鏡5繞俯仰軸作景物跟蹤運(yùn)動(dòng)，保證45°補(bǔ)償鏡5補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中成像儀器的視場(chǎng)正好對(duì)應(yīng)擺掃過程的往或返，實(shí)現(xiàn)飛行方向的前向像移補(bǔ)償；
[0013](3)利用慣性傳感器獲取運(yùn)動(dòng)載體橫滾方向的姿態(tài)變化，將橫滾姿態(tài)信息作為橫滾軸電機(jī)位置環(huán)控制指令，驅(qū)動(dòng)橫滾軸電機(jī)6帶動(dòng)橫滾環(huán)架2反向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體橫滾方向的姿態(tài)穩(wěn)定；
[0014](4)將橫滾軸翼展方向擺掃控制指令與運(yùn)動(dòng)載體橫滾方向姿態(tài)穩(wěn)定控制指令復(fù)合，驅(qū)動(dòng)橫滾軸電機(jī)6帶動(dòng)橫滾環(huán)架2實(shí)現(xiàn)橫滾軸的復(fù)合控制；
[0015](5)利用慣性傳感器獲取運(yùn)動(dòng)載體俯仰方向的姿態(tài)變化，將1/2俯仰姿態(tài)信息作為俯仰軸電機(jī)位置環(huán)控制指令，驅(qū)動(dòng)俯仰軸電機(jī)5帶動(dòng)45°補(bǔ)償鏡6反向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體俯仰方向的姿態(tài)穩(wěn)定；
[0016](6)將俯仰軸飛行方向前向像移補(bǔ)償控制指令與運(yùn)動(dòng)載體俯仰方向姿態(tài)穩(wěn)定控制指令復(fù)合，驅(qū)動(dòng)俯仰軸電機(jī)5帶動(dòng)45°補(bǔ)償鏡6實(shí)現(xiàn)俯仰軸的復(fù)合控制。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018](I)本發(fā)明應(yīng)用靈活，可以用于不同重量及設(shè)計(jì)尺寸的成像儀器。
[0019]根據(jù)成像儀器的重量、尺寸設(shè)計(jì)寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)，然后將穩(wěn)定平臺(tái)功能復(fù)合在寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)上，既可以實(shí)現(xiàn)翼展方向的寬視場(chǎng)擺掃成像和飛行方向的前向像移補(bǔ)償，又為成像儀器配置穩(wěn)定平臺(tái)，有效解決了使用通用穩(wěn)定平臺(tái)帶來的諸如儀器重量以及設(shè)計(jì)尺寸方面的限制問題。
[0020](2)在控制方法上稍作改動(dòng)即可用于翼展方向視場(chǎng)不變的成像儀器。
[0021]翼展方向視場(chǎng)不變的成像儀器，不需進(jìn)行擺掃控制。俯仰軸復(fù)合控制不變，取消橫滾軸復(fù)合控制，僅將運(yùn)動(dòng)載體橫滾方向的姿態(tài)信息作為橫滾軸電機(jī)位置環(huán)控制指令，驅(qū)動(dòng)橫滾軸電機(jī)6帶動(dòng)橫滾環(huán)架2反向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體橫滾方向的姿態(tài)穩(wěn)定?？刂品椒ㄐ薷闹螅趯?shí)現(xiàn)飛行方向前向像移補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，也為翼展方向視場(chǎng)不變的成像儀器配直穩(wěn)定平臺(tái)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)，其中:1.基座；2.橫滾環(huán)架；3.俯仰環(huán)架；4.橫滾軸電機(jī)；5.俯仰軸電機(jī)；6.45°補(bǔ)償鏡；7.成像儀器。
[0023]圖2是PID三環(huán)復(fù)合控制示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合圖1給出本發(fā)明的一個(gè)較好實(shí)例，主要作進(jìn)一步詳細(xì)說明，而非用來限定本發(fā)明的范圍:[0025]將本發(fā)明應(yīng)用于面陣成像儀，翼展方向要求實(shí)現(xiàn)55°的寬視場(chǎng)成像。根據(jù)面陣成像儀的尺寸設(shè)計(jì)橫滾環(huán)架，將成像儀固定在橫滾環(huán)架上，進(jìn)而設(shè)計(jì)基座，選擇鋁合金材料加工基座和橫滾環(huán)架。選擇平面玻璃鏡作為45°補(bǔ)償鏡，選擇擺角式音圈電機(jī)作為橫滾軸與俯仰軸的電機(jī)，45°補(bǔ)償鏡和俯仰軸音圈電機(jī)組成俯仰環(huán)架。
[0026]采用控制領(lǐng)域經(jīng)典的PID三環(huán)(位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán))控制算法，驅(qū)動(dòng)橫滾軸音圈電機(jī)帶動(dòng)橫滾環(huán)架，將翼展方向的寬視場(chǎng)擺掃成像控制與橫滾方向的姿態(tài)穩(wěn)定控制復(fù)合；驅(qū)動(dòng)俯仰軸音圈電機(jī)帶動(dòng)45°補(bǔ)償鏡,將飛行方向的前向像移補(bǔ)償控制與俯仰方向的姿態(tài)穩(wěn)定控制復(fù)合，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的、在翼展方向進(jìn)行55°寬視場(chǎng)擺掃成像以及帶飛行方向前向像移補(bǔ)償?shù)拿骊嚦上駜x。
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)，它包括基座(1)，橫滾環(huán)架(2)，俯仰環(huán)架(3)，俯仰軸電機(jī)(4)，45°補(bǔ)償鏡(5)，橫滾軸電機(jī)(6)以及成像儀器(7)，其特征在于，基座(I)固定在運(yùn)動(dòng)載體上，橫滾軸電機(jī)(6 )安裝在橫滾軸上，橫滾環(huán)架(2 )通過橫滾軸與基座(I)連接，俯仰軸電機(jī)(4 )安裝在俯仰軸上，45 °補(bǔ)償鏡(5 )固定在俯仰軸電機(jī)(4 )上，俯仰環(huán)架(3 )通過俯仰軸與橫滾環(huán)架(2 )連接，成像儀器(7 )固定在橫滾環(huán)架(2 )上，構(gòu)成復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)功能的寬視場(chǎng)成像結(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于，利用控制領(lǐng)域經(jīng)典的PID三環(huán)控制算法，驅(qū)動(dòng)俯仰軸電機(jī)4帶動(dòng)45°補(bǔ)償鏡5實(shí)現(xiàn)俯仰軸的復(fù)合控制，驅(qū)動(dòng)橫滾軸電機(jī)6帶動(dòng)橫滾環(huán)架2實(shí)現(xiàn)橫滾軸復(fù)合控制，具體步驟如下: (1)將翼展方向?qū)捯晥?chǎng)成像控制要求轉(zhuǎn)換成橫滾軸電機(jī)位置環(huán)控制指令，控制橫滾軸電機(jī)6帶動(dòng)橫滾環(huán)架2在運(yùn)動(dòng)載體翼展方向周期性往返擺掃實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)成像； (2)將飛行方向前向像移補(bǔ)償控制要求轉(zhuǎn)換成俯仰軸電機(jī)位置環(huán)控制指令，控制俯仰軸電機(jī)4帶動(dòng)45°補(bǔ)償鏡5繞俯仰軸作景物跟蹤運(yùn)動(dòng)，保證45°補(bǔ)償鏡5補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中成像儀器的視場(chǎng)正好對(duì)應(yīng)擺掃過程的往或返，實(shí)現(xiàn)飛行方向的前向像移補(bǔ)償； (3)利用慣性傳感器獲取運(yùn)動(dòng)載體橫滾方向的姿態(tài)變化，將橫滾姿態(tài)信息作為橫滾軸電機(jī)位置環(huán)控制指令，驅(qū)動(dòng)橫滾軸電機(jī)6帶動(dòng)橫滾環(huán)架2反向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體橫滾方向的姿態(tài)穩(wěn)定； (4)將橫滾軸翼展方向擺掃控制指令與運(yùn)動(dòng)載體橫滾方向姿態(tài)穩(wěn)定控制指令復(fù)合，驅(qū)動(dòng)橫滾軸電機(jī)6帶動(dòng)橫滾環(huán)架2實(shí)現(xiàn)橫滾軸的復(fù)合控制； (5)利用慣性傳感器獲取運(yùn)動(dòng)載體俯仰方向的姿態(tài)變化，將1/2俯仰姿態(tài)信息作為俯仰軸電機(jī)位置環(huán)控制指令，驅(qū)動(dòng)俯仰軸電機(jī)5帶動(dòng)45 °補(bǔ)償鏡6反向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)載體俯仰方向的姿態(tài)穩(wěn)定； (6)將俯仰軸飛行方向前向像移補(bǔ)償控制指令與運(yùn)動(dòng)載體俯仰方向姿態(tài)穩(wěn)定控制指令復(fù)合，驅(qū)動(dòng)俯仰軸電機(jī)5帶動(dòng)45°補(bǔ)償鏡6實(shí)現(xiàn)俯仰軸的復(fù)合控制。
【文檔編號(hào)】G05B11/42GK103914083SQ201410121099
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】舒嶸, 王義坤, 劉敏, 韓貴丞, 姚波, 周潘偉, 況耀武, 亓洪興 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所