復合穩定平臺功能的寬視場成像結構及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種復合穩定平臺功能的寬視場成像結構及其控制方法，寬視場成像結構包括基座；橫滾環架；俯仰環架；橫滾軸電機；俯仰軸電機；45°補償鏡；成像儀器。本發明將穩定平臺復合在寬視場成像結構上，采用控制領域經典的PID三環控制算法，既實現翼展方向的寬視場擺掃成像和飛行方向的前向像移補償，又為成像儀器配置穩定平臺，有效解決了使用通用穩定平臺帶來的諸如儀器重量以及設計尺寸方面的限制問題。
【專利說明】復合穩定平臺功能的寬視場成像結構及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種寬視場成像結構，具體涉及一種復合穩定平臺功能、能夠實現翼展方向寬視場擺掃成像和飛行方向前向像移補償的寬視場成像結構及其控制方法。
【背景技術】
[0002]在有像質要求的前提下，很難依靠單鏡頭非掃描成像實現寬視場(超過30° )成像。在過去面陣探測器技術尚不成熟的年代，寬視場圖像的獲取是采用單元或者線列探測器，利用光學系統前的旋轉掃描鏡在翼展方向逐行掃描實現的。隨著面陣探測器技術的發展，寬視場成像的方式隨之發生改變。在面陣探測器技術日益成熟的今天，采用面陣探測器在翼展方向整機擺掃是實現寬視場成像的必由之路，也是未來很長一段時間內的發展趨勢。在此，整機包括成像儀器以及置于光學系統前的折轉鏡。
[0003]面陣探測器件可以增加像元駐留時間，有效提升信噪比，但與此同時，由于運動載體的高速運動，造成飛行方向的像點移動，帶來前向像移問題。像移是影響成像質量的關鍵因素，雖然不可避免，但實踐證明通過一定的措施來補償各種原因所產生的像移是可行且有效的，能大幅度提聞成像質量。
[0004]運動載體的姿態變化也會影響儀器的成像質量，若成像儀器不穩定，即使進行像移補償，成像效果也會很差，所以首先要保證成像儀器的穩定，而穩定平臺正好滿足了這種需求。
[0005]一般將成像儀器安裝在通用穩定平臺上來隔離運動載體的姿態變化對成像造成的影響，成像儀器與穩定平臺分離。然而通用穩定平臺對成像儀器的重量、設計尺寸都有限制，例如瑞士 Leica公司生產的通用穩定平臺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。

【發明內容】

[0006]綜上所述，如何克服通用穩定平臺對成像儀器的重量及設計尺寸的限制乃是本發明所要解決的技術問題。因此，本發明技術解決思路如下:
[0007]寬視場成像結構用來實現翼展方向的寬視場擺掃成像和飛行方向的前向像移補償，在此基礎上，將穩定平臺的橫滾姿態穩定和俯仰姿態穩定復合在寬視場成像結構上，為成像儀器配置穩定平臺，有效解決了通用穩定平臺對成像儀器的重量及設計尺寸的限制。具體實現如下:
[0008]如圖1所示，復合穩定平臺功能的寬視場成像結構，包括基座1，橫滾環架2，俯仰環架3,俯仰軸電機4,45°補償鏡5,橫滾軸電機6,以及成像儀器7。
[0009]基座I固定在運動載體上，橫滾軸電機6安裝在橫滾軸上，橫滾環架2通過橫滾軸與基座I連接，俯仰軸電機4安裝在俯仰軸上，45°補償鏡5固定在俯仰軸電機4上，俯仰環架3通過俯仰軸與橫滾環架2連接，成像儀器7固定在橫滾環架2上，構成復合穩定平臺功能的寬視場成像結構。[0010]利用控制領域經典的PID三環(位置環、速度環、電流環)控制算法(圖2)，驅動俯仰軸電機4帶動45°補償鏡5實現俯仰軸的復合控制，驅動橫滾軸電機6帶動橫滾環架2實現橫滾軸復合控制:
[0011 ] (I)將翼展方向寬視場成像控制要求轉換成橫滾軸電機位置環控制指令，控制橫滾軸電機6帶動橫滾環架2在運動載體翼展方向周期性往返擺掃實現寬視場成像；
[0012](2)將飛行方向前向像移補償控制要求轉換成俯仰軸電機位置環控制指令，控制俯仰軸電機4帶動45°補償鏡5繞俯仰軸作景物跟蹤運動，保證45°補償鏡5補償運動過程中成像儀器的視場正好對應擺掃過程的往或返，實現飛行方向的前向像移補償；
[0013](3)利用慣性傳感器獲取運動載體橫滾方向的姿態變化，將橫滾姿態信息作為橫滾軸電機位置環控制指令，驅動橫滾軸電機6帶動橫滾環架2反向運動補償，實現運動載體橫滾方向的姿態穩定；
[0014](4)將橫滾軸翼展方向擺掃控制指令與運動載體橫滾方向姿態穩定控制指令復合，驅動橫滾軸電機6帶動橫滾環架2實現橫滾軸的復合控制；
[0015](5)利用慣性傳感器獲取運動載體俯仰方向的姿態變化，將1/2俯仰姿態信息作為俯仰軸電機位置環控制指令，驅動俯仰軸電機5帶動45°補償鏡6反向運動補償，實現運動載體俯仰方向的姿態穩定；
[0016](6)將俯仰軸飛行方向前向像移補償控制指令與運動載體俯仰方向姿態穩定控制指令復合，驅動俯仰軸電機5帶動45°補償鏡6實現俯仰軸的復合控制。
[0017]本發明的優點在于:
[0018](I)本發明應用靈活，可以用于不同重量及設計尺寸的成像儀器。
[0019]根據成像儀器的重量、尺寸設計寬視場成像結構，然后將穩定平臺功能復合在寬視場成像結構上，既可以實現翼展方向的寬視場擺掃成像和飛行方向的前向像移補償，又為成像儀器配置穩定平臺，有效解決了使用通用穩定平臺帶來的諸如儀器重量以及設計尺寸方面的限制問題。
[0020](2)在控制方法上稍作改動即可用于翼展方向視場不變的成像儀器。
[0021]翼展方向視場不變的成像儀器，不需進行擺掃控制。俯仰軸復合控制不變，取消橫滾軸復合控制，僅將運動載體橫滾方向的姿態信息作為橫滾軸電機位置環控制指令，驅動橫滾軸電機6帶動橫滾環架2反向運動補償，實現運動載體橫滾方向的姿態穩定。控制方法修改之后，在實現飛行方向前向像移補償的同時，也為翼展方向視場不變的成像儀器配直穩定平臺。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是復合穩定平臺功能的寬視場成像結構，其中:1.基座；2.橫滾環架；3.俯仰環架；4.橫滾軸電機；5.俯仰軸電機；6.45°補償鏡；7.成像儀器。
[0023]圖2是PID三環復合控制示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合圖1給出本發明的一個較好實例，主要作進一步詳細說明，而非用來限定本發明的范圍:[0025]將本發明應用于面陣成像儀，翼展方向要求實現55°的寬視場成像。根據面陣成像儀的尺寸設計橫滾環架，將成像儀固定在橫滾環架上，進而設計基座，選擇鋁合金材料加工基座和橫滾環架。選擇平面玻璃鏡作為45°補償鏡，選擇擺角式音圈電機作為橫滾軸與俯仰軸的電機，45°補償鏡和俯仰軸音圈電機組成俯仰環架。
[0026]采用控制領域經典的PID三環(位置環、速度環、電流環)控制算法，驅動橫滾軸音圈電機帶動橫滾環架，將翼展方向的寬視場擺掃成像控制與橫滾方向的姿態穩定控制復合；驅動俯仰軸音圈電機帶動45°補償鏡,將飛行方向的前向像移補償控制與俯仰方向的姿態穩定控制復合，即可實現復合穩定平臺功能的、在翼展方向進行55°寬視場擺掃成像以及帶飛行方向前向像移補償的面陣成像儀。
【權利要求】
1.一種復合穩定平臺功能的寬視場成像結構，它包括基座(1)，橫滾環架(2)，俯仰環架(3)，俯仰軸電機(4)，45°補償鏡(5)，橫滾軸電機(6)以及成像儀器(7)，其特征在于，基座(I)固定在運動載體上，橫滾軸電機(6 )安裝在橫滾軸上，橫滾環架(2 )通過橫滾軸與基座(I)連接，俯仰軸電機(4 )安裝在俯仰軸上，45 °補償鏡(5 )固定在俯仰軸電機(4 )上，俯仰環架(3 )通過俯仰軸與橫滾環架(2 )連接，成像儀器(7 )固定在橫滾環架(2 )上，構成復合穩定平臺功能的寬視場成像結構。
2.一種如權利要求1所述的一種復合穩定平臺功能的寬視場成像結構的控制方法，其特征在于，利用控制領域經典的PID三環控制算法，驅動俯仰軸電機4帶動45°補償鏡5實現俯仰軸的復合控制，驅動橫滾軸電機6帶動橫滾環架2實現橫滾軸復合控制，具體步驟如下: (1)將翼展方向寬視場成像控制要求轉換成橫滾軸電機位置環控制指令，控制橫滾軸電機6帶動橫滾環架2在運動載體翼展方向周期性往返擺掃實現寬視場成像； (2)將飛行方向前向像移補償控制要求轉換成俯仰軸電機位置環控制指令，控制俯仰軸電機4帶動45°補償鏡5繞俯仰軸作景物跟蹤運動，保證45°補償鏡5補償運動過程中成像儀器的視場正好對應擺掃過程的往或返，實現飛行方向的前向像移補償； (3)利用慣性傳感器獲取運動載體橫滾方向的姿態變化，將橫滾姿態信息作為橫滾軸電機位置環控制指令，驅動橫滾軸電機6帶動橫滾環架2反向運動補償，實現運動載體橫滾方向的姿態穩定； (4)將橫滾軸翼展方向擺掃控制指令與運動載體橫滾方向姿態穩定控制指令復合，驅動橫滾軸電機6帶動橫滾環架2實現橫滾軸的復合控制； (5)利用慣性傳感器獲取運動載體俯仰方向的姿態變化，將1/2俯仰姿態信息作為俯仰軸電機位置環控制指令，驅動俯仰軸電機5帶動45 °補償鏡6反向運動補償，實現運動載體俯仰方向的姿態穩定； (6)將俯仰軸飛行方向前向像移補償控制指令與運動載體俯仰方向姿態穩定控制指令復合，驅動俯仰軸電機5帶動45°補償鏡6實現俯仰軸的復合控制。
【文檔編號】G05B11/42GK103914083SQ201410121099
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】舒嶸, 王義坤, 劉敏, 韓貴丞, 姚波, 周潘偉, 況耀武, 亓洪興 申請人:中國科學院上海技術物理研究所