文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)09-0024-04
航空相機在高空執(zhí)行拍攝任務(wù)時,像移,、曝光量,、離焦,、圖像傳感器噪聲等因素都會影響到成像質(zhì)量,其中對圖像質(zhì)量影響較大的是像移,。產(chǎn)生像移的原因有多種,,如姿態(tài)角速度變化、載機的運動及振動等,。而載機的前向運動及姿態(tài)角速度是前向像移產(chǎn)生的主要原因,。兩軸穩(wěn)定平臺中,橫滾軸的位置閉環(huán)保持相機橫滾方向垂直地面,,克服載機橫滾角速度對相機的干擾,。俯仰軸的速度閉環(huán)既要克服載機俯仰方向的角速度干擾,又要根據(jù)飛行高度和地速進行速度回掃補償飛行過程中的前向像移,。
該航空相機有拍攝和等待兩個工作狀態(tài),。當(dāng)處于拍攝狀態(tài)時,相機回掃(俯仰軸),,補償前向像移,;當(dāng)處于等待狀態(tài)時,相機保持與水平面垂直,。為保證速度回掃和定位時相機平臺的穩(wěn)定,,采用速度位置雙閉環(huán)控制方法。在俯仰軸和橫滾軸上分別安裝陀螺和光柵編碼器,,陀螺測量平臺相對慣性空間的角速度,,把陀螺值反饋到速度閉環(huán)(內(nèi)環(huán))就可以克服載機姿態(tài)角速度的干擾。位置環(huán)(外環(huán))則根據(jù)編碼器值和上位機發(fā)來的載機姿態(tài)角信息來控制相機與水平面的垂直,。
1 穩(wěn)定平臺工作原理
1.1 穩(wěn)定平臺功能概述
航空相機穩(wěn)定平臺的任務(wù)是隔離載機的擾動,,保持穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定,并同時接收上位機的指令和飛行參數(shù),,實現(xiàn)相機的像移補償功能,。利用陀螺的“空間測速機”功能實現(xiàn)速度閉環(huán)、隔離載機擾動,,使相機在慣性空間內(nèi)保持穩(wěn)定,。穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示,兩軸的工作原理相同,。
根據(jù)相機的工作狀態(tài)來改變穩(wěn)定平臺的控制狀態(tài),,即當(dāng)相機處于拍攝狀態(tài)時,控制系統(tǒng)根據(jù)上位機給定的速高比算出補償速度,,并將其作為速度閉環(huán)控制的給定,,而陀螺敏感兩軸慣性空間的角速度作為速度閉環(huán)控制的反饋,兩者的差值經(jīng)速度控制器輸出PWM(脈寬調(diào)制)波,經(jīng)功率級放大后驅(qū)動伺服電機,,實現(xiàn)平臺在慣性空間內(nèi)的穩(wěn)定,;當(dāng)相機處于等待狀態(tài)時,上位機發(fā)來的載機姿態(tài)角值(載機橫滾角和俯仰角)經(jīng)過換算后作為位置閉環(huán)的給定,,而兩軸編碼器值作為位置閉環(huán)的反饋,,兩者的位置差經(jīng)位置控制器后作為速度環(huán)的給定[3-4]。
相機拍照的時序圖如圖2所示,。穩(wěn)定平臺進行像移補償?shù)木唧w過程為:該相機拍照電平周期為1 s,,對應(yīng)相機的曝光周期。相機曝光發(fā)生在200 ms時刻,,持續(xù)時間為20 ms,,到220 ms處曝光結(jié)束。
穩(wěn)定平臺需要在相機曝光瞬間以像移補償速度控制相機鏡頭向后擺掃,,以實現(xiàn)像移補償,。為此,穩(wěn)定平臺在每個拍照周期開始時轉(zhuǎn)入速度環(huán)控制,,并在200 ms內(nèi)使速度穩(wěn)定到像移補償速度,,其階躍響應(yīng)速度如圖7所示,在200 ms內(nèi)可達到速度穩(wěn)定,。曝光結(jié)束后,,穩(wěn)定平臺檢測到拍照電平為低,此時轉(zhuǎn)入位置環(huán)控制將相機鏡頭返回到垂直向下的位置,。
此后每一個拍照周期,,穩(wěn)定平臺執(zhí)行相同的動作。當(dāng)穩(wěn)定平臺收到拍照停止指令后,,返回至穩(wěn)定工作模式,相機鏡頭穩(wěn)定到垂直向下位置,。
1.2 陀螺采樣的數(shù)字濾波
陀螺采樣值的精度直接影響速度閉環(huán)的精度,,而由于數(shù)據(jù)傳輸過程、電磁干擾和A/D轉(zhuǎn)換精度等原因,,其測量數(shù)據(jù)中不可避免地混入噪聲,。為保證平臺的速度穩(wěn)定精度,需要對陀螺采樣值進行濾波,,以減少隨機噪聲的影響,。在高速DSP控制系統(tǒng)中,數(shù)字濾波器相對模擬濾波器容易實現(xiàn),,而且數(shù)字濾波器具有靈活性,、精度高、可靠性高等優(yōu)點。數(shù)字濾波雖然種類繁多,,但有些濾波效果很好而算法復(fù)雜,,不適合用于實時性要求很高的伺服系統(tǒng)中。所以,,本系統(tǒng)采用應(yīng)用比較廣泛,、效果良好且易于工程實現(xiàn)的巴特沃斯濾波器。巴特沃斯低通濾波器的幅值響應(yīng)在通帶內(nèi)具有最平坦的特性,,且在通帶和阻帶內(nèi)的幅頻特性是單調(diào)變化的,。圖3為二階巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性,經(jīng)雙線性變化后的Z函數(shù)為:
位置閉環(huán)特性如圖4(b)所示,。由圖可知位置回路的閉環(huán)帶寬為84 rad/s(即13.4 Hz)[5],。
2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
兩軸穩(wěn)定平臺的硬件組成框圖如5所示,包括數(shù)字信號處理器,、可編程邏輯器件,、串口接口芯片、陀螺,、A/D轉(zhuǎn)換芯片,、光柵編碼器、制動器和功率級等,。
2.1 信號處理模塊
本系統(tǒng)采用TMS320F28335為主控制器,,該DSP由TI公司最新推出,具有浮點運算能力,,其工作主頻為150 MHz,,具有34 KB的內(nèi)部RAM、256 KB的內(nèi)部Flash,、2個32 bit的光柵采集計數(shù)器,,可以滿足兩軸穩(wěn)定平臺的數(shù)據(jù)采集和算法實現(xiàn)。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊
兩軸穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)需要完成兩路光柵編碼器值和兩路陀螺值的采集,,并實現(xiàn)與上位機的通信,。編碼器值的采集是由TMS320F28335(DSP)自帶的外設(shè)QEP來完成,該模塊具有32 bit計數(shù)器和濾波功能,,編碼正交信號和零位信號通過RS-422接口芯片與DSP相連,;陀螺值的采集是通過外擴A/D采樣芯片AD7864來實現(xiàn)。AD7864轉(zhuǎn)換精度為12 bit,,輸入電壓為-5 V~+5 V,,四通道同時工作時最大速率為130 KS/s,AD7864與DSP外部接口(XINTF)如圖6(a)所示,。
4 實驗結(jié)果
把穩(wěn)定平臺安裝在搖擺臺上,,模擬飛機飛行姿態(tài)變化對平臺造成的擾動,,以驗證穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定精度,實驗結(jié)果如下,。
4.1 模擬在拍攝狀態(tài)下的前向像移補償
模擬上位機發(fā)送的飛行參數(shù)是:地速為1 000/(km/h),,飛行高度為12 km。由陀螺碼值計算公式ref_speed=AC_SPEED×1.0/AC_ALTITUDE×0.325 97和參考角速度計算公式(1)可得:參考角速度為1.318°/s,,陀螺參考碼值為27,,陀螺分辨率為0.048 8°。得到上位機的拍攝命令后,,記錄俯仰軸陀螺碼值如圖7所示,,速度穩(wěn)定度≤0.3°/s,滿足系統(tǒng)要求,。
4.2 模擬等待狀態(tài)下穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定性
在上位機發(fā)送拍攝命令之前,,穩(wěn)定平臺處在等待狀態(tài),穩(wěn)定系統(tǒng)把上位機發(fā)送的飛行參數(shù)(載機俯仰角和橫滾角)進行換算后作為位置環(huán)的參考輸入,,編碼器值作為位置閉環(huán)的反饋輸入,,保持相機垂直地面。模擬結(jié)果:最大角速度為4.5°/s,、位置范圍為±3°的位置正弦跟蹤如圖8所示,,每個編碼器碼值為0.011°,誤差計算為0.22°,,小于指向精度指標(≤0.55°),,滿足系統(tǒng)要求。
本文詳細介紹了以TMS320F28335為主控制器的航空相機穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的硬件設(shè)計及其算法,。通過搖擺臺測試可知,,前向像移補償精度和垂直定位精度均滿足指標要求。
參考文獻
[1] 盧筑飛,,胡志剛.基于P89V51的兩軸穩(wěn)定平臺控制器設(shè)計[J].計算機測量與控制,,2008,16(12):1863-1864.
[2] 黃埔,,葛文奇,,李友一,等.航空相機前向像移補償?shù)木€性自抗擾控制[J].光學(xué)精密工程,,2011,19(4):812-819.
[3] George Ellis.Control systems guide(third edition)[M].北京:電子工業(yè)出版社,,2006.
[4] 王德江,,匡海鵬,蔡希昌,,等.TDI-CCD全景航空相機前向像移補償?shù)臄?shù)字實現(xiàn)方法[J].光學(xué)精密工程,,2008,16(12):2045-2052.
[5] 黃昌霞,李奇,,姬偉,,等.高精度穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].航空兵器,2011(1):23-27.