一種簡(jiǎn)易結構步進(jìn)分幅式航空相機擺掃控制系統

第37卷第10期光電工程vl37,No.102010年10月Opto-Electronic Engineeringoct,2010文章編號:1003-501X(2010)10-0128-06種簡(jiǎn)易結構步進(jìn)分幅式航空相機擺掃控制系統周黎2,楊世洪',高曉東(1.中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所,成都6102092.中國科學(xué)院研究生院,北京10009摘要:步進(jìn)分幅式成像是提高傳統面陣CCD航空相機工作覆蓋范圈的重要方法.本文介紹了一種簡(jiǎn)易結構的步進(jìn)分幅式航空相杋。相杋釆用步進(jìn)電機開(kāi)環(huán)控制實(shí)現擺掃過(guò)程,適用于對體積和重量要求嚴格的場(chǎng)合,文中著(zhù)重介紹了一種基于正矢函數的高階平滑步進(jìn)電機運動(dòng)曲線(xiàn)的設計及其在DSP平臺上的實(shí)現方法。實(shí)驗表明,該運動(dòng)控制方式有效地抑制了沖擊和搛動(dòng),避免了步進(jìn)電機的丟步,重復性定位精度優(yōu)于10″.系統結構簡(jiǎn)單,成本低,滿(mǎn)足分幅式航空相機的要求關(guān)鍵詞:步進(jìn)分幅成像;航空相杋;步進(jìn)擺掃;步進(jìn)電機中圖分類(lèi)號:TP27;V4458文獻標志碼:Adoi:10.3969issn.1003-501X2010.10.022Scanning Control System of a Simple StructureStep Framing Aerial CameraZHOU Li", YANG Shi-hong, GAO Xiao-dong(1. Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, china2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Bejing 100039, China)Abstract: Step framing is anorking area of a traditional array cCDcamera. A simple structure step framing aerial camera is presented. By adopting open-loop control of a stepper motor toachieve the scanning process, the camera is especially suited for occasions that the volume and weight is strictly limited.The design of a high-order smooth motion curve of a stepper motor based on versine functions and its implementation onthe Digital Signal Processor(DSP)are introduced in detail. The experiment indicates that the control strategy effectivelyrestrains the impulsion and residual vibration and the out-of-step conditions of the stepper motor are avoided.Therepetitive positioning accuracy is better than 10". The system meets the requirements of the step framing camera withsimple structure and low cost.Key words: step framing: aerial camera; step scanning; stepper motor0引言航空相機是人們獲取地球信息的主要手段。隨著(zhù)CCD技術(shù)的進(jìn)步,高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、高分辨率的CCD取代傳統的膠片,成為數字航空相機的主要成像器件。早期的數字航空相機根據采用的CCD類(lèi)型及成像方式的不同,分為線(xiàn)陣推掃式、線(xiàn)陣擺掃式和面陣框幅式等幾類(lèi)。線(xiàn)陣推掃式相機最早出現在20世紀70年代,它具有線(xiàn)分辨率高的優(yōu)點(diǎn),但由于各行圖像在不同的空間位置獲得,易引入像差,需要后期補償,典型的系統為ADS40",線(xiàn)陣擺掃式相機將線(xiàn)陣CCD在垂直于航向方向上掃描成像,進(jìn)一步擴大收稿日期:201005-17,收到修改稿日期:201007-16作者簡(jiǎn)介:周黎(1983-),男儀族,重慶人。博士研究生,主要研究方向為光電系統控制。Emil:zhouli1og@yahoo.com.cn第37卷第10期周黎等:一種簡(jiǎn)易拮構步進(jìn)分幅式航空相機擺掃控制系統了視場(chǎng),但存在較大的像移,采用線(xiàn)陣擺掃工作方式的相機有ELOP等23,20世紀90年代,隨著(zhù)大面陣cCD技術(shù)的成熟及芯片級前移補償技術(shù)的出現,面陣框幅式航空相機克服了上述問(wèn)題,但相機視場(chǎng)和分辨率仍受限于CCD器件。采用多個(gè)CCD組合的系統如DMC、 UltraCamD、DMAC等+可以擴大視場(chǎng)和分辨率,但同時(shí)也造成了相機體積、質(zhì)量、成本及復雜度的大大增加。為了解決框幅式相機存在的問(wèn)題,本世紀初出現了分幅式步進(jìn)成像航空相機,通過(guò)以時(shí)間換取空間的方法,在垂直于航向的方向上的多個(gè)位置成像,并保證各幅圖像之間一定的重疊率,通過(guò)后期拼接就可以獲得一幅完整的高分辨率圖像,有效地擴大了相機的視場(chǎng)。典型系統有CA261、CA270等7。本文介紹了一種分幅式航空相機,主要討論了其擺掃控制系統的結構和實(shí)現方法。該相機具有結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕的特點(diǎn),適用于對尺寸和質(zhì)量有嚴格要求的應用場(chǎng)合。1分幅式成像原理分幅式成像是利用擺掃機構,在垂直于航向的方向上Moving direction of的多個(gè)不同位置成多幅圖像,各位置之間保證一定的重疊率以便于后期處理時(shí)恢復為完整的大分辨率圖像。以一次掃擺中拍攝5幅圖像為例,分幅式航空相機的工作過(guò)程如圖1所示。開(kāi)始拍攝時(shí)首先由控制系統控制擺掃機構將視場(chǎng)運動(dòng)到起始點(diǎn)圖示1A位置,CCD曝光成像,在圖像數據轉移存儲1A|2A的過(guò)程中,擺掃機構將視場(chǎng)運動(dòng)到2A位置并靜止,等待前一幀圖像數據轉移完成后CCD對2A視場(chǎng)成像。完成5幅圖Scanning bae像的拍攝后,擺掃機構控制視場(chǎng)回掃,在保證一定航向重疊Step scanning率的1B視場(chǎng)位置,開(kāi)始新一輪的擺掃過(guò)程?？梢钥闯?擺圖1分幅式航空相機工作過(guò)程掃機構及其控制系統是分幅式航空相機的關(guān)鍵環(huán)節,影響相Fig. I Working flow of step framing aerial camera機的性能和成像質(zhì)量2擺掃系統結構及主要參數具有擺掃工作過(guò)程的線(xiàn)陣擺掃式航空相機如ELOP及步進(jìn)分幅式航空相機如CA-261等通常采用的是掃描反射鏡結構,利用伺服機構實(shí)現擺掃及視軸穩定控制。掃描反射鏡結構對像差有補償作用,有利于提高成像質(zhì)量,但系統的光學(xué)和機械結構較為復雜,增加了整個(gè)相機的體積和質(zhì)量以及控制系統的設計難度,適用于對視軸穩定要求較高的中高空長(cháng)焦距航空相機。本文介紹的航空相機擺掃控制系統結構如圖2所示。為了簡(jiǎn)化結構,控制相機的質(zhì)量和體積,系統采用了直接控制鏡筒擺掃的結構。相機底座采用了被動(dòng)式的視軸穩定平臺,利用無(wú)角位移減震器隔離載體的高頻振動(dòng)。相機的幀頻為 I frame/s,垂Axis of rotation直于航向上的視場(chǎng)角為114°,在掃擺方向上重疊m率為10%的情況下,要求擺掃系統在Is之內完Absorber成整個(gè)相機鏡筒約10.3°的步進(jìn)角位移量,保證較Shooting window高的定位精度和重復性精度。同時(shí)要求在曝光中不能因為擺掃機構引入額外的振動(dòng)和像差。系統圖2航空相機擺掃控制系統結構采用大力矩,高精度的諧波減速型步進(jìn)電動(dòng)機實(shí)Fig 2 Structure of aerial camera scanning system現鏡筒的步進(jìn)式擺掃控制過(guò)程3擺掃控制的實(shí)現作為相機擺掃控制的核心執行器件,步進(jìn)電機及其驅動(dòng)控制器的性能是決定整機性能的關(guān)鍵。步進(jìn)電130光電工程2010年10月機將輸入脈沖數轉換為相應的角位移量,在正常工作狀態(tài)下,輸入輸出有嚴格的對應關(guān)系,抗干擾能力強適用于釆用數字電路直接進(jìn)行控制。步進(jìn)電機可以采用開(kāi)環(huán)控制或閉環(huán)控制。隨著(zhù)步進(jìn)電機驅動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步,電機輸出力矩不斷增大,跟蹤輸入脈沖的能力不斷增強,結合合理的加減速過(guò)程的設計,可以有效地避免步進(jìn)電機丟步的現象,使開(kāi)環(huán)控制可以滿(mǎn)足系統高速高精度定位的要求。相機擺掃系統采用的步進(jìn)電機為 Orientalmotor公司生產(chǎn)的 astep asC系列諧波減速機。該機型為五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機,轉子齒數為50齒,最大輸出力矩達到lNm。電機驅動(dòng)器最大可實(shí)現10000分驅動(dòng),同時(shí)由于電機采用了減速比為1:100的諧波齒輪組,因此步距角達到了000036°?？刂破鞑捎肨l公司的數字信號處理器TMS320LF2407A,采用開(kāi)環(huán)控制的方式。本文研究的重點(diǎn)是步進(jìn)電機加減速曲線(xiàn)的設計和實(shí)現。3.1加減速曲線(xiàn)設計航空相機的擺掃工作過(guò)程要求電機系統能夠快速運動(dòng),平穩啟動(dòng)和停止,盡量減少沖擊和殘余振動(dòng),使鏡筒迅速穩定到指定位置,避免引入額外像差。因此合理的運行曲線(xiàn)設計對于步進(jìn)電機的開(kāi)環(huán)控制尤為重要。常見(jiàn)的步進(jìn)電機運行曲線(xiàn)有梯形加速,分段線(xiàn)性加速,S型加速等嗎。在對運動(dòng)控制系統的研究中為了使被控目標實(shí)現所要求的控制過(guò)程,提高運動(dòng)精度,軌跡規劃方法一直是研究的方向,文獻[0系統地總結了基于多項式的S型加速曲線(xiàn)的設計,并提出了基于三角函數模型的設計方法傳統的梯形加速實(shí)質(zhì)是勻加速度加速,具有時(shí)間最優(yōu)的特性,但由于在加速開(kāi)始和停止的時(shí)刻加速度存在突變,沖擊函數Jerk(加速度對時(shí)間的微分)具有無(wú)窮值,影響了運動(dòng)的平穩性,導致殘余振動(dòng)。為了解決該問(wèn)題,考慮對加速度的變化過(guò)程引入平滑過(guò)度的函數,以消除加速度的突變和高頻分量的不利影響正矢函數( Versine)是三角函數的擴展,其在最小值和最大值之間的變化是平滑連續的。本文利用正矢函數作為加速度最大值和最小值之間的過(guò)度,得到了高階平滑的步進(jìn)電機運行曲線(xiàn)。設計過(guò)程如下整個(gè)加速過(guò)程分為三個(gè)階段,設、自1、l、3分別為開(kāi)始時(shí)刻、加速度遞增階段完成時(shí)刻、加速度恒定階段完成時(shí)刻、加速度遞減為0即整個(gè)加速階段完成時(shí)刻。當κ≤η1時(shí),加速度按正矢規律增加,得到角加速度,角速度,角位移分別為6()=A[l-cos(an·t)fe(r)drsin(o,n))=,e(r)d式中:A=(0m-b當h