航空相機(jī)在高空?qǐng)?zhí)行拍攝任務(wù)時(shí)，像移、曝光量、離焦、圖像傳感器噪聲等因素都會(huì)影響到成像質(zhì)量，其中對(duì)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(jī)的運(yùn)動(dòng)及振動(dòng)等。而載機(jī)的前向運(yùn)動(dòng)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(tái)中，橫滾軸的位置閉環(huán)保持相機(jī)橫滾方向垂直地面，克服載機(jī)橫滾角速度對(duì)相機(jī)的干擾。俯仰軸的速度閉環(huán)既要克服載機(jī)俯仰方向的角速度干擾，又要根據(jù)飛行高度和地速進(jìn)行速度回掃補(bǔ)償飛行過程中的前向像移。

    該航空相機(jī)有拍攝和等待兩個(gè)工作狀態(tài)。當(dāng)處于拍攝狀態(tài)時(shí)，相機(jī)回掃（俯仰軸），補(bǔ)償前向像移；當(dāng)處于等待狀態(tài)時(shí)，相機(jī)保持與水平面垂直。為保證速度回掃和定位時(shí)相機(jī)平臺(tái)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(cè)量平臺(tái)相對(duì)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(jī)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(jī)發(fā)來的載機(jī)姿態(tài)角信息來控制相機(jī)與水平面的垂直。
1 穩(wěn)定平臺(tái)工作原理
1.1 穩(wěn)定平臺(tái)功能概述
    航空相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)的任務(wù)是隔離載機(jī)的擾動(dòng)，保持穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定，并同時(shí)接收上位機(jī)的指令和飛行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的像移補(bǔ)償功能。利用陀螺的“空間測(cè)速機(jī)”功能實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)、隔離載機(jī)擾動(dòng)，使相機(jī)在慣性空間內(nèi)保持穩(wěn)定。穩(wěn)定平臺(tái)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(jī)的工作狀態(tài)來改變穩(wěn)定平臺(tái)的控制狀態(tài)，即當(dāng)相機(jī)處于拍攝狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)給定的速高比算出補(bǔ)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(jí)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在慣性空間內(nèi)的穩(wěn)定；當(dāng)相機(jī)處于等待狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)發(fā)來的載機(jī)姿態(tài)角值（載機(jī)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(jī)拍照的時(shí)序圖如圖2所示。穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行像移補(bǔ)償?shù)木唧w過程為：該相機(jī)拍照電平周期為1 s，對(duì)應(yīng)相機(jī)的曝光周期。相機(jī)曝光發(fā)生在200 ms時(shí)刻，持續(xù)時(shí)間為20 ms，到220 ms處曝光結(jié)束。

    穩(wěn)定平臺(tái)需要在相機(jī)曝光瞬間以像移補(bǔ)償速度控制相機(jī)鏡頭向后擺掃，以實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償。為此，穩(wěn)定平臺(tái)在每個(gè)拍照周期開始時(shí)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(bǔ)償速度，其階躍響應(yīng)速度如圖7所示，在200 ms內(nèi)可達(dá)到速度穩(wěn)定。曝光結(jié)束后，穩(wěn)定平臺(tái)檢測(cè)到拍照電平為低，此時(shí)轉(zhuǎn)入位置環(huán)控制將相機(jī)鏡頭返回到垂直向下的位置。
    此后每一個(gè)拍照周期，穩(wěn)定平臺(tái)執(zhí)行相同的動(dòng)作。當(dāng)穩(wěn)定平臺(tái)收到拍照停止指令后，返回至穩(wěn)定工作模式，相機(jī)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(cè)量數(shù)據(jù)中不可避免地混入噪聲。為保證平臺(tái)的速度穩(wěn)定精度，需要對(duì)陀螺采樣值進(jìn)行濾波，以減少隨機(jī)噪聲的影響。在高速DSP控制系統(tǒng)中，數(shù)字濾波器相對(duì)模擬濾波器容易實(shí)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(diǎn)。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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)
    兩軸穩(wěn)定平臺(tái)的硬件組成框圖如5所示，包括數(shù)字信號(hào)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(dòng)器和功率級(jí)等。

2.1 信號(hào)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(diǎn)運(yùn)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(gè)32 bit的光柵采集計(jì)數(shù)器，可以滿足兩軸穩(wěn)定平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和算法實(shí)現(xiàn)。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊
    兩軸穩(wěn)定平臺(tái)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(jì)數(shù)器和濾波功能，編碼正交信號(hào)和零位信號(hào)通過RS-422接口芯片與DSP相連；陀螺值的采集是通過外擴(kuò)A/D采樣芯片AD7864來實(shí)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(shí)工作時(shí)最大速率為130 KS/s，AD7864與DSP外部接口(XINTF)如圖6(a)所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    把穩(wěn)定平臺(tái)安裝在搖擺臺(tái)上，模擬飛機(jī)飛行姿態(tài)變化對(duì)平臺(tái)造成的擾動(dòng)，以驗(yàn)證穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。
4.1 模擬在拍攝狀態(tài)下的前向像移補(bǔ)償
    模擬上位機(jī)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(jì)算公式ref_speed=AC_SPEED×1.0/AC_ALTITUDE×0.325 97和參考角速度計(jì)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(jī)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(tái)的穩(wěn)定性
    在上位機(jī)發(fā)送拍攝命令之前，穩(wěn)定平臺(tái)處在等待狀態(tài)，穩(wěn)定系統(tǒng)把上位機(jī)發(fā)送的飛行參數(shù)（載機(jī)俯仰角和橫滾角）進(jìn)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(jī)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(gè)編碼器碼值為0.011°，誤差計(jì)算為0.22°，小于指向精度指標(biāo)(≤0.55°)，滿足系統(tǒng)要求。

    本文詳細(xì)介紹了以TMS320F28335為主控制器的航空相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及其算法。通過搖擺臺(tái)測(cè)試可知，前向像移補(bǔ)償精度和垂直定位精度均滿足指標(biāo)要求。
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