航空相机稳定平台设计与仿真

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    大比例、高清晰测量图在军事、经济和环境规划等多种领域起着重要作用,目前获取图像信息的方法主要有卫星遥测、多波段微波成像雷达、航空相机等。航空相机因其机动性好、时效性高、目的性强、携带仪器多、相对投入较低等优点,成为获取图像信息的主要途径。

    在高分辨率航测相机系统中,陀螺稳定平台是主要组成部分,要求陀螺稳定平台能适用于多种类型飞机的工作环境,精确稳定相机水平(俯仰及横滚)基准,隔离飞机飞行过程中的扰动,并实现像前移补偿功能。它可以使航空摄影系统自动垂直拍摄,延长飞行拍摄时间,提高飞行航拍的效率,提高图像质量,减轻机组人员的工作强度。

    1 航空相机稳定平台总体方案设计

    1. 1 陀螺稳定平台的功能

    飞机在飞行摄影时会受到本机和气流的多重影响,机体无法保持平稳,给机载相机对指定区域的高精度拍摄带来很大困难。航空摄影陀螺稳定平台正是用于航空摄影过程中数字航测相机系统的控制,实现航测时相机系统保持水平(俯仰和横另外,由于飞机的运动,使相机在曝光时被照物影像与感光介质间存在相对运动,带来了成像模糊及拖尾效应(即像移),像移的存在极大影响相机成像质量,使图像分辨力明显下降。因此陀螺稳定平台必须同时具有像移补偿功能。

    1. 2 陀螺稳定平台的设计方案

    陀螺稳定平台要实现以上功能,可以采用以下方法。第一种方法是采用模拟电路实现传输函数、用线性功率放大器驱动电机的方法。该方法的优点是由于伺服系统的带宽通常较窄,电磁兼容比较容易实现,缺点是控制系统灵活性差,修改困难,调试复杂,并且像移补偿较难实现。第二种方法是控制电路采用DSP或单片机,电机驱动采用PWM脉宽调制。该方案的优点是功耗低,控制灵活,缺点是由于稳定平台质量大,驱动电机的PWM芯片输出功率很大,将产生很大的电磁辐射,会对飞机产生电磁干扰,很难满足稳定平台电磁兼容性的要求。第三种方案是控制电路由模拟电路和单片机共同实现,电机驱动用线性功率放大器实现。这种混合控制方式比较容易满足电磁兼容的要求,也能方便地调整控制方式和实现像前移补偿。根据航空相机系统的研制要求,选用第三种方案作为数字航测相机系统的稳定平台方案。

    数字航测相机系统的稳定平台由横滚通道和俯仰通道组成,两个通道的组成基本相同,图1显示了陀螺稳定平台俯仰通道的组成。稳定平台俯仰通道由单片机、水平仪、控制电路、功放电路、测速机、电机、相移补偿电路(由单片机完成)、陀螺、框架角传感器组成,除了水平仪安装在载机上,其余部件均安装在框架结构上。