一种简易结构步进分幅式航空相机摆扫控制系统

第37卷第10期光电工程vl37,No.102010年10月Opto-Electronic Engineeringoct,2010文章编号:1003-501X(2010)10-0128-06种简易结构步进分幅式航空相机摆扫控制系统周黎2,杨世洪',高晓东(1.中国科学院光电技术研究所,成都6102092.中国科学院研究生院,北京10009摘要:步进分幅式成像是提高传统面阵CCD航空相机工作覆盖范圈的重要方法.本文介绍了一种简易结构的步进分幅式航空相杋。相杋釆用步进电机开环控制实现摆扫过程,适用于对体积和重量要求严格的场合,文中着重介绍了一种基于正矢函数的高阶平滑步进电机运动曲线的设计及其在DSP平台上的实现方法。实验表明,该运动控制方式有效地抑制了冲击和搛动,避免了步进电机的丢步,重复性定位精度优于10″.系统结构简单,成本低,满足分幅式航空相机的要求关键词:步进分幅成像;航空相杋;步进摆扫;步进电机中图分类号:TP27;V4458文献标志码: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引言航空相机是人们获取地球信息的主要手段。随着CCD技术的进步,高动态范围、高灵敏度、高分辨率的CCD取代传统的胶片,成为数字航空相机的主要成像器件。早期的数字航空相机根据采用的CCD类型及成像方式的不同,分为线阵推扫式、线阵摆扫式和面阵框幅式等几类。线阵推扫式相机最早出现在20世纪70年代,它具有线分辨率高的优点,但由于各行图像在不同的空间位置获得,易引入像差,需要后期补偿,典型的系统为ADS40",线阵摆扫式相机将线阵CCD在垂直于航向方向上扫描成像,进一步扩大收稿日期:201005-17,收到修改稿日期:201007-16作者简介:周黎(1983-),男仪族,重庆人。博士研究生,主要研究方向为光电系统控制。Emil:zhouli1og@yahoo.com.cn第37卷第10期周黎等:一种简易拮构步进分幅式航空相机摆扫控制系统了视场,但存在较大的像移,采用线阵摆扫工作方式的相机有ELOP等23,20世纪90年代,随着大面阵cCD技术的成熟及芯片级前移补偿技术的出现,面阵框幅式航空相机克服了上述问题,但相机视场和分辨率仍受限于CCD器件。采用多个CCD组合的系统如DMC、 UltraCamD、DMAC等+可以扩大视场和分辨率,但同时也造成了相机体积、质量、成本及复杂度的大大增加。为了解决框幅式相机存在的问题,本世纪初出现了分幅式步进成像航空相机,通过以时间换取空间的方法,在垂直于航向的方向上的多个位置成像,并保证各幅图像之间一定的重叠率,通过后期拼接就可以获得一幅完整的高分辨率图像,有效地扩大了相机的视场。典型系统有CA261、CA270等7。本文介绍了一种分幅式航空相机,主要讨论了其摆扫控制系统的结构和实现方法。该相机具有结构简单、体积小、重量轻的特点,适用于对尺寸和质量有严格要求的应用场合。1分幅式成像原理分幅式成像是利用摆扫机构,在垂直于航向的方向上Moving direction of的多个不同位置成多幅图像,各位置之间保证一定的重叠率以便于后期处理时恢复为完整的大分辨率图像。以一次扫摆中拍摄5幅图像为例,分幅式航空相机的工作过程如图1所示。开始拍摄时首先由控制系统控制摆扫机构将视场运动到起始点图示1A位置,CCD曝光成像,在图像数据转移存储1A|2A的过程中,摆扫机构将视场运动到2A位置并静止,等待前一帧图像数据转移完成后CCD对2A视场成像。完成5幅图Scanning bae像的拍摄后,摆扫机构控制视场回扫,在保证一定航向重叠Step scanning率的1B视场位置,开始新一轮的摆扫过程。可以看出,摆图1分幅式航空相机工作过程扫机构及其控制系统是分幅式航空相机的关键环节,影响相Fig. I Working flow of step framing aerial camera机的性能和成像质量2摆扫系统结构及主要参数具有摆扫工作过程的线阵摆扫式航空相机如ELOP及步进分幅式航空相机如CA-261等通常采用的是扫描反射镜结构,利用伺服机构实现摆扫及视轴稳定控制。扫描反射镜结构对像差有补偿作用,有利于提高成像质量,但系统的光学和机械结构较为复杂,增加了整个相机的体积和质量以及控制系统的设计难度,适用于对视轴稳定要求较高的中高空长焦距航空相机。本文介绍的航空相机摆扫控制系统结构如图2所示。为了简化结构,控制相机的质量和体积,系统采用了直接控制镜筒摆扫的结构。相机底座采用了被动式的视轴稳定平台,利用无角位移减震器隔离载体的高频振动。相机的帧频为 I frame/s,垂Axis of rotation直于航向上的视场角为114°,在扫摆方向上重叠m率为10%的情况下,要求摆扫系统在Is之内完Absorber成整个相机镜筒约10.3°的步进角位移量,保证较Shooting window高的定位精度和重复性精度。同时要求在曝光中不能因为摆扫机构引入额外的振动和像差。系统图2航空相机摆扫控制系统结构采用大力矩,高精度的谐波减速型步进电动机实Fig 2 Structure of aerial camera scanning system现镜筒的步进式摆扫控制过程3摆扫控制的实现作为相机摆扫控制的核心执行器件,步进电机及其驱动控制器的性能是决定整机性能的关键。步进电130光电工程2010年10月机将输入脉冲数转换为相应的角位移量,在正常工作状态下,输入输出有严格的对应关系,抗干扰能力强适用于釆用数字电路直接进行控制。步进电机可以采用开环控制或闭环控制。随着步进电机驱动技术的进步,电机输出力矩不断增大,跟踪输入脉冲的能力不断增强,结合合理的加减速过程的设计,可以有效地避免步进电机丢步的现象,使开环控制可以满足系统高速高精度定位的要求。相机摆扫系统采用的步进电机为 Orientalmotor公司生产的 astep asC系列谐波减速机。该机型为五相混合式步进电动机,转子齿数为50齿,最大输出力矩达到lNm。电机驱动器最大可实现10000分驱动,同时由于电机采用了减速比为1:100的谐波齿轮组,因此步距角达到了000036°。控制器采用Tl公司的数字信号处理器TMS320LF2407A,采用开环控制的方式。本文研究的重点是步进电机加减速曲线的设计和实现。3.1加减速曲线设计航空相机的摆扫工作过程要求电机系统能够快速运动,平稳启动和停止,尽量减少冲击和残余振动,使镜筒迅速稳定到指定位置,避免引入额外像差。因此合理的运行曲线设计对于步进电机的开环控制尤为重要。常见的步进电机运行曲线有梯形加速,分段线性加速,S型加速等吗。在对运动控制系统的研究中为了使被控目标实现所要求的控制过程,提高运动精度,轨迹规划方法一直是研究的方向,文献[0系统地总结了基于多项式的S型加速曲线的设计,并提出了基于三角函数模型的设计方法传统的梯形加速实质是匀加速度加速,具有时间最优的特性,但由于在加速开始和停止的时刻加速度存在突变,冲击函数Jerk(加速度对时间的微分)具有无穷值,影响了运动的平稳性,导致残余振动。为了解决该问题,考虑对加速度的变化过程引入平滑过度的函数,以消除加速度的突变和高频分量的不利影响正矢函数( Versine)是三角函数的扩展,其在最小值和最大值之间的变化是平滑连续的。本文利用正矢函数作为加速度最大值和最小值之间的过度,得到了高阶平滑的步进电机运行曲线。设计过程如下整个加速过程分为三个阶段,设、自1、l、3分别为开始时刻、加速度递增阶段完成时刻、加速度恒定阶段完成时刻、加速度递减为0即整个加速阶段完成时刻。当κ≤η1时,加速度按正矢规律增加,得到角加速度,角速度,角位移分别为6()=A[l-cos(an·t)fe(r)drsin(o,n))=,e(r)d式中:A=(0m-b当h