第37卷第10期光電工程vl37,No.102010年10月Opto-Electronic Engineeringoct,2010文章編號(hào):1003-501X(2010)10-0128-06種簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)步進(jìn)分幅式航空相機(jī)擺掃控制系統(tǒng)周黎2,楊世洪',高曉東(1.中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所,成都6102092.中國(guó)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(tǒng)面陣CCD航空相機(jī)工作覆蓋范圈的重要方法.本文介紹了一種簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)的步進(jìn)分幅式航空相杋。相杋釆用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)擺掃過(guò)程,適用于對(duì)體積和重量要求嚴(yán)格的場(chǎng)合,文中著重介紹了一種基于正矢函數(shù)的高階平滑步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線的設(shè)計(jì)及其在DSP平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)表明,該運(yùn)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(jī)的丟步,重復(fù)性定位精度優(yōu)于10″.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,滿足分幅式航空相機(jī)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(jī)中圖分類(lèi)號(hào):TP27;V4458文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)是人們獲取地球信息的主要手段。隨著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(tǒng)的膠片,成為數(shù)字航空相機(jī)的主要成像器件。早期的數(shù)字航空相機(jī)根據(jù)采用的CCD類(lèi)型及成像方式的不同,分為線陣推掃式、線陣擺掃式和面陣框幅式等幾類(lèi)。線陣推掃式相機(jī)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代,它具有線分辨率高的優(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(bǔ)償,典型的系統(tǒng)為ADS40",線陣擺掃式相機(jī)將線陣CCD在垂直于航向方向上掃描成像,進(jìn)一步擴(kuò)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?yàn)楣怆娤到y(tǒng)控制。Emil:zhouli1og@yahoo.com.cn第37卷第10期周黎等:一種簡(jiǎn)易拮構(gòu)步進(jìn)分幅式航空相機(jī)擺掃控制系統(tǒng)了視場(chǎng),但存在較大的像移,采用線陣擺掃工作方式的相機(jī)有ELOP等23,20世紀(jì)90年代,隨著大面陣cCD技術(shù)的成熟及芯片級(jí)前移補(bǔ)償技術(shù)的出現(xiàn),面陣框幅式航空相機(jī)克服了上述問(wèn)題,但相機(jī)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(tǒng)如DMC、 UltraCamD、DMAC等+可以擴(kuò)大視場(chǎng)和分辨率,但同時(shí)也造成了相機(jī)體積、質(zhì)量、成本及復(fù)雜度的大大增加。為了解決框幅式相機(jī)存在的問(wèn)題,本世紀(jì)初出現(xiàn)了分幅式步進(jìn)成像航空相機(jī),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?cái)U(kuò)大了相機(jī)的視場(chǎng)。典型系統(tǒng)有CA261、CA270等7。本文介紹了一種分幅式航空相機(jī),主要討論了其擺掃控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。該相機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕的特點(diǎn),適用于對(duì)尺寸和質(zhì)量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)合。1分幅式成像原理分幅式成像是利用擺掃機(jī)構(gòu),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(fù)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(jī)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(tǒng)控制擺掃機(jī)構(gòu)將視場(chǎng)運(yùn)動(dòng)到起始點(diǎn)圖示1A位置,CCD曝光成像,在圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)1A|2A的過(guò)程中,擺掃機(jī)構(gòu)將視場(chǎng)運(yùn)動(dòng)到2A位置并靜止,等待前一幀圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移完成后CCD對(duì)2A視場(chǎng)成像。完成5幅圖Scanning bae像的拍攝后,擺掃機(jī)構(gòu)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。可以看出,擺圖1分幅式航空相機(jī)工作過(guò)程掃機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)是分幅式航空相機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),影響相Fig. I Working flow of step framing aerial camera機(jī)的性能和成像質(zhì)量2擺掃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)具有擺掃工作過(guò)程的線陣擺掃式航空相機(jī)如ELOP及步進(jìn)分幅式航空相機(jī)如CA-261等通常采用的是掃描反射鏡結(jié)構(gòu),利用伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擺掃及視軸穩(wěn)定控制。掃描反射鏡結(jié)構(gòu)對(duì)像差有補(bǔ)償作用,有利于提高成像質(zhì)量,但系統(tǒng)的光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,增加了整個(gè)相機(jī)的體積和質(zhì)量以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度,適用于對(duì)視軸穩(wěn)定要求較高的中高空長(zhǎng)焦距航空相機(jī)。本文介紹的航空相機(jī)擺掃控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),控制相機(jī)的質(zhì)量和體積,系統(tǒng)采用了直接控制鏡筒擺掃的結(jié)構(gòu)。相機(jī)底座采用了被動(dòng)式的視軸穩(wěn)定平臺(tái),利用無(wú)角位移減震器隔離載體的高頻振動(dòng)。相機(jī)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(tǒng)在Is之內(nèi)完Absorber成整個(gè)相機(jī)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(fù)性精度。同時(shí)要求在曝光中不能因?yàn)閿[掃機(jī)構(gòu)引入額外的振動(dòng)和像差。系統(tǒng)圖2航空相機(jī)擺掃控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用大力矩,高精度的諧波減速型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)Fig 2 Structure of aerial camera scanning system現(xiàn)鏡筒的步進(jìn)式擺掃控制過(guò)程3擺掃控制的實(shí)現(xiàn)作為相機(jī)擺掃控制的核心執(zhí)行器件,步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器的性能是決定整機(jī)性能的關(guān)鍵。步進(jìn)電130光電工程2010年10月機(jī)將輸入脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移量,在正常工作狀態(tài)下,輸入輸出有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,抗干擾能力強(qiáng)適用于釆用數(shù)字電路直接進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)可以采用開(kāi)環(huán)控制或閉環(huán)控制。隨著步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步,電機(jī)輸出力矩不斷增大,跟蹤輸入脈沖的能力不斷增強(qiáng),結(jié)合合理的加減速過(guò)程的設(shè)計(jì),可以有效地避免步進(jìn)電機(jī)丟步的現(xiàn)象,使開(kāi)環(huán)控制可以滿足系統(tǒng)高速高精度定位的要求。相機(jī)擺掃系統(tǒng)采用的步進(jìn)電機(jī)為 Orientalmotor公司生產(chǎn)的 astep asC系列諧波減速機(jī)。該機(jī)型為五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50齒,最大輸出力矩達(dá)到lNm。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最大可實(shí)現(xiàn)10000分驅(qū)動(dòng),同時(shí)由于電機(jī)采用了減速比為1:100的諧波齒輪組,因此步距角達(dá)到了000036°?？刂破鞑捎肨l公司的數(shù)字信號(hào)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(jī)加減速曲線的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。3.1加減速曲線設(shè)計(jì)航空相機(jī)的擺掃工作過(guò)程要求電機(jī)系統(tǒng)能夠快速運(yùn)動(dòng),平穩(wěn)啟動(dòng)和停止,盡量減少?zèng)_擊和殘余振動(dòng),使鏡筒迅速穩(wěn)定到指定位置,避免引入額外像差。因此合理的運(yùn)行曲線設(shè)計(jì)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制尤為重要。常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行曲線有梯形加速,分段線性加速,S型加速等嗎。在對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究中為了使被控目標(biāo)實(shí)現(xiàn)所要求的控制過(guò)程,提高運(yùn)動(dòng)精度,軌跡規(guī)劃方法一直是研究的方向,文獻(xiàn)[0系統(tǒng)地總結(jié)了基于多項(xiàng)式的S型加速曲線的設(shè)計(jì),并提出了基于三角函數(shù)模型的設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)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(shù)Jerk(加速度對(duì)時(shí)間的微分)具有無(wú)窮值,影響了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,導(dǎo)致殘余振動(dòng)。為了解決該問(wèn)題,考慮對(duì)加速度的變化過(guò)程引入平滑過(guò)度的函數(shù),以消除加速度的突變和高頻分量的不利影響正矢函數(shù)( Versine)是三角函數(shù)的擴(kuò)展,其在最小值和最大值之間的變化是平滑連續(xù)的。本文利用正矢函數(shù)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(jī)運(yùn)行曲線。設(shè)計(jì)過(guò)程如下整個(gè)加速過(guò)程分為三個(gè)階段,設(shè)、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(dāng)κ≤η1時(shí),加速度按正矢規(guī)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(dāng)h