航空相機在高空執行拍攝任務時，像移、曝光量、離焦、圖像傳感器噪聲等因素都會影響到成像質量，其中對圖像質量影響較大的是像移。產生像移的原因有多種，如姿態角速度變化、載機的運動及振動等。而載機的前向運動及姿態角速度是前向像移產生的主要原因。兩軸穩定平臺中，橫滾軸的位置閉環保持相機橫滾方向垂直地面，克服載機橫滾角速度對相機的干擾。俯仰軸的速度閉環既要克服載機俯仰方向的角速度干擾，又要根據飛行高度和地速進行速度回掃補償飛行過程中的前向像移。

    該航空相機有拍攝和等待兩個工作狀態。當處于拍攝狀態時，相機回掃（俯仰軸），補償前向像移；當處于等待狀態時，相機保持與水平面垂直。為保證速度回掃和定位時相機平臺的穩定，采用速度位置雙閉環控制方法。在俯仰軸和橫滾軸上分別安裝陀螺和光柵編碼器，陀螺測量平臺相對慣性空間的角速度，把陀螺值反饋到速度閉環（內環）就可以克服載機姿態角速度的干擾。位置環（外環）則根據編碼器值和上位機發來的載機姿態角信息來控制相機與水平面的垂直。
1 穩定平臺工作原理
1.1 穩定平臺功能概述
    航空相機穩定平臺的任務是隔離載機的擾動，保持穩定平臺的穩定，并同時接收上位機的指令和飛行參數，實現相機的像移補償功能。利用陀螺的“空間測速機”功能實現速度閉環、隔離載機擾動，使相機在慣性空間內保持穩定。穩定平臺控制系統工作原理圖如圖1所示，兩軸的工作原理相同。

    根據相機的工作狀態來改變穩定平臺的控制狀態，即當相機處于拍攝狀態時，控制系統根據上位機給定的速高比算出補償速度，并將其作為速度閉環控制的給定，而陀螺敏感兩軸慣性空間的角速度作為速度閉環控制的反饋，兩者的差值經速度控制器輸出PWM（脈寬調制）波，經功率級放大后驅動伺服電機，實現平臺在慣性空間內的穩定；當相機處于等待狀態時，上位機發來的載機姿態角值（載機橫滾角和俯仰角）經過換算后作為位置閉環的給定，而兩軸編碼器值作為位置閉環的反饋，兩者的位置差經位置控制器后作為速度環的給定[3-4]。
    相機拍照的時序圖如圖2所示。穩定平臺進行像移補償的具體過程為：該相機拍照電平周期為1 s，對應相機的曝光周期。相機曝光發生在200 ms時刻，持續時間為20 ms，到220 ms處曝光結束。

    穩定平臺需要在相機曝光瞬間以像移補償速度控制相機鏡頭向后擺掃，以實現像移補償。為此，穩定平臺在每個拍照周期開始時轉入速度環控制，并在200 ms內使速度穩定到像移補償速度，其階躍響應速度如圖7所示，在200 ms內可達到速度穩定。曝光結束后，穩定平臺檢測到拍照電平為低，此時轉入位置環控制將相機鏡頭返回到垂直向下的位置。
    此后每一個拍照周期，穩定平臺執行相同的動作。當穩定平臺收到拍照停止指令后，返回至穩定工作模式，相機鏡頭穩定到垂直向下位置。
1.2 陀螺采樣的數字濾波
    陀螺采樣值的精度直接影響速度閉環的精度，而由于數據傳輸過程、電磁干擾和A/D轉換精度等原因，其測量數據中不可避免地混入噪聲。為保證平臺的速度穩定精度，需要對陀螺采樣值進行濾波，以減少隨機噪聲的影響。在高速DSP控制系統中，數字濾波器相對模擬濾波器容易實現，而且數字濾波器具有靈活性、精度高、可靠性高等優點。數字濾波雖然種類繁多，但有些濾波效果很好而算法復雜，不適合用于實時性要求很高的伺服系統中。所以，本系統采用應用比較廣泛、效果良好且易于工程實現的巴特沃斯濾波器。巴特沃斯低通濾波器的幅值響應在通帶內具有最平坦的特性，且在通帶和阻帶內的幅頻特性是單調變化的。圖3為二階巴特沃斯低通濾波器的幅頻特性，經雙線性變化后的Z函數為：
 
    位置閉環特性如圖4(b)所示。由圖可知位置回路的閉環帶寬為84 rad/s（即13.4 Hz）[5]。
2 系統硬件實現
    兩軸穩定平臺的硬件組成框圖如5所示，包括數字信號處理器、可編程邏輯器件、串口接口芯片、陀螺、A/D轉換芯片、光柵編碼器、制動器和功率級等。

2.1 信號處理模塊
    本系統采用TMS320F28335為主控制器，該DSP由TI公司最新推出，具有浮點運算能力，其工作主頻為150 MHz，具有34 KB的內部RAM、256 KB的內部Flash、2個32 bit的光柵采集計數器，可以滿足兩軸穩定平臺的數據采集和算法實現。
2.2 數據采集模塊
    兩軸穩定平臺控制系統需要完成兩路光柵編碼器值和兩路陀螺值的采集，并實現與上位機的通信。編碼器值的采集是由TMS320F28335（DSP）自帶的外設QEP來完成，該模塊具有32 bit計數器和濾波功能，編碼正交信號和零位信號通過RS-422接口芯片與DSP相連；陀螺值的采集是通過外擴A/D采樣芯片AD7864來實現。AD7864轉換精度為12 bit，輸入電壓為-5 V~+5 V，四通道同時工作時最大速率為130 KS/s，AD7864與DSP外部接口(XINTF)如圖6(a)所示。

4 實驗結果
    把穩定平臺安裝在搖擺臺上，模擬飛機飛行姿態變化對平臺造成的擾動，以驗證穩定平臺的穩定精度，實驗結果如下。
4.1 模擬在拍攝狀態下的前向像移補償
    模擬上位機發送的飛行參數是：地速為1 000/(km/h)，飛行高度為12 km。由陀螺碼值計算公式ref_speed=AC_SPEED×1.0/AC_ALTITUDE×0.325 97和參考角速度計算公式(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°。得到上位機的拍攝命令后，記錄俯仰軸陀螺碼值如圖7所示，速度穩定度≤0.3°/s，滿足系統要求。
4.2 模擬等待狀態下穩定平臺的穩定性
    在上位機發送拍攝命令之前，穩定平臺處在等待狀態，穩定系統把上位機發送的飛行參數（載機俯仰角和橫滾角）進行換算后作為位置環的參考輸入，編碼器值作為位置閉環的反饋輸入，保持相機垂直地面。模擬結果：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，每個編碼器碼值為0.011°，誤差計算為0.22°，小于指向精度指標(≤0.55°)，滿足系統要求。

    本文詳細介紹了以TMS320F28335為主控制器的航空相機穩定平臺系統的硬件設計及其算法。通過搖擺臺測試可知，前向像移補償精度和垂直定位精度均滿足指標要求。
參考文獻
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