小型机载相机稳定平台设计及其对成像质量的影响

发布时间：2020-06-27 14:11

【摘要】：飞机在航拍和航测的过程中,其上搭载的相机,要很好的完成航拍任务,需要保证相机视轴的稳定且在惯性空间内保持垂直。但是由于飞机会受到外界干扰或者自身飞行姿态的调整,导致飞机上直接搭载的航拍相机视轴可能会产生偏移,无法在惯性空间内保持垂直,影响成像质量。这时,可以通过优化光学成像系统或者对图片进行后期处理的方法来提高成像质量,也可以通过直接在飞机和相机之间安装相机稳定平台来稳定相机视轴的方式提高成像质量[1]。将相机安装在相机稳定平台上,通过稳定平台上的传感器感知相机的运动以及相机视轴相对于惯性空间垂直方向的角度,并将感知到的信号传递给控制部分,然后控制部分控制电机运动,驱动稳定平台的各个轴系产生相应的运动来补偿相机的运动,使相机视轴在惯性空间内保持垂直。这样可以有效提高相机的成像质量,方便工作人员对图片进行后期处理。国外已有很多国家对相机稳定平台进行研究,并取得了不错的成绩。例如瑞士徕卡公司设计生产的PAV系列稳定平台,德国公司设计生产的GSM3000稳定平台以及美国公司生产的T-AS稳定平台等[2,3]。以上这些产品的精度都比较高,使用起来非常的方便且性能优良。但是国外设计生产的这些相机稳定平台,它们的控制接口是不对外开放的,因此,这些产品不能相互通用。这样的话,如果使用国外设计生产的相机稳定平台是远远不能满足国内对于航拍或者航测的要求的。而稳定平台精度对相机的成像质量影响较大,稳定平台精度越高,其上搭载的传感器精度就要越高,越高精度的传感器,体积也会相应较大。但是,稳定平台的体积越小越便于在飞机上安装。因此,稳定平台整体精度的提高和小型化是发展的主要趋势,也是本设计的重点。首先,本文对小型机载相机稳定平台的结构进行了设计,采取三轴三框架式的结构,对稳定平台每个轴系根据一定的要求进行设计,使得稳定平台各个部分的结构和尺寸可以满足使用要求[4]。并对稳定平台的电机进行选型,保证稳定平台可以实现相应的运动。其中,稳定平台的方位环采用了密珠轴承的结构,这样不仅可以提高稳定平台的精度也可以有效的节约空间。其次,本文对小型机载相机稳定平台进行了整体的精度分配和计算。先把稳定平台分成三个方向进行研究,再在每一个方向上,合理选择传感器精度、机械加工精度以及装配精度,最终保证相机视轴的指向精度在0.050°之内。接下来,本文对小型机载相机稳定平台的结构做了有限元分析。对稳定平台分别进行静力学分析、模态分析、随机振动分析以及冲击振动分析。保证稳定平台的结构具有很好的强度和刚度,满足在负载和受到振动干扰的情况下正常工作。最后,本文分析了,当相机安装在所设计的小型机载相机稳定平台上时,稳定平台对相机成像质量的影响。当使用本文设计的指向精度为0.050°的稳定平台时,可以有效提高相机地面像元分辨力,满足航拍和航测的精度要求。总之,本文通过设计小型机载相机稳定平台的机械结构和对其进行精度分配设计等,保证了稳定平台的指向精度可以达到0.050°。通过使用有限元分析软件模拟相机稳定平台实际的工作环境来检验所设计的稳定平台是否可以在实际工作中正常使用。通过分析搭载稳定平台后对成像质量的影响,可以得出,本文设计的小型机载相机稳定平台可以有效提高相机地面像元分辨力等,进而提高相机成像质量。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V245.6
【图文】：

稳定平台,相机,稳定范围,总精度

其在任意轴的自动稳定范围为±５°，总精度为０．８°。徕卡公司设计生产的ＰＡＶ３０，逡逑其横滚角、俯仰角的稳定范围为：ｔ５°，偏航角的稳定范围为±３０°，总精度为０．５°。逡逑该公司生产的ＰＡＶ８０，如图１－１所示，其横滚角稳定范围为士７°；俯仰角稳定范围逡逑为－８°至＋６°邋；偏航角稳定范围为±３０°，其总精度可以达到０．０２°［７］。徕卡公司生逡逑产的ＰＡＶ１００稳定平台虽然与ＰＡＶ８０稳定平台在各方向的稳定角度范围以及总精逡逑度相同，但ＰＡＶ１００稳定平台可以搭载更多类型的传感器，并且可以实现更多的功逡逑能。逡逑图１－１徕卡ＰＡＶ８０相机稳定平台逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋ＰＡＶ８０邋ｃａｍｅｒａ邋ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｏｆ邋Ｌｅｉｃａ逡逑ｌ逡逑

影像,稳定平台,图像,问题

飞机在进行航拍或航测的过程中，在航行时会受到气流影响而产生晃动，或逡逑者由于自身的运动，使得其上直接安装的相机，视轴无法在惯性空间垂直方向上逡逑保持稳定［１１］。此时，如图１－２所示，飞机在飞行过程中拍摄的图像会出现重复成逡逑像、影像严重拉伸等问题。逡逑图１－２未安装稳定平台时，图像易出现的问题逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｐｒｏｂｌｅｍｓ邋ｗｉｔｈ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｗｈｅｎ邋ｎｏ邋ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ邋ｉｎｓｔａｌｌｅｄ逡逑针对上述情况，有必要在飞机和相机之间安装相机稳定平台，这样不仅可以逡逑建立稳定的工作基准面隔离这些扰动，也可以对相机的姿态变化进行修正使相机逡逑的视轴在惯性空间内具有较高的指向精度。当相机保持稳定并且相对于垂直方向逡逑的角度较小时，可以有效提高相机拍摄图片的质量，进而减轻工作人员后期处理逡逑２逡逑

【参考文献】