小型航空相機平臺設計的穩定性提升策略

袁勝幫

摘要：隨著我國航空事業的快速發展，尤其是小型無人機的廣泛應用，人們在獲取地理信息時的技術手段方面也發生了日新月異的變化。目前我國在進行國家地理信息采集、災情監測、特大型工程建設、地質考察的過程中，越來越多依靠航空遙感相機監控手段。在某些特殊環境下（如地震后的震區監控、建筑的建設是否符合規劃等），使用小型航空相機進行作業，可以有效提高工作效率，避免人員在進行實地勘察。本文對小型航空相機平臺設計進行了詳細的研究，并對提高其穩定性提出了相應的見解。

關鍵詞：小型航空相機；平臺設計；穩定性

前言

在現階段我國的地理信息采集、災情監測、工程建設、地質考察等領域中，其圖像采集大量依靠人工現場采集的方法。這樣的數據采集模式工作效率低下，人員勞動強度大，且危險性較高，對進行數據采集工作人員的生命安全造成了極大的威脅。而本文所提到的小型航空相機可以有效改善這一圖像采集方式的弊端，而在使用小型航空相機進行工作的過程中，其平臺設計中相應穩定性的提高也可以有效確保相機的拍攝水平，繼而實現高水準的圖像采集。

1.小型航空相機平臺穩定性的總體設計方案

小型航空相機是我國目前進行航空圖像采集的主要工具，其具有機動性能強、時效性能高、目的性準確、生產投入小等優點[1]。而陀螺穩定平臺是小型航空相機的主要組成部分，陀螺穩定平臺可以適用于多種類型的航空飛機拍攝，并能提高航空相機的穩定性水平，對飛機飛行過程中的干擾進行有效隔離，從而實現圖像采集穩定、清晰等目的。

1.1陀螺穩定平臺的功能

通常情況下，小型航空相機在進行飛行拍攝的過程中經常會受到氣流和機身震動等多重影響，使得機體無法保持平衡，為小型航空相機的指定區域進行高精度拍攝任務帶來了很大的困難。而航空攝像陀螺穩定平臺可以對航空拍攝過程中的小型航空相機系統進行有效控制，繼而實現小型航空相機在拍攝過程中的系統平臺穩定性，使得小型航空相機能夠完成對圖像精準的拍攝任務。與此同時，由于在拍攝過程中，飛機處于不斷運動的狀態，使得被照物體與光感介質之間存在著相對運動，使得拍攝的圖像成像質量較差。故陀螺穩定平臺在實際設計過程中，必須在保持小型航空相機系統穩定的基礎上同時具備像移補償功能。

1.2陀螺穩定平臺的設計方案

為了使陀螺穩定平臺可以達到以上功能，故陀螺穩定平臺在設計過程中將采用雙軸穩定的方案。具體方案如下：

首先，選取兩個單軸陀螺，就將其分別安裝于陀螺穩定平臺的內環通道和外環通道中，其目的在于感知外界在陀螺平臺橫向滾動以及俯仰方向上所產生的角速率擾動信號，繼而消除由載機擾動所造成的圖像移動。

其次，在陀螺穩定平臺設計過程中，可以安放水平陀螺儀，并將其作為小型航空相機拍攝系統的敏感地理坐標系的基準傳感器，從而使得小型航空相機的光軸能夠處于始終飛行的狀態，并可以在地理坐標系內保持穩定。

陀螺穩定平臺在設計過程中，可以根據陀螺穩定平臺的功能及其實際工作情況，對其內環通道上的像移補償和外環通道上的步進擺動的技術指標進行調控。根據小型航空相機系統的相關指令，對相機陀螺穩定平臺中的外環運動在規定時間內實行指定位置的設定，實現陀螺穩定平臺的步進擺動功能；與此同時，小型航空相機陀螺穩平臺中的內環通道可以根據小型航空相機系統的相應控制指令對飛機飛行時所產生的像移進行補償，并同時提供隔離干擾功能。

陀螺穩定平臺系統的電路設計采用模擬電路、單片機以及線性功放進行組合，該種電路設計能夠方便、靈活的實現陀螺穩定平臺的控制功能。陀螺穩定平臺控制系統中的穩定功能、位置回路控制以及電機驅動電路在模擬電路部分得到了有效的實現。在設計過程中，小型航空相機管控系統通過與陀螺穩定平臺中的單片機進行通信和指令配合，繼而實現了小型航空相機拍攝過程中的時序控制、電壓輸出的步進擺動控制、電壓輸出的像移補償控制，使陀螺穩定平臺的穩定回路與位置回路的切換功能得到了良好的運用[2]。

2.小型航空相機平臺穩定性的設計原理

就目前的實際情況來看，小型航空相機的陀螺穩定平臺的速度回路是由測速機、電機以及功率放大器所共同構成。通過對于測速的反饋能夠有效減小穩定回路的非線性，并以此提高回路的響應時間，從而使電機能夠運轉平穩。小型航空相機的速度回路、陀螺以及控制電路共同構成了穩定回路，能應用于整個穩定平臺的去耦，降低載機的運動對于小型航空相機所造成的擾動。小型航空相機在進行實際拍攝時，其穩定平臺必須在地理坐標系當中保持水平狀態，由此看來，穩定平臺必須要具有地理水平的基準。

除了地理水平的基準之外，小型航空相機的穩定平臺還需要對平臺內外的框架角度進行采樣，以此控制平臺設計的穩定性。因此在實際設計中，穩定平臺需要在俯仰以及橫滾這兩個方向上裝置帶有框架角的傳感器[3]。單片機按照當前所具有的水平位置和框架角的角度，控制小型航空相機保持一定的水平方向。單片機還能應用于對陀螺的漂移進行補償，以此減小整個穩定平臺的漂移速度。

為了能從根本上補償飛機運動中所產生的像移問題，小型航空相機穩定系統中設置有像前移的補償電路。穩定平臺系統的單片機根據載機送來的速度和高度信息，通過對其計算，能夠得出相應的控制信號，最終實現對于像前移的補償。

3.結論

綜上所述，使用小型航空相機進行數據收集可以有效減少人為的失誤，提高工作效率。而在設計小型航空相機平臺的過程中，加強對其穩定性的提升，可以有效抑制小型航空相機在運作時所產生的系統擾動，繼而減小其跟蹤誤差，使得小型航空相機在使用過程中的跟蹤精確度、跟蹤速度以及誤差判斷能力得到有效提高。

參考文獻：

[1]李軍杰，左建章，劉宗杰.一種高精度輕小型航空遙感系統的集成與應用[J].測繪科學，2012，05（12）：176-178.

[2]張振東，徐濤，劉廷霞.航空相機穩定平臺控制算法設計及其像移補償[J].電子技術應用，2012，11（09）：24-27.

[3]李英成，朱祥娥，齊艷青.附加約束條件的光束法區域網平差在四拼數碼航空相機平臺檢校中的應用[J].測繪學報，2014，01（29）：66-73-82.