小型航空相机平台设计的稳定性提升策略

袁胜帮

摘要：随着我国航空事业的快速发展，尤其是小型无人机的广泛应用，人们在获取地理信息时的技术手段方面也发生了日新月异的变化。目前我国在进行国家地理信息采集、灾情监测、特大型工程建设、地质考察的过程中，越来越多依靠航空遥感相机监控手段。在某些特殊环境下（如地震后的震区监控、建筑的建设是否符合规划等），使用小型航空相機进行作业，可以有效提高工作效率，避免人员在进行实地勘察。本文对小型航空相机平台设计进行了详细的研究，并对提高其稳定性提出了相应的见解。

关键词：小型航空相机；平台设计；稳定性

前言

在现阶段我国的地理信息采集、灾情监测、工程建设、地质考察等领域中，其图像采集大量依靠人工现场采集的方法。这样的数据采集模式工作效率低下，人员劳动强度大，且危险性较高，对进行数据采集工作人员的生命安全造成了极大的威胁。而本文所提到的小型航空相机可以有效改善这一图像采集方式的弊端，而在使用小型航空相机进行工作的过程中，其平台设计中相应稳定性的提高也可以有效确保相机的拍摄水平，继而实现高水准的图像采集。

1.小型航空相机平台稳定性的总体设计方案

小型航空相机是我国目前进行航空图像采集的主要工具，其具有机动性能强、时效性能高、目的性准确、生产投入小等优点[1]。而陀螺稳定平台是小型航空相机的主要组成部分，陀螺稳定平台可以适用于多种类型的航空飞机拍摄，并能提高航空相机的稳定性水平，对飞机飞行过程中的干扰进行有效隔离，从而实现图像采集稳定、清晰等目的。

1.1陀螺稳定平台的功能

通常情况下，小型航空相机在进行飞行拍摄的过程中经常会受到气流和机身震动等多重影响，使得机体无法保持平衡，为小型航空相机的指定区域进行高精度拍摄任务带来了很大的困难。而航空摄像陀螺稳定平台可以对航空拍摄过程中的小型航空相机系统进行有效控制，继而实现小型航空相机在拍摄过程中的系统平台稳定性，使得小型航空相机能够完成对图像精准的拍摄任务。与此同时，由于在拍摄过程中，飞机处于不断运动的状态，使得被照物体与光感介质之间存在着相对运动，使得拍摄的图像成像质量较差。故陀螺稳定平台在实际设计过程中，必须在保持小型航空相机系统稳定的基础上同时具备像移补偿功能。

1.2陀螺稳定平台的设计方案

为了使陀螺稳定平台可以达到以上功能，故陀螺稳定平台在设计过程中将采用双轴稳定的方案。具体方案如下：

首先，选取两个单轴陀螺，就将其分别安装于陀螺稳定平台的内环通道和外环通道中，其目的在于感知外界在陀螺平台横向滚动以及俯仰方向上所产生的角速率扰动信号，继而消除由载机扰动所造成的图像移动。

其次，在陀螺稳定平台设计过程中，可以安放水平陀螺仪，并将其作为小型航空相机拍摄系统的敏感地理坐标系的基准传感器，从而使得小型航空相机的光轴能够处于始终飞行的状态，并可以在地理坐标系内保持稳定。

陀螺稳定平台在设计过程中，可以根据陀螺稳定平台的功能及其实际工作情况，对其内环通道上的像移补偿和外环通道上的步进摆动的技术指标进行调控。根据小型航空相机系统的相关指令，对相机陀螺稳定平台中的外环运动在规定时间内实行指定位置的设定，实现陀螺稳定平台的步进摆动功能；与此同时，小型航空相机陀螺稳平台中的内环通道可以根据小型航空相机系统的相应控制指令对飞机飞行时所产生的像移进行补偿，并同时提供隔离干扰功能。

陀螺稳定平台系统的电路设计采用模拟电路、单片机以及线性功放进行组合，该种电路设计能够方便、灵活的实现陀螺稳定平台的控制功能。陀螺稳定平台控制系统中的稳定功能、位置回路控制以及电机驱动电路在模拟电路部分得到了有效的实现。在设计过程中，小型航空相机管控系统通过与陀螺稳定平台中的单片机进行通信和指令配合，继而实现了小型航空相机拍摄过程中的时序控制、电压输出的步进摆动控制、电压输出的像移补偿控制，使陀螺稳定平台的稳定回路与位置回路的切换功能得到了良好的运用[2]。

2.小型航空相机平台稳定性的设计原理

就目前的实际情况来看，小型航空相机的陀螺稳定平台的速度回路是由测速机、电机以及功率放大器所共同构成。通过对于测速的反馈能够有效减小稳定回路的非线性，并以此提高回路的响应时间，从而使电机能够运转平稳。小型航空相机的速度回路、陀螺以及控制电路共同构成了稳定回路，能应用于整个稳定平台的去耦，降低载机的运动对于小型航空相机所造成的扰动。小型航空相机在进行实际拍摄时，其稳定平台必须在地理坐标系当中保持水平状态，由此看来，稳定平台必须要具有地理水平的基准。

除了地理水平的基准之外，小型航空相机的稳定平台还需要对平台内外的框架角度进行采样，以此控制平台设计的稳定性。因此在实际设计中，稳定平台需要在俯仰以及横滚这两个方向上装置带有框架角的传感器[3]。单片机按照当前所具有的水平位置和框架角的角度，控制小型航空相机保持一定的水平方向。单片机还能应用于对陀螺的漂移进行补偿，以此减小整个稳定平台的漂移速度。

为了能从根本上补偿飞机运动中所产生的像移问题，小型航空相机稳定系统中设置有像前移的补偿电路。稳定平台系统的单片机根据载机送来的速度和高度信息，通过对其计算，能够得出相应的控制信号，最终实现对于像前移的补偿。

3.结论

综上所述，使用小型航空相机进行数据收集可以有效减少人为的失误，提高工作效率。而在设计小型航空相机平台的过程中，加强对其稳定性的提升，可以有效抑制小型航空相机在运作时所产生的系统扰动，继而减小其跟踪误差，使得小型航空相机在使用过程中的跟踪精确度、跟踪速度以及误差判断能力得到有效提高。

参考文献：

[1]李军杰，左建章，刘宗杰.一种高精度轻小型航空遥感系统的集成与应用[J].测绘科学，2012，05（12）：176-178.

[2]张振东，徐涛，刘廷霞.航空相机稳定平台控制算法设计及其像移补偿[J].电子技术应用，2012，11（09）：24-27.

[3]李英成，朱祥娥，齐艳青.附加约束条件的光束法区域网平差在四拼数码航空相机平台检校中的应用[J].测绘学报，2014，01（29）：66-73-82.