基于姿态稳定的可变角度高光谱成像系统及控制方法.pdf

本发明公开了一种基于姿态稳定的可变角度高光谱成像系统及控制方法；成像系统包括：基座；横滚环架；俯仰环架；俯仰电机；横滚电机；横滚电机驱动器；俯仰电机驱动器；俯仰电机光电编码器；横滚电机光电编码器；高光谱成像仪；45°指向镜；本发明利用PID三环控制，将需要改变的探测角度转化为俯仰电机位置环指令后叠加在俯仰轴姿态稳定指令上，实现俯仰轴方向的姿态稳定与高光谱成像光谱仪的探测角度可变的复合控制；本系统利用软件控制45°指向镜实现探测角度可变功能，降低了系统的复杂性和成本。

权利要求书
1.  一种基于姿态稳定的可变角度高光谱成像系统及控制方法，它包括基座(1)，横滚环架(2)，俯仰环架(3)，俯仰轴电机(4)，横滚轴电机(5)，横滚轴电机驱动器(6)，俯仰轴驱动器(7)，俯仰轴光电编码器(8)，横滚轴光电编码器(9)，高光谱仪(10)以及45°指向镜(11)；其特征在于:基座(1)固定在运动载体上，横滚轴电机(5)安装在横滚轴上，横滚环架(2)通过横滚轴与基座(1)连接，俯仰轴电机(4)安装在俯仰轴上，45°指向镜(11)固定在俯仰轴电机(4)上，俯仰环架(3)通过俯仰轴与横滚环架(2)连接，高光谱仪(10)固定在横滚环架(2)上，构成具有姿态稳定的可变角度高光谱成像系统。

2.  一种基于权利要求1所述一种基于姿态稳定的可变角度高光谱成像系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将高光谱成像仪(10)沿飞行方向水平放置在横滚环架(2)上，成像光学系统前面放置45°指向镜(11)用来实现对地成像；利用NI7830数据采集卡把POS获取的运动载体横滚方向的姿态变化作为横滚轴电机外置位置环控制指令，驱动横滚轴电机(5)带动横滚环架(2)反向运动补偿，实现运动载体横滚方向的姿态稳定；
2)利用NI7830数据采集卡把POS获取的运动载体俯仰方向的姿态信息作为俯仰轴电机外置位置环控制指令，驱动俯仰轴电机(4)带动45°指向镜(11)做1/2倍反向运动补偿，实现运动载体俯仰方向的姿态稳定；
3)利用NI7830数据采集卡把想要改变的探测角度转化为俯仰轴电机外置位置环控制指令，叠加在俯仰方向的姿态控制指令上，驱动俯仰轴电机(4)带动45°指向镜(11)按1/2倍指令转动，实现运动载体俯仰方向的姿态稳定与探 测角度可变复合控制。

说明书基于姿态稳定的可变角度高光谱成像系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种机载可见光高光谱成像系统，具体涉及一种具有姿态稳定、能够实现探测角度可变的机载高光谱成像系统及控制方法。
背景技术
传统的机载高光谱成像系统一般都是垂直探测的，这样单从一个探测角度很难充分获取地物目标的信息；而为了充分获取地物目标信息，一般都采用多角度探测的方式。目前为了获取多角度的高光谱数据都是在一套成像系统中安装多台高光谱仪，这样不可避免带来系统成本和复杂性问题。
由于运动载体的姿态变化会对高光谱仪的成像质量造成影响，因此目前的机载高光谱成像系统一般由成像系统和稳定平台两部分组成；其中稳定平台一般采用的都是通用稳定平台，这种通用稳定平台与高光谱成像系统是相互分离的，无法关联到一起实现集成化。
发明内容
综上所述，如何克服在一套系统中使用多台对高光谱仪带来的成本和系统复杂性的问题以及如何将稳定平台嵌入到高光谱成像系统中实现复合控制是本发明所要解决的技术问题；因此，本发明技术解决思路如下：
利用在NI7830采集卡中编写PID三环控制中的位置环再配合电机驱动器中自带的速度环和电流环将稳定平台嵌入到高光谱成像系统中，实现稳定平台可控，提高稳定精度。在此基础上，将角度指向命令叠加在稳定平台俯仰轴姿态稳定指令上实现俯仰方向的姿态稳定和角度指向。
本发明所采用的技术方案是：一种基于姿态稳定的可变角度高光谱成像系统及控制方法(图1)，系统包括基座1，横滚环架2，俯仰环架3，横滚轴电机4，俯仰轴电机5，横滚轴电机驱动器6，俯仰轴电机驱动器7，俯仰光电编码器8，横滚轴光电编码器9，高光谱仪10以及45°指向镜11。
基座1固定在运动载体上，横滚轴电机5安装在横滚轴上，横滚环架2通过横滚轴与基座1连接，俯仰轴电机4安装在俯仰轴上，45°指向镜11固定在俯仰轴电机4上，俯仰环架3通过俯仰轴与横滚环架2连接，高光谱仪10固定在横滚环架2上，构成具有姿态稳定的可变角度高光谱成像系统。
所述的可变角度高光谱成像系统的控制方法控制方法步骤如下:
1)将高光谱成像仪(10)沿飞行方向水平放置在横滚环架(2)上，成像光学系统前面放置45°指向镜(11)用来实现对地成像；利用NI7830数据采集卡把POS获取的运动载体横滚方向的姿态变化作为横滚轴电机外置位置环控制指令，驱动横滚轴电机(5)带动横滚环架(2)反向运动补偿，实现运动载体横滚方向的姿态稳定；
2)利用NI7830数据采集卡把POS获取的运动载体俯仰方向的姿态信息作为俯仰轴电机外置位置环控制指令，驱动俯仰轴电机(4)带动45°指向镜(11)做1/2倍反向运动补偿，实现运动载体俯仰方向的姿态稳定；
3)利用NI7830数据采集卡把想要改变的探测角度转化为俯仰轴电机外置位置环控制指令，叠加在俯仰方向的姿态控制指令上，驱动俯仰轴电机(4)带动45°指向镜(11)按1/2倍指令转动，实现运动载体俯仰方向的姿态稳定与探测角度可变复合控制。
本发明的优点在于：
1)本发明将稳定平台嵌入到高光谱成像系统中，减小了整个系统的重量 与体积，实现了稳定平台的可控，便于提高控制精度。有利于系统的小型化和集成化。
2)利用机载高光谱成像系统已有的硬件条件，通过软件控制转动实现探测角度可变的功能，降低了系统的成本和复杂性。
需要改变探测角度时，将需要改变的探测角度信息转化为俯仰电机外置位置环的控制指令，叠加在俯仰方向姿态稳定信息指令上，控制俯仰电机4带动45°指向镜11按1/2倍指令转动，从而实现探测角度可变的功能(图2).利用这种方法可以实时改变探测角度，可以在电机行程允许的范围内实现任意角度探测；降低了为获取多角度数据而使用的多角度探测器带来的系统复杂性和成本的问题。
附图说明
图1是基于姿态稳定的可变角度高光谱成像系统，其中：1.基座，2.横滚环架，3.俯仰环架，4.俯仰轴电机，5.横滚轴电机，6.横滚轴电机驱动器，7.俯仰轴电机驱动器，8.俯仰轴光电编码器，9.俯仰轴光电编码器10.高光谱仪11.45°指向镜。
图2是改变探测角度的光路示意图。
图3是PID三环复合控制示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
将本发明应用机载可变角度高光谱成像系统，根据应用需求选择PGP分光计、Imperx公司的B1920CCD相机和镜头搭建高光谱仪，根据高光谱仪尺寸大小设计基座，选择铝合金材料加工基座和横滚环架。选择平面玻璃镜作为45°指向镜，探测角度要求实现在偏离垂直方向正负10°内可变，选择行程合适的摆角式音圈电机作为横滚轴与俯仰轴的电机，45°指向镜和俯仰轴音圈电机组成俯仰环架。
采用基本的PID三环控制算法，在NI7830数据采集卡中编写电机PID三环控制中的位置环，利用编码器将电机角度实时反馈到NI7830采集卡中，与POS获取的运动载体方向的姿态变化做差分，将结果作为电机外置位置环输入控制指令。再配合电机驱动器中自带的速度环和电流环，驱动横滚电机5带动横滚环架2转动，实现横滚方向的姿态稳定；驱动俯仰电机4带动45°指向镜转动，实现俯仰方向的姿态稳定和探测角度可变的复合控制。