三轴稳像航空相机像移补偿方法及其控制技术研究.pdf

摘要

摘要

随着航天技术的快速发展，航空科技也得到了快速的发展，航空相机的发展是

其中的典型代表。在航空相机得到广泛应用的同时，对航空相机的成像质量要求也

越来越高。航空相机一般工作在上千米的高空中，其工作环境比较复杂，温度变化

以及机身振动等因素都会对航空相机的成像质量造成影响。其中，载机的快速飞行

以及飞行姿态的变化等因素都会产生像移，像移的产生会降低航空相机的分辨率，

使拍摄的图像变得模糊。

本文以课题组研制的搭载三轴稳定平台的航空相机为研究对象，提出了一种基

于三轴稳定平台的像移补偿方法，并对该方法进行了仿真验证以及成像实验验证。

最后，针对三轴稳定平台控制系统，在满足航空相机成像需求的前提下，设计了三

轴稳定平台PID控制方案，通过控制三轴稳定平台实现航空相机的像移补偿。具体

研究内容如下：

(1)从理论分析出发，引入齐次坐标变换法的概念，并简单的介绍齐次坐标变换

法。根据航空相机的结构简图建立航空相机成像坐标系并计算各相邻坐标系之间的

齐次坐标变换矩阵。随后，分析航空相机在工作状态下影响其成像质量的因素。最

后，使用齐次坐标变换法计算像移的数学模型。

(2)对本文所提出的基于三轴稳定平台的像移补偿方法进行详细介绍，并进行仿

真验证以及实验验证。首先，对遗传算法进行简单的介绍，并使用MATLAB对像移

数学模型进行仿真分析，以此来证明本文所提出的像移补偿方法的可行性。随后，

使用遗传算法针对航空相机载机的某一飞行姿态进行像移补偿，使用调制传递函数

(MTF)来评估像移补偿的结果是否满足光学系统性能的要求，并对本文所提出的像

移补偿方法进行优化分析，并使用遗传算法对航空相机载机的飞行姿态进行寻优。

最后，设计航空相机成像实验，验证本文所提出的基于三轴稳定平台的像移补偿方

法的有效性。

(3)针对三轴稳定平台控制系统结构提供一个系统辨识方法—递归最小二乘算法。

首先，对系统辨识的内容以及辨识步骤做简单的介绍。然后，针对三轴稳定平台建

立系统辨识模型结构，并推导系统辨识的数学模型，并根据最小二乘算法原理计算

系统辨识的目标函数，并推导计算出递归最小二乘辨识方法的数学模型。最后，使

用MATLAB对所提出的系统辨识方法进行仿真分析。

(4)使用PID控制对三轴稳定平台进行像移补偿控制。首先，简单介绍PID控制

系统，并且使用Simulink搭建PID控制系统仿真模型，分别对P控制、PI控制、PD

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摘要

控制以及PID控制进行仿真，根据阶跃响应曲线图对仿真结果进行分析。最后，对

PID控制系统进行参数整定，并使用整定后的参数对控制系统做仿真分析。

关键词：像移补偿三轴稳定平台遗传算法系统辨识PID控制

II

Abstract

Abstract

Withtherapiddevelopmentofaerospacetechnology,aviationtechnologyhas

inevitablyalsobeendevelopedrapidly,andthedevelopmentofaviationcamerasisatypical

representativeofit.Whiletheaviationcamerasarewidelyused,therequirementsforthe

imagingqualityofaviationcamerasarealsogettinghigherandhigher.Aerialcameras

generallyworkathighaltitudeofthousandsofmeters,andtheirworkingenvironmen