飞行器侧摆和前后摆对空间相机成像质量的影响

通过分析飞行器侧摆和前后摆对成像质量的影响,提出了空间相机对飞行器侧摆角和前后摆角范围的要求以获取高信噪比和高分辨力的图像。根据空间相机像移产生的机理,给出了侧摆和前后摆情况下像移计算参数的公式,及侧摆角和前后摆角引起的像移。使用调制传递函数作为图像质量的评价依据,确定了满足空间相机成像质量要求的侧摆角和前后摆角范围。分析了侧摆和前后摆对地面像元分辨力的影响。通过计算得出,满足积分级数为96级,调制传递函数不小于0.95的要求,当相机成像时侧摆角和前后摆角的控制误差为0.1°,侧摆角和前后摆角应不大于4.8°;或当侧摆角和前后摆角的控制误差为0.05°,侧摆角和前后摆角应不大于9.5°。实验结果表明,本文提出的方法简单,易于实现,适用于空间相机成像质量的研究。     

空间相机调偏流机构设计与控制

位了减小像移对空间相机成像质量的影响,提高相机分辨率,对空间相机像移补偿方法进行了研究。首先,分析了偏流角产生的原因及调整原理,根据本相机自身特点,设计了高精密像移补偿机构。系统采用正弦机构作为传动形式,以80C31作为偏流角控制器,以步进电机为执行元件,以绝对式编码器作为偏流角测量元件,实现了偏流角位置闭环控制。由于偏流角调整范围在-4°～ +4°之间,以-4°、-2°、0°、+2°、+4°作为假想偏流角期望值,用编码器测得了10组偏流角调整实际数据。实验结果表明：偏流角控制系统精度可达到2′,满足系统对控制系统精度小于3′的要求,可以用于像移补偿机构,实现高精度的像移补偿。     

航相机像移补偿计算的坐标变换方法

由于航空、航天照相要求的分辨力愈来愈高,对像移补偿系统的要求愈来愈高.要求对产生像移速度的诸因素考虑得更为全面,也就是影响像移速度的诸因素的测量精度和像移速度的计算模型要更精确.本文应用坐标变换方法进行了航相机的像移补偿计算.首先归纳了航空航天相机(简称航相机)中像移补偿的原理、技术途径和实现方法.其次给出航相机光学系统和运动形式的齐次坐标变换,实现了像移补偿计算模型的各个基本要素,从而提出了像移补偿计算的一般数学模型,此模型适用于各种航相机的像移速度和像移补偿计算.再次,对应用坐标变换方法进行像移补偿计算作了详细归纳,最后简单讨论了对像移速度矢量公式的简化方法和像移补偿误差计算方法,以期得到满足计算精度的简化表达式.通过计算模型四个环节的变化,可以将此方法应用到各类航相机像移补偿系统.     

机载成像系统像移计算模型与误差分析

研究了机载成像系统的像移及其对成像质量与相机分辨率的影响。为准确获取像移矢量,实现成像系统像移补偿,提出了一种基于坐标变换的机载成像系统像移计算模型。通过线性坐标变换,建立了从地面目标景物到成像系统像面的坐标变换模型,推导了地面目标景物在成像系统像面的解析表达式,根据坐标在相机积分时间内的变化来确定像移矢量。分析了成像系统像移误差的主要来源,讨论了载机轨道坐标、飞行姿态角和相机视轴角误差对像移计算结果的影响,采用蒙特卡罗方法分析和统计了像移计算误差。样本实验结果表明,在载机姿态角和相机摆角不变条件下,像移量与载机速度成正比,与目标距离成反比,像移误差随着参数误差的增加而增加,其中载机经度和纬度误差是影响像移计算误差的重要因素。结果显示本文方法对机载成像系统的像移补偿具有实用价值。     

基于DSP的空间相机像移速度计算的研究

为了精确匹配地物运动在空间相机像面产生的像移,实现了以WGS-84坐标系下航天器位置向量及速度向量,航天器轨道坐标系下姿态角及姿态角速率作为输入参数的像移速度计算方法。首先,在原有像移速度计算模型的基础上选取了惯性坐标系,降低了求解轨道倾角和降交点经度的复杂性。并通过球面几何的余弦定理直接求解航天器与降交点相对地心夹角的余弦值,避免了原像移速度计算模型中通过判断卫星飞行方向和星下点纬度来求解航天器与降交点相对地心夹角的余弦值的过程。接着,将星下点的经度和纬度与FLASH地址有机的联系在一起,避免了访问高程数据时繁琐的查表过程。然后,通过分析像移速度残差对相机MTF的影响,评估了像移速度计算模型的可行性。最后,在TI的DSP上实现了像移速度计算的整个过程。分析及实验结果表明,像移速度计算残差为1.5‰,引起的相机MTF下降为1％,像移速度计算时间小于2ms。满足空间相机对像移速度的计算精度和计算时间的要求。     

空间相机像移速度计算方法及DSP实现

为了精确匹配地物运动在空间相机像面上产生的像移,实现了以WGS-84坐标系下航天器位置向量及速度向量、航天器轨道坐标系下姿态角及姿态角速率作为输入参数的像移速度计算方法.首先,在原有像移速度计算模型的基础上选取惯性坐标系,降低了求解轨道倾角和降交点经度的复杂性.通过球面几何的余弦定理直接求解航天器与降交点相对地心夹角的余弦值,避开了原像移速度计算模型中通过判断卫星飞行方向和星下点纬度来求解航天器与降交点相对地心夹角余弦值这一过程.然后,有机联系星下点的经度和纬度与FLASH的地址,避开访问高程数据时繁琐的查表过程.通过分析像移速度残差对相机MTF的影响,评估了像移速度计算模型的可行性.最后,在TI的DSP上实现了像移速度的整个计算过程.分析及实验结果表明,像移速度计算残差为0.15%,引起相机的MTF下降为1%,像移速度计算时间＜2 ms,满足空间相机对像移速度的计算精度和计算时间等要求.     

大视场空间相机的像移速度场模型及卫星三轴姿态稳定度分析

针对大视场空间相机的像移补偿,建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响,推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例,分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点,研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明,卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降,其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大;并且随着积分级数增加,下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时,对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限,积分级数为96级的大视场空间相机,要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析,证明了像移速度场模型的准确性,为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。     

直线位移微机自动测量系统

为了在空间遥感详查相机研制工作中准确、有效地评价像移补偿系统的像移补偿效果,提出了采用分辨率为0.4μm的光栅尺作为像移补偿片台直线位移的检测元件,采用微机实现直线位移自动测量的检测方法并给出了详细设计思路,包括系统的硬件设计和软件设计。系统具有手动采样、定时采样、外同步采样等多种位移数据读取方式,并可以实时计算出像移补偿片台的位移、速度和速度误差。在实际工程检测应用中实现了极限误差优于0.5μm的检测精度。     

面阵彩色航空遥感相机前向像移补偿机构精度分析

考虑航空遥感相机中前向像移补偿机构的运动精度会直接影响相机分辨率,本文对相移补偿机构的补偿精度进行了分析。首先,研究了面阵彩色航空遥感相机的机械式前向像移补偿机构的特点,给出了对应于曝光时间的前向像移补偿速度残差的许用值;其次,分析了影响像移补偿精度的主要误差来源,建立了速度补偿残差的数学模型,并运用MonteCarlo算法对其进行了仿真分析;最后,通过动态目标发生器成像试验对仿真结果进行验证。试验结果显示,前向像移补偿机构的速度补偿残差3σ为395.6μm/s,与仿真分析结果400μm/s基本一致,说明该精度分析方法可以比较准确地确定前向像移补偿精度。     

TDI-CCD全景航空相机前向像移补偿的数字实现方法

为了提高航空相机的照相分辨率,必须对航空相机拍照时飞行方向上景物与感光介质之间存在相对运动产生的前向像移进行补偿,以使景物与感光介质在拍照过程中相对静止.分析了TDI-CCD全景航空相机产生前向像移的原因、像移补偿精度与伺服系统指标之间的关系,以及补偿机构-反射镜的工作方式;然后,提出了一种基于定点数字信号处理器的控制系统来实时实现前向像移补偿的算法.深入讨论了数字伺服控制系统中的补偿精度、算法选择、相位计算、时间约束等关键问题,并给出了一种适合于工程实际的硬件结构与软件流程.实验结果表明,速度环的稳速误差为0.85%,带来的像移为0.425 μm,位置环的归位时间为0.8 s,满足系统总体要求.     

立式加工中心空间几何误差辨识解析及定位误差补偿研究

为大幅提升立式加工中心加工精度,满足当代数控机床对高精度的需求,针对立式加工中心3个运动轴,深入分析了其轴向运动空间几何误差,提出了可有效辨识运动轴轴向运动空间6项几何误差的辨识方法.建立了空间6项几何误差辨识模型,并针对关联轴联动垂直度误差进行了有效分析,建立了垂直度误差辨识解析模型.同时,针对3个独立运动轴轴向定位...     

基于惯性传感组件和 BP 神经网络的 防冲钻孔机器人钻具姿态解算

钻孔卸压是高地应力矿井治理冲击地压的首要措施,对实施钻孔作业的防冲钻孔机器人钻具姿态准确测量是保障钻孔位置及卸压效果的前提。为此,本文提出了基于惯性传感组件和BP神经网络的防冲钻孔机器人钻具姿态解算方法,通过设计惯性传感组件的空间阵列式布局方式(空间阵列式IMU),建立了空间阵列式IMU的数据融合模型及位姿解算模型,实现了钻具姿态的高精度解算。在此基础上,提出了基于BP神经网络的惯性传感组件误差补偿方法,建立了钻具姿态解算误差补偿模型,并通过钻具模拟运动的解算分析对空间阵列式IMU解算和误差补偿方法的可行性进行了验证。最后,通过搭建的防冲钻孔机器人钻具姿态监测实验平台,对不同方法的钻具解算结果进行对比分析。实验结果表明,在BP神经网络模型进行误差补偿后,本文所提方法解算出的钻具姿态精度明显提高,钻具方位角、倾角和横滚角的平均误差分别为0.099°、0.079°和0.045°,有效抑制了惯性传感组件的漂移和误差积累,且钻具姿态解算误差曲线没有出现发散现象。因此,该方法可以持续稳定地对防冲钻孔机器人钻具姿态进行可靠监测,具有较高的推广应用价值。     

基于递推最小二乘法的地磁测量误差校正方法

针对弹体地磁测量容易受到各种误差影响而导致地磁姿态测量精度降低的问题,在分析自身误差和环境误差的基础上,对椭球模型的地磁测量误差进行建模,采用最大似然估计解算静态误差补偿参数,以解算结果为初值,通过递推最小二乘法推到补偿参数的实时更新算法,综合以上研究,形成用于地磁测量误差补偿的在线组合校正方法。仿真及实验结果表明,在接近盲区方向的最大姿态角误差小于5°,在线组合校正能够保证姿态检测系统在不同射向条件下的精度。     

航空摆扫相机转弯成像像移分析及补偿

为保证航空摆扫相机转弯成像过程中的成像质量,对其像移计算及补偿方法进行了研究。根据航空摆扫相机的成像原理,利用几何建模及速度矢量分解建立了转弯成像像移计算模型,给出了基于均值补偿的转弯前向像移补偿方法。转弯前向像移补偿分析表明:相机焦距为500 mm,曝光时间为0.01 s,速高比为0.02 rad/s,纵向视场角为10°,转弯角速度为0.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为2.22μm;转弯角速度为1.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为3.36μm。另外,转弯横向像移补偿分析表明:横向像移量随纵向视场角幅值的增加而增大,曝光时间为0.005 s,横向视场角为30(°),转弯角速度为1(°)/s时,横向像移量在纵向视场角为4.5°时达到3μm。转弯成像试飞实验结果表明:得到的图像像质优良,无几何形变,前向像移补偿良好,验证了本文提出的转弯成像像移补偿方法的正确性。     

航空相机像旋补偿双向控制中的内环补偿器设计

为解决航空相机摆扫成像过程中存在的像旋问题,采用四通道双向控制系统对像旋进行补偿。在系统中,基于鲁棒内环补偿器结构进行了内环补偿器设计。首先利用H∞混合灵敏度优化方法求解鲁棒内环补偿器中的鲁棒控制器,再结合参考模型确定系统的滤波器,进而得到系统化设计的内环补偿器。保证系统鲁棒稳定性的同时尽可能提高干扰抑制性能,进而在两者间折衷提高双向控制像旋补偿精度。实验结果显示,本方法能够有效抑制等效干扰的影响,提高消旋补偿的精度。动态扫描下位置补偿误差的最大值和均方根分别为(1.81×10~(-3))°、(5.224 74×10~(-4))°,与传统设计相比,补偿误差分别减小了41.99%、41.73%,提高了四通道双向控制系统的像旋补偿精度。     

基于空间距离约束的姿态角现场精度评定方法

针对大型精密工程现场姿态测量精度评定的需求,提出了一种利用长度计量基准溯源姿态测量结果的姿态角现场精度 评定方法。 首先,介绍了激光跟踪姿态测量系统的基本组成及测量原理;其次,基于六自由度并联机构的正向运动学研究,建立 了空间距离与靶标姿态之间的数学模型,并通过蒙特卡洛法仿真分析距离约束测量精度、控制场布局以及系统工作距离等因素 对评定模型精度的影响;最后,搭建实验平台,利用精密转台的相对转动量作为角度基准,对本文研究方法的可行性进行了验 证。 结果表明:当距离约束测量精度为 0. 038 mm,控制场大小为 1 400 mm×1 400 mm 时,在-20° ~ 20°的姿态角变化范围内,评 定模型方位角精度为 0. 055°,俯仰角精度为 0. 058°。 本文研究方法避免了基于角度基准评定方法中较为严格的坐标系配准要 求,能综合反映测量系统现场使用状态,可为六自由度激光跟踪测量系统中姿态角现场精度评定方法提供参考。     

非合作航天器逆深度参数化姿态估计

为了实现对空间失效卫星、空间碎片等非合作目标,尤其是具有自旋运动特性的目标进行在轨服务或者离轨清除,需要精确完成追踪飞行器与目标飞行器之间的相对姿态测量。首先,以逆深度参数化表示相机在世界坐标系下的坐标值、高低角、方位角和深度信息,可以有效解决小视差情况下的单目视觉姿态估计。其次,建立了相机相对于非合作目标的运动模型和测量模型。最后,基于单点随机抽样和扩展卡尔曼滤波实现了相机和目标之间的相对运动姿态估计。实验结果表明:对于三轴稳定目标,接近过程中姿态测量精度约为0.5°;对于匀速慢旋目标,相对角度误差约为3.5%,平均角速度误差约为0.1°/s。可以满足工程上空间非合作目标相对姿态测量的使用需求。     

可变胞并联机械臂样机的研制与误差分析

提出了一种通过驱动副锁定组合实现变胞的超冗余并联机械臂,其基础构型是3-PUPS并联机构,对机械臂进行了误差建模与分析,并通过标定系统测量了机械臂实验样机的定位误差。首先,提出了通过对3-PUPS机构各驱动副的组合锁定实现机械臂变胞的设计思路,从而使机械臂可以根据任务需求改变自身构型和性能;然后,采用含误差源的闭环矢量回路法,建立了机械臂3-PUPS机构的误差传递模型,并以此为基础,分析了机械臂的各误差源对其运动平台输出误差的影响规律;接着,根据各误差源对机械臂的输出误差影响程度,确定了各主要运动副配合零件的加工精度等级及公差,在此基础上研制出机械臂的实验样机;最后,采用一套高精度的工业机器人标定系统对机械臂的实验样机进行了定位误差测量,实验表明:机械臂的运动平台的位置误差均在0.005~0.038mm之间,姿态误差均在0.010~0.044°之间,位置误差比通用式工业机器人的位置重复定位精度0.05mm略有提高,姿态误差与通用式工业机器人的姿态重复定位精度0.045°相当。