小型三轴双光吊舱技术与应用 摘要：目前，随着科学技术的迅速发展，小型飞机尤其是小型无人机得到了快速发展，为适应其需求，光电吊舱朝体积小、重量轻、功能集成、指向精度高等方向发展传统的传动方式（如齿轮传动、链传动）由于存在固有的摩擦、空回、间隙等非线性因素，对光电吊舱性能的提高有所约束，难以满足光电吊舱的轻量化高精度要求而小型光电吊舱具有质量轻、精度高、空回小、布局灵活等优点，在电力系统输电线路中具有良好的应用潜力本文主要分析了小型三轴吊舱技术及其应用关键词：小型；三轴双光吊舱技术；应用引言现阶段，在电力行业中，电力巡线成为制约电力行业发展的一大难题由于无人机载吊舱具有体积小、质量轻、便于操作等优点，已逐渐被用于电力巡线中吊舱在工作过程中能够隔离载体的振动，逐渐调整吊舱的姿态，确保CCD相机视轴的稳定，从而达到对目标的探测和跟踪在对光电系统功能需求越来越多的条件下，在有限的平台空间内，将多种功能需求集成为一体，使吊舱更加小型化成为光电吊舱发展的必然趋势多波段、多传感器、多功能集成与融合，将可见光、红外、微光、激光等多种传感技术集成一体，扩大作用距离并提高成像质量成了新形势下的发展方向。
1小型光电吊舱系统的组成小型光电吊舱是由稳定平台和光电载荷（传感器）组成，传感器设置在稳定平台上，通过稳定平台隔离载机振动，在伺服系统控制指令的作用下，使传感器达到对目标的搜索、识别、跟踪和定位的目的稳定平台主要有两个作用：空间稳定和跟踪目标稳定方式采取陀螺稳定，平台结构主要包括万向架和传动轴系平台框架数越多，万向架重量和体积就越大，传动轴系设计就越繁杂，造价成本也就越高传感器能够结合无人机系统的主要任务采取不同搭配当前我国小型光电吊舱主要配置为集成制冷型中波红外热像仪、彩色高清可见光/近红外摄像机、激光测距机/照射器将多种传感器集中安装于光具座上，并在产品出厂前通过机械和软件的手段校准各传感器，使其光轴之间达到满足使用需求的一致性要求2小型光电吊舱技术的特点2.1小型化、轻量化随着智能化、网络化进程的加快，无人机承担的任务会越来越繁重，这就要求其任务载荷越来越多无人机突出特点是内部空间狭小，而繁多种类的任务载荷，对内部空间的要求越来越大光电吊舱，同其他任务载荷（比如数据链、综合信息处理系统、火控系统、雷达）一样，如何完成小型化、轻量化设计，为其余载荷预留空间和余量，是重点考虑要素之一。
并且无人机任务载荷的小型化、轻量化，能够为飞机发动机体积和重量节省更多空间，提高无人机的续航能力2.2探测器性能高现阶段，传感器使用的红外探测器以640×512中波制冷器件为主，像元尺寸15μm左右，像元平均等效噪声温差（NETD）≤20mK，也有少数采用1280×1024规模的器件为提高目标探测能力，红外探测器向着多波段、大面阵、高灵敏度发展其中，HgCdTe探测器具有光响应率高、量子效率高（70％～80％），响应速度快、响应波段连续可调等特点，是第三代红外探测器发展的首选，但其发展必须解决其材料性能不均匀性、长波响应暗电流大等技术CMOS传感器芯片上可集成数字信号处理电路、响应速度快、功耗低、成本低同时，伴随半导体集成和工艺等关键技术的突破，CMOS传感器已克服灵敏度低、动态范围小等问题，已逐步替代CCD传感器，成为可见光成像的重要首选传感器2.3先进图像处理能力随着多谱段传感器的集成设计，图像增强技术将向多源、多光谱图像融合增强处理方向发展图像增强算法研究更加关注人眼视觉特性，并向着基于视觉感知的方向发展，实现复杂环境下，对大动态范围弱对比度小目标的人眼快速辨识能力光电设备的图像处理技术也从单一的目标捕获、跟踪功能，向智能化、多模融合、定量分析等方向发展，从而使输出图像更清晰、目标捕获跟踪更便捷、目标定位更精确。
3小型三轴双光吊舱技术与应用3.1平台结构轻量化设计技术小型三轴双光吊舱结构轻量化设计，通过算法补偿陀螺随机漂移从而抑制稳定平台的随机运动是技术难点陀螺敏感轴正交，而电机轴可能处于非正交状态，为实现电机轴与陀螺轴的完全解耦提高电机对干扰的快速响应性，需设计陀螺空间解耦算法，进而通过控制三个电机的转速克服载体扰动，实现三轴吊舱视轴惯性空间稳定小型轻量化三轴光电吊舱，需要在选用小且轻的载荷及元器件的基础上，采用质量轻、刚性好、加工性能良好的复合型材料作为吊舱材质，且结构件的设计必须在保证刚度的同时最大限度的减重，达到刚度与重量最佳平衡状态3.2高精度稳定技术伴随探测器像元数的增多，传感器视场和作用距离的增大，对系统高精度稳定的要求越来越严格小型三轴双光吊舱，受其空间限制，多为陀螺稳定，国外小型吊舱采取两轴四框架结构形式，稳定精度能够达到20μrad稳定精度技术，涉及到减振和阻尼、精密传动、控制技术、万向架结构特性、电子稳像等多项重要技术如何提高产品稳定精度，为工作人员提供清晰平稳的图像，也便成为一项系统性的工程3.3减振技术与大型光电吊舱，小型三轴双光吊舱本身体积小，又要尽可能更多地为传感器提供空间以便提升传感器性能，因此减振器会选择外挂于无人机接口处。
外挂的减振器，受环境因素影响，多用“金属弹簧减振器”或“钢丝绳减振器”，替代各向等刚度性能最好的“橡胶减振器”外挂减振器相对于小型三轴双光吊舱系统质心为偏心布局，载机的线性振动干扰，通过减振器会造成“线振动——角摆动”耦合，影响成像质量如何有效抑制“线振动——角摆动”的耦合干扰，成为三轴双光吊舱减振设计的关键点3.4多传感器集成设计技术小型三轴双光吊舱，将多传感器安装于一个高刚性的光学平台（光具座），传感器之间光路相互独立利用狭小的空间，完成多样传感器集成设计，对传感器自身光机小型化设计有着严格的要求同时，需要合理规划各传感器布局，设计满足需求的高刚性光具座，减小环境应力引起光具座零件发生的弹性变形光学舱紧凑的设计，需要考虑散热问题本身光学舱自身又有密封要求，较高的热应力会造成光机材料变形，影响成像质量对于传感器功耗较大、发热集中区域，如何高效地实现内部与外部环境的热交换，也成为了设计重点3.5多传感器图像融合技术多传感器图像融合技术所涵盖的关键环节包括多源图像配准、图像融合增强、图像特征表达与组合、信息综合决策等根据融合层次的不同，提出多种融合方法，比如基于图像金字塔、小波变换、人工神经网络、遗传算法、贝叶斯估计等多种算法。
多传感器图像融合技术要得以发展，需要解决多源图像配准、算法效率的提升、图像融合策略的选择等问题多源图像配准首先要解决的问题是将各传感器图像进行像素级或区域级对准，对算法稳定性和实时性要求比较高机载平台信息处理能力有限，设计融合算法时，需要根据实际应用环境合理安排串行与并行计算模块，结合图像融合层次和策略来考虑，以提高算法效率3.6三轴陀螺空间解算在三轴光电吊舱中，俯仰框架为最内框架，光电载荷、三个陀螺均安装于俯仰框架上因此，俯仰框架坐标系即为载荷坐标系，也可认为是视轴坐标系陀螺敏感轴正交，而电机轴可能处于非正交状态，需设计陀螺空间解耦算法，进而通过控制三个电机的转速克服载体扰动，实现吊舱视轴惯性空间稳定具体算法设计如下：结语综上所述，随着无人机光电吊舱向小型化发展，对其吊舱控制系统提出小型化、快速化的要求小型三轴双光吊舱技术在电力巡检的应用，可以提高探测器性能和图像处理能力，还能降低电力工程成本本文主要对小型三轴双光吊舱技术与应用进行分析，减振技术、多传感器图像融合技术、三轴陀螺空间解算等，以供同类工程借鉴与参考参考文献：[1]郝建东.某型无人机光电吊舱供电设计改进[J].科学技术与工程.2012（05）：1207-1210.[2]杨蒲，李奇.三轴陀螺稳定平台控制系统设计与实现[J].中国惯性技术学报.2007（02）：171-176.[3]石风，朱有德.一种无人机载光电吊舱目标定位方法[J].计算机与数字工程.2014（12）：2259-2262+2315. -全文完-。