CN105651259A - 一种五自由度航空摄影测量模拟*** - Google Patents

一种五自由度航空摄影测量模拟*** Download PDF

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田文杰
翟京生
张安民
薛彬
王星
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Abstract

本发明公开了一种五自由度航空摄影测量模拟***，包括导轨***、云台机构、成像装置及控制装置；导轨***包括三个直线轨道和一个运动台，其中第一直线导轨与第二直线导轨在水平面内相互平行设置，第三直线导轨横跨在第一直线导轨和第二直线导轨之上，并与第一直线导轨和第二直线导轨形成滑动连接；运动台滑动连接在第三直线导轨的下方；云台机构固定安装在运动台的下方，可实现一个平动自由度和两个转动自由度的运动；成像装置固定安装于云台机构的底部；控制装置可操作地控制运动台在轨道***上的运动及成像装置在云台机构上的运动。本发明可模拟成像装置跟随飞行器在三维空间中的平动以及成像装置自身相对于飞行器的俯仰与滚转运动。

Description

一种五自由度航空摄影测量模拟***
技术领域
本发明涉及一种航空摄影测量***，具体涉及一种五自由度航空摄影测量模拟***。
背景技术
航空摄影测量是指在飞行器上用航摄仪器对地面连续摄取像片，结合地面控制点测量、调绘和立体测绘等步骤，绘制出地形图的作业。航空摄影测量一直是我国基本地图成图的主要方式，由于其制图速度快，精度高且均匀，是我们今后数字制图的一个重要发展方向。随着数字地球在中国的广泛认同，数字城市建设正如火如荼。航空数字测量为数字城市建设提供基础城市空间数据，同时还广泛应用于国土资源调查、土地利用、城市规划、道路交通、港口选址及房地产等方面。按摄像机物镜主光轴相对于地表的垂直度，又可分为垂直航空摄影和倾斜航空摄影。为了更简便有效地研究航空摄影测量技术，相关技术人员亟需一种能够有效模拟航空摄影测量过程的设备。基于该需求，中国专利201310298803.5公开了一种航空摄影测量模拟***，可以模拟固定水平面内飞行器的运动，然而由于整个模拟***不能调节飞行器姿态，故该***无法满足倾斜航空摄影的研究需要。中国专利201220681352.4公开了一种数字航空倾斜摄影测量装置，其在云台上按照前后左右下五个方向安装五个相机，来实现倾斜航空摄影，然而若基于该思路研制相关倾斜航空摄影模拟***则存在成本高的缺点，并且由于相机数量多导致云台整体质量较大，从而不利于对云台实施平稳的控制。此外，中国专利201210501131.9、中国专利201220646494.7也公开了类似的装置，然而这些装置均无法模拟飞行器在竖直方向的运动，无法模拟飞行器的姿态变化。从科学研究的意义上来看，前述***或装置尚缺乏模拟信息的完整性与航线设置的灵活性。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种五自由度航空摄影测量模拟***，该***可模拟成像装置跟随飞行器在三维空间中的平动以及成像装置自身相对于飞行器的俯仰与滚转运动。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种五自由度航空摄影测量模拟***，包括导轨***、云台机构、成像装置及控制装置；所述导轨***包括三个直线轨道和一个运动台，其中第一直线导轨与第二直线导轨在水平面内相互平行设置，第三直线导轨横跨在所述第一直线导轨和所述第二直线导轨之上，且第三直线导轨与所述第一直线导轨和所述第二直线导轨形成滑动连接；所述运动台滑动连接在所述第三直线导轨的下方；所述云台机构固定安装在所述运动台的下方，所述云台机构可实现一个平动自由度和两个转动自由度的运动；所述成像装置固定安装于所述云台机构的底部；所述控制装置可操作地控制所述运动台在所述轨道***上的运动及成像装置在所述云台机构上的运动。
所述云台机构包括从上至下依次设置的安装座、位姿调整机构及对接机构，所述安装座固定在所述运动台的下方，所述位姿调整机构安装于所述安装座的下方，所述位姿调整机构可实现竖直方向的平移运动及绕两个相互垂直的水平轴线的旋转运动，所述对接机构固定安装于所述位姿调整机构的末端。
所述成像装置包括装夹机构和CCD相机，所述装夹机构固定安装于所述对接机构的下方，所述CCD相机装夹于所述装夹机构的下方。
所述控制装置包括工控机和PMAC运动控制卡，所述工控机用于生成所述成像装置的运动轨迹，并且接收、存储、处理航摄相片，所述PMAC运动控制卡嵌入在所述工控机中，所述PMAC运动控制卡与所述工控机实时通信获取运动指令，并控制所述轨道***及所述云台机构的运动，使所述成像装置实现三个平动自由度及两个转动自由度的运动。
所述第三直线轨道通过第一滑块与所述第一直线轨道连接，通过第二滑块与所述第二直线轨道连接，所述第一滑块由第一电机通过第一传动机构驱动，所述第一电机安装在所述第一直线轨道的一端，所述第二滑块由第二电机通过第二传动机构驱动，所述第二电机安装在所述第二直线轨道的一端；所述运动台由第三电机通过第三传动机构驱动。
在所述第一直线导轨的一端安装有第一限位开关，另一端安装有第二限位开关，在所述第三直线导轨的一端安装有第三限位开关，另一端安装有第四限位开关，所述第一限位开关、所述第二限位开关、所述第三限位开关和所述第四限位开关均与所述PMAC运动控制卡相连。
在所述第一直线导轨的一端安装有第一机械限位，另一端安装有第二机械限位；在所述第二直线导轨的一端安装有第三机械限位，另一端安装有第四机械限位；在所述第三直线导轨的一端安装有第五机械限位，另一端安装有第六机械限位。
所述第三直线轨道通过第一滑块与所述第一直线轨道连接，通过第二滑块与所述第二直线轨道连接，所述第一滑块由第一电机通过第一传动机构驱动，所述第一电机安装在所述第一直线轨道的一端，所述第二滑块由第二电机通过第二传动机构驱动，所述第二电机安装在所述第二直线轨道的一端；所述运动台由第三电机通过第三传动机构驱动；所述第一电机、所述第二电机及所述第三电机分别与所述PMAC运动控制卡相连，并且所述第一电机和所述第二电机在所述PMAC运动控制卡的控制下同步运转。
本发明具有的优点和积极效果是：可以精确模拟垂直航空摄影以及倾斜航空摄影的主要过程，解决现有技术灵活性与完整性不足的缺陷。具体地说，该***可以灵活地实现成像装置三个平动自由度及两个转动自由度的运动；可模拟成像装置跟随飞行器在三维空间中的平动以及成像装置自身相对于飞行器的俯仰与滚转运动。与地物模型、航摄数据处理技术相结合后，既能满足摄影测量相关专业的教学需求，又能为摄影测量专业的技术人员开展科学研究提供专业化实验装备。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明应用的结构示意图。
图中：1-轨道***；4-云台机构；5-成像装置；6-控制装置；10-第一直线轨道；11-第一滑块；12-第一电机；13-第一限位开关；14-第二限位开关；15-第一机械限位；16-第二机械限位；20-第二直线轨道；21-第二滑块；22-第二电机；25-第三机械限位；26-第四机械限位；30-第三直线轨道；31-运动台；32-第三电机12；33-第三限位开关；34-第四限位开关；35-第五机械限位；36-第六机械限位；41-安装座；42-位姿调整机构；43-对接机构；51-装夹机构；52-CCD相机；61-工控机；62-PMAC运动控制卡；63-控制线；7-地物模型。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，一种五自由度航空摄影测量模拟***，包括导轨***1、云台机构4、成像装置5及控制装置6。
所述导轨***1通常固定于室内空间顶部，若必须设置于室外则需对***加装防尘罩。所述导轨***1包括三个直线轨道和一个运动台31，其中第一直线导轨10与第二直线导轨20在水平面内相互平行设置，第三直线导轨30横跨在所述第一直线导轨10和所述第二直线导轨20之上，且第三直线导轨30与所述第一直线导轨10和所述第二直线导轨20形成滑动连接；所述运动台31滑动连接在所述第三直线导轨30的下方。当三个直线轨道配合运动时，可实现运动台31在轨道所在平面内任意轨迹的运动。
所述云台机构4固定安装在所述运动台31的下方，所述云台机构4可实现一个平动自由度和两个转动自由度的运动。
所述成像装置5固定安装于所述云台机构4的底部，用于获取航摄相片。
所述控制装置6可操作地控制所述运动台31在所述轨道***1上的运动及成像装置5在所述云台机构4上的运动，进而实现成像装置5的三个平动自由度及两个转动自由度的运动。
在本实施例中，云台装置4包括从上至下依次设置的安装座41、位姿调整机构42及对接机构43，安装座41固定设置于所述运动台31的下方，用于连接运动台31及位姿调整机构42，所述位姿调整机构42安装于所述安装座41下方，并且该位姿调整机构42可实现竖直方向的平移运动及绕两个相互垂直的水平轴线的旋转运动，用于模拟飞行器的飞行高度、俯仰角及滚转角，对接机构43固定安装于位姿调整机构42的末端，用于连接位姿调整机构42及成像装置5。所述成像装置5包括装夹机构51及CCD相机52，装夹机构51固定安装于对接机构43的下方，用于连接对接机构43及CCD相机52，CCD相机52可微调位置地装夹于所述装夹机构51的下方，微调CCD相机52的位置是为了调整***运动部件的重心，以实现***更加平稳的运动性能。
所述控制装置6包括工控机61和PMAC运动控制卡62，所述工控机61可依据教学或科研的需要自动生成成像装置5的运动轨迹，并且接收、存储、处理航摄相片，所述PMAC运动控制卡62嵌入在所述工控机61中，所述PMAC运动控制卡62与所述工控机61实时通信获取运动指令，并控制所述轨道***1及所述云台机构4的运动，使所述成像装置5实现三个平动自由度及两个转动自由度的运动。所述第三直线轨道30通过第一滑块11与所述第一直线轨道10连接，通过第二滑块21与所述第二直线轨道20连接，所述第一滑块11由第一电机12通过第一传动机构驱动，所述第一电机12安装在所述第一直线轨道10的一端，所述第二滑块21由第二电机22通过第二传动机构驱动，所述第二电机22安装在所述第二直线轨道20的一端；所述运动台31由第三电机32通过第三传动机构驱动。所述第一电机12、所述第二电机22及所述第三电机32与所述PMAC运动控制卡62分别通过一控制线63相连，并且所述第一电机12和所述第二电机22在所述PMAC运动控制卡62的控制下同步运转。在所述第一直线导轨10的一端安装有第一限位开关13，另一端安装有第二限位开关14，在所述第三直线导轨30的一端安装有第三限位开关33，另一端安装有第四限位开关34，所述第一限位开关13、所述第二限位开关14、所述第三限位开关33和所述第四限位开关34均与所述PMAC运动控制卡62相连。当运动部件运动至限位开关的工作范围内时，限位开关会将信号传输给PMAC运动控制卡62，进而停止***正在执行的运动指令，避免事故的发生。在所述第一直线导轨10的一端安装有第一机械限位15，另一端安装有第二机械限位16；在所述第二直线导轨20的一端安装有第三机械限位25，另一端安装有第四机械限位26；在所述第三直线导轨30的一端安装有第五机械限位35，另一端安装有第六机械限位36。当限位开关发生故障而不能及时停止运动部件超出行程范围的运动时，机械限位将会机械式地阻断运动部件的运动，防止运动部件从轨道上滑脱，此时操作人员需及时切断电源，并对***开展维护工作。
请参阅图2，本发明与地物模型7、航摄数据处理技术相结合，用于摄影测量与遥感等学科的教学与科研。
本发明的原理为：模拟成像装置随飞行器开展航空摄影测量过程中的位置与姿态，具体地说，该***可模拟成像装置跟随飞行器在三维空间中的平动以及成像装置自身相对于飞行器的俯仰与滚转运动，使该***既能满足摄影测量相关专业的教学需求，又能为摄影测量专业的技术人员开展科学研究提供实验装备。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种五自由度航空摄影测量模拟***，其特征在于，包括导轨***、云台机构、成像装置及控制装置；
所述导轨***包括三个直线轨道和一个运动台，其中第一直线导轨与第二直线导轨在水平面内相互平行设置，第三直线导轨横跨在所述第一直线导轨和所述第二直线导轨之上，且第三直线导轨与所述第一直线导轨和所述第二直线导轨形成滑动连接；所述运动台滑动连接在所述第三直线导轨的下方；
所述云台机构固定安装在所述运动台的下方，所述云台机构可实现一个平动自由度和两个转动自由度的运动；
所述成像装置固定安装于所述云台机构的底部；
所述控制装置可操作地控制所述运动台在所述轨道***上的运动及成像装置在所述云台机构上的运动。
2.根据权利要求1所述的五自由度航空摄影测量模拟***，其特征在于，所述云台机构包括从上至下依次设置的安装座、位姿调整机构及对接机构，所述安装座固定在所述运动台的下方，所述位姿调整机构安装于所述安装座的下方，所述位姿调整机构可实现竖直方向的平移运动及绕两个相互垂直的水平轴线的旋转运动，所述对接机构固定安装于所述位姿调整机构的末端。
3.根据权利要求1所述的五自由度航空摄影测量模拟***，其特征在于，所述成像装置包括装夹机构和CCD相机，所述装夹机构固定安装于所述对接机构的下方，所述CCD相机装夹于所述装夹机构的下方。
4.根据权利要求1所述的五自由度航空摄影测量模拟***，其特征在于，所述控制装置包括工控机和PMAC运动控制卡，所述工控机用于生成所述成像装置的运动轨迹，并且接收、存储、处理航摄相片，所述PMAC运动控制卡嵌入在所述工控机中，所述PMAC运动控制卡与所述工控机实时通信获取运动指令，并控制所述轨道***及所述云台机构的运动，使所述成像装置实现三个平动自由度及两个转动自由度的运动。
5.根据权利要求1所述的五自由度航空摄影测量模拟***，其特征在于，所述第三直线轨道通过第一滑块与所述第一直线轨道连接，通过第二滑块与所述第二直线轨道连接，所述第一滑块由第一电机通过第一传动机构驱动，所述第一电机安装在所述第一直线轨道的一端，所述第二滑块由第二电机通过第二传动机构驱动，所述第二电机安装在所述第二直线轨道的一端；所述运动台由第三电机通过第三传动机构驱动。
6.根据权利要求4所述的五自由度航空摄影测量模拟***，其特征在于，在所述第一直线导轨的一端安装有第一限位开关，另一端安装有第二限位开关，在所述第三直线导轨的一端安装有第三限位开关，另一端安装有第四限位开关，所述第一限位开关、所述第二限位开关、所述第三限位开关和所述第四限位开关均与所述PMAC运动控制卡相连。
7.根据权利要求1或6所述的五自由度航空摄影测量模拟***，其特征在于，在所述第一直线导轨的一端安装有第一机械限位，另一端安装有第二机械限位；在所述第二直线导轨的一端安装有第三机械限位，另一端安装有第四机械限位；在所述第三直线导轨的一端安装有第五机械限位，另一端安装有第六机械限位。
8.根据权利要求4所述的五自由度航空摄影测量模拟***，其特征在于，所述第三直线轨道通过第一滑块与所述第一直线轨道连接，通过第二滑块与所述第二直线轨道连接，所述第一滑块由第一电机通过第一传动机构驱动，所述第一电机安装在所述第一直线轨道的一端，所述第二滑块由第二电机通过第二传动机构驱动，所述第二电机安装在所述第二直线轨道的一端；所述运动台由第三电机通过第三传动机构驱动；所述第一电机、所述第二电机及所述第三电机分别与所述PMAC运动控制卡相连，并且所述第一电机和所述第二电机在所述PMAC运动控制卡的控制下同步运转。
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