随着民用和军用航空技术的高速发展，安全航行问题更加备受瞩目。由于飞机频繁起飞，跑道的高效利用，机场跑道异物对飞机起降安全的威胁这一问题更成为了重中之重。目前，国外已经研制出几种机场跑道异物识别监测系统并已应用；国内已经对此进行初步研究，但并无实际应用报道。因此，研究开发一套能够实时检测识别机场跑道异物的监测系统，具有较高的实际应用价值。本文依托“军用机场跑道小颗粒异物识别系统的研制（项目编号：3P211K132414）”项目，提出一套机场跑道异物识别系统总体设计方案；针对跑道图像扫描问题，重点对跑道扫描系统设计和扫描控制算法进行重点研究，保证采集到的图像满足图像处理系统的要求。主要研究内容和创新如下：1、查阅大量国内外相关文献，结合国内外现状，深入分析机场跑道异物识别系统设计要求，对比分析应用于机场跑道异物识别系统中的异物探测设备：CCD摄像机、毫米波雷达及红外成像仪的成像特点和应用优势，提出一套基于高精度CCD摄像机成像技术、云台精确控制技术和图像处理技术的机场跑道异物识别系统设计方案。该系统由跑道扫描系统、通信系统、监控中心、供电系统和清理中心五部分组成。2、综合分析跑道扫描系统设计要求，采用以二维旋转云台搭载CCD成像设备及辅助设备的结构形式，利用云台水平和垂直两个方向上的运动，完成跑道图像的扫描。深入研究云台工作需求，采用直流伺服电机驱动，齿轮减速机构传动和高精度编码器反馈的云台结构设计，建立云台模型。利用Ansys Workbench对云台结构进行模态分析和随机振动分析,通过分析结果表明云台结构设计的合理性和可靠性。3、对扫描控制系统的核心——云台扫描控制算法进行重点研究。针对云台电机拖动系统特性，建立电机驱动惯性-摩擦-弹性负载模型，并推导出其传递函数，建立数学模型。对云台数学模型进行分析，推导出云台运动控制逆模型。针对PID控制算法和模糊控制算法中出现的系统不稳定现象,提出基于逆模型控制算法的控制方法。利用MATLAB/Simulink和RecurDyn两软件进行联合仿真,仿真结果显示逆模型控制算法在云台运动控制中具有上升时间短、超调量小和运动平稳性好的优势。4、基于ARM控制器——LPC2132开发一套云台扫描控制系统。硬件部分完成电源电路、电机控制电路、镜头控制通信电路和串口通信电路原理图设计和PCB设计，制作出电路板并调试。软件部分完成主程序、串口中断通信子程序、电机控制子程序、编码器数据处理子程序和镜头SPI通信子程序的开发和测试。开发一款跑道扫描控制系统调试软件，为云台扫描控制算法的实验研究奠定基础。5、针对扫描系统实际应用场合，对云台扫描控制算法进行现场实验研究。以现场实验采集到的跑道图像作为数据来源，分别通过图像匹配处理得到横向和纵向匹配偏移量等实验数据，并对所得数据进行分析。实验结果表明逆模型控制算法对云台控制稳定性和重复定位精度上具有优势，并满足项目要求。