微型無(wú)人偵察機(jī)變倍同步聚焦鏡頭控制

羅衛(wèi)兵，遲曉鵬，丁 影

(武警工程學(xué)院，西安 710086)

0 引言

微型無(wú)人偵察機(jī)以其布置迅速、方便靈活的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－3］。但由于微型無(wú)人偵察機(jī)載荷小，在實(shí)際應(yīng)用中，選用商品化的變焦攝像存在體積大、重量大等問(wèn)題，制約其功能擴(kuò)展。在高速飛行過(guò)程中，變焦完成后一般通過(guò)DSP算法進(jìn)行聚焦，但其響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法滿足無(wú)人偵察機(jī)高機(jī)動(dòng)的應(yīng)用要求，而普通微型鏡頭無(wú)變焦功能。本文運(yùn)用微型無(wú)人偵察機(jī)飛控內(nèi)部STM32F103RB ARM處理器的富余I/O資源，設(shè)計(jì)了一款重量輕、變焦快，且同步聚焦的小型攝像系統(tǒng)，可通過(guò)飛控的遙控指令實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速變倍與同步聚焦功能。

1 硬件系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的攝像機(jī)或照相機(jī)在變焦過(guò)程結(jié)束后，通常要通過(guò) DSP進(jìn)行算法聚焦［4－5］，導(dǎo)致時(shí)間延遲增大;而微型無(wú)人偵察機(jī)在進(jìn)行偵察過(guò)程時(shí)，飛行速度快、景物動(dòng)態(tài)范圍大，搭載傳統(tǒng)的攝像機(jī)或照相機(jī)要實(shí)現(xiàn)快速聚焦，且滿足清晰拍攝就變得非常困難，為解決這一難題，設(shè)計(jì)了一個(gè)變倍同步聚焦鏡頭。

1.1 同步聚焦原理

微型無(wú)人偵察機(jī)飛行高度通常大于10 m，在100～1000 m之間，攝像系統(tǒng)焦距與無(wú)人機(jī)飛行高度之比可達(dá)到1:100000，因此偵察目標(biāo)可近似為無(wú)窮遠(yuǎn)。這樣就可以計(jì)算出目標(biāo)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，系統(tǒng)焦距每增減0.01mm，在保證目標(biāo)清晰時(shí)，鏡片組之間的距離和各鏡片到CCD傳感器靶面的距離。將這些距離點(diǎn)位進(jìn)行擬合后可得到兩條聚焦曲線，如圖1所示。其中:A1D1為鏡頭在變倍同步聚焦過(guò)程中變倍組運(yùn)動(dòng)曲線;A2D2為補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)曲線。變倍組由A1→B1與B1→C1用時(shí)相等且運(yùn)動(dòng)距離相同，而補(bǔ)償組為保證圖像清晰，在A2→B2與B2→C2中用時(shí)相等但距離不同，這相當(dāng)于一個(gè)物理二維距離表，將此表加工到鏡筒內(nèi)殼，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出，在變焦的同時(shí)同步完成快速聚焦。

圖1 變倍同步聚焦曲線Fig.1 Curve of zooming and focusing

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

地面控制站要求對(duì)微小型無(wú)人機(jī)機(jī)載鏡頭進(jìn)行實(shí)時(shí)變焦:1)要確保圖像信息的清晰采集;2)要完成對(duì)鏡頭的實(shí)時(shí)控制。鏡頭光學(xué)部分如圖2所示。

圖2 鏡頭光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of lens optical system

飛控系統(tǒng)中的ARM芯片除完成姿態(tài)測(cè)量、飛行控制和遙控遙測(cè)通信外，其富余的資源還可用于鏡頭的控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。鏡頭控制主要由ARM單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、CCD鏡頭、地面控制站、數(shù)傳電臺(tái)等幾部分組成。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Diagram of system architecture

其中，微處理器選用了意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RB系列ARM單片機(jī)芯片［6］。該芯片作為微型無(wú)人機(jī)飛行控制與導(dǎo)航的CPU，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)。在鏡頭控制系統(tǒng)中，它的主要作用是:1)通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)飛行過(guò)程中的自動(dòng)拍攝功能;2)檢測(cè)變焦過(guò)程中的系統(tǒng)故障和錯(cuò)誤;3)根據(jù)地面控制站指令，完成步進(jìn)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)鏡頭變焦;4)記錄當(dāng)前鏡頭倍率及GPS坐標(biāo)與時(shí)間。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成的主要功能為［7］:步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、速度控制，對(duì)步長(zhǎng)精確控制，按照CPU計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)鏡頭的變倍同步聚焦。

2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要由ARM處理器和驅(qū)動(dòng)電路組成。

2.1 ARM處理器I/O接口

系統(tǒng)利用STM32F103RB處理器定時(shí)功能產(chǎn)生控制信號(hào)［8］。針對(duì)現(xiàn)有資源完成以下設(shè)計(jì):1)通過(guò)16位的定時(shí)器，控制步進(jìn)電機(jī)的周期和步長(zhǎng)，使步進(jìn)電機(jī)周期在幾微秒到幾毫秒間調(diào)整;2)處理器引腳PC6、PC7、PC8和PC94個(gè)口輸出的時(shí)序方波經(jīng)驅(qū)動(dòng)器MD127芯片轉(zhuǎn)變成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)有3種狀態(tài):前進(jìn)、后退、停止，對(duì)應(yīng)地面控制站的3條指令。當(dāng)16位定時(shí)器溢出位時(shí)，產(chǎn)生內(nèi)部中斷，完成單步驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整定時(shí)長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)靈活控制步進(jìn)電機(jī)速度的目的［9］。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)使用Faulhaber公司的AM1220－V3－ee，為兩相四線微型步進(jìn)電機(jī)，步矩角為18°，直徑為12mm，重量?jī)H為9 g。步進(jìn)電機(jī)安裝于鏡筒上方，鏡筒通過(guò)卡槽與CCD傳感器芯片相連，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與減速齒輪嚙合。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)減速齒輪推動(dòng)固定在鏡筒內(nèi)側(cè)凹槽上的兩組鏡片。驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)器采用了SiTI公司的MD127，考慮到微型無(wú)人機(jī)進(jìn)行偵察時(shí)大氣溫度通常在－40～+80℃，為保證鏡頭能夠正常工作，工作電壓為5 V時(shí)，步進(jìn)電機(jī)最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到500 mA。MD127是一個(gè)低電壓操作，高效率MOS控制驅(qū)動(dòng)器，芯片超小、超輕，并具有熱關(guān)斷保護(hù)功能。驅(qū)動(dòng)器芯片的4個(gè)輸入引腳連接單片機(jī)的4個(gè)I/O口，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的兩組對(duì)稱輸出引腳來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，見(jiàn)圖4。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件電路Fig.4 Motor driving circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鏡頭控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件主要由主控制程序、串口通信程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序等構(gòu)成。主控制程序是通過(guò)對(duì)指令或信令解析出步進(jìn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等狀態(tài)標(biāo)識(shí)。定時(shí)中斷服務(wù)程序?qū)⒚}沖信號(hào)送入MD127驅(qū)動(dòng)器中，按要求實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的方向和速度變換，實(shí)現(xiàn)變倍同步聚焦。該系統(tǒng)采用定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)單步步長(zhǎng)，定時(shí)中斷服務(wù)程序如圖5所示。圖6為兩相步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)序波形。

圖5 定時(shí)中斷服務(wù)程序流程圖Fig.5 The flow chart of timer interrupting service routine

圖6 雙四拍兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序Fig.6 Sequence diagram of bi-directional，four-step and two-phase stepper motor driver

4 成像試驗(yàn)

微型無(wú)人偵察機(jī)載荷小，難以搭載市售數(shù)碼攝像機(jī)，變倍同步聚焦鏡頭性能測(cè)試為通過(guò)車載運(yùn)動(dòng)對(duì)車外100 m目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為:30萬(wàn)像素、汽車速度15 m/s、曝光時(shí)間1/100 s。試驗(yàn)分為兩組:第1組在系統(tǒng)為3.8mm焦距時(shí)拍攝目標(biāo)，成像如圖7所示。

圖7 3.8mm變焦距系統(tǒng)截圖Fig.7 Screenshot of 3.8mm zoom system

第2組進(jìn)行2倍變焦后拍攝，成像如圖8所示。

圖8 2x變焦距系統(tǒng)截圖Fig.8 Sreenshot of 2x zoom system

實(shí)驗(yàn)還對(duì)鏡頭最小焦距到最大焦距響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:所設(shè)計(jì)鏡頭3倍變焦時(shí)間為0.4 s，優(yōu)于普通30萬(wàn)像素?cái)?shù)碼攝像機(jī)0.6 s的響應(yīng)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期要求。

5 結(jié)論

本文介紹了一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的快速同步聚焦UAV機(jī)載鏡頭控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、輕巧靈活，已用于微型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。經(jīng)試飛表明，該控制系統(tǒng)能可靠地驅(qū)動(dòng)CCD鏡頭快速變倍同步聚焦，圖像連貫性好，有很好的實(shí)用價(jià)值。

［1］李南翔.微型無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安:武警工程學(xué)院，2008.

［2］馮琦，周德云.軍用無(wú)人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)［J］.電光與控制，2003，10(1):9-13.

［3］王重秋，李鋒，張靖.無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)系統(tǒng)綜述［J］.電光與控制，2004，11(4):41-45.

［4］馮華君.一種用于數(shù)字成像的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)［J］.光電工程，2004，31(10):69-72.

［5］梁翠萍，李清安，喬彥峰，等.簡(jiǎn)析光學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦的方法［J］.電光與控制，2006，13(6):93-96.

［6］STM32F103RB microcontrollers［EB/OL］.http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/13587/stm32f103rb.p df.2008.

［7］鄭春陽(yáng)，李勝利，徐敏.采用步進(jìn)電機(jī)的CCD自動(dòng)聚焦控制系統(tǒng)［J］.微特電機(jī)，2004(2):29-30.

［8］Driving bipolar stepper motors using a medium-densitySTM32F103xx microcontroller［EB/OL］.http: //www. st.com/stonline/products/literature/an/14946.pdf. 2009.

［9］彭旭昀.機(jī)電控制系統(tǒng)原理及工程應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.