基于傳感器的經(jīng)緯儀自動(dòng)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹宏建，高慧斌

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

0 引言

光電經(jīng)緯儀是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測量的光學(xué)設(shè)備，而跟蹤的目標(biāo)往往是動(dòng)態(tài)的，因此，目標(biāo)與經(jīng)緯儀之間的觀測距離也在不斷變化，目標(biāo)在視場中的大小就會(huì)隨之變化，如果目標(biāo)速度不大，運(yùn)動(dòng)過程中距離變化不是很明顯，對(duì)觀察結(jié)果不會(huì)造成太大影響;相反，如果距離變化超出一定范圍，目標(biāo)在視場中成像大小就會(huì)有很大差別，這對(duì)于觀察目標(biāo)的飛行姿態(tài)、尺寸形狀，觀測目標(biāo)速度都是不利的［1］。

為了使目標(biāo)在視場中成像大小保持不變（或基本不變），需要引入變焦技術(shù)。目前，經(jīng)緯儀采用的方法都是手動(dòng)變焦。手動(dòng)變焦主要存在以下不足:1）畫面會(huì)存在“跳躍”感，即不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平滑變焦;2）變焦需要人為控制，實(shí)時(shí)性不高;3）不能把人從簡單重復(fù)工作中解脫出來，浪費(fèi)人力資源［2］。

基于以上原因，本文設(shè)計(jì)了一種基于傳感器的自動(dòng)變焦系統(tǒng)，由距離傳感器傳回的距離信息控制整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)變焦，為以后的變焦技術(shù)提供了一種新思路。

1 自動(dòng)變焦原理

光學(xué)變焦是依靠變焦距鏡頭來實(shí)現(xiàn)的，變焦距鏡頭通常是由前固定組、變倍組、補(bǔ)償組、后固定組四光組組合的光學(xué)系統(tǒng)。變焦過程中前固定組和后固定組固定不動(dòng)，變倍組做線性移動(dòng)改變目標(biāo)成像大小，補(bǔ)償組做相應(yīng)非線性移動(dòng)補(bǔ)償像面偏移。

根據(jù)鏡頭透射原理

式中f為變焦距鏡頭焦距，即四光組組合的光學(xué)系統(tǒng)焦距;D為觀測目標(biāo)距離;h為CCD（charge-coupled device）圖像傳感器高度;H為觀測畫面的實(shí)際高度。

其中，D可以由距離傳感器測量，h在選用器件后為已知，H根據(jù)工程的實(shí)際需要可以設(shè)定。例如:要求對(duì)一個(gè)移動(dòng)中的人物進(jìn)行觀察，并且希望其在視場中成像大小不變，假設(shè)人物高度1.70 m，由常識(shí)可知，要想清晰觀察一個(gè)人物，人物高度約占畫面高度2/3，由此知，觀測畫面實(shí)際高度H為人物高度1.5倍，為2.55 m。這樣，對(duì)于指定工程，每次測距傳感器傳回一個(gè)距離值，就可以算出焦距值，而對(duì)于其他工程，重新設(shè)定H參數(shù)，同樣適用。

由變焦距光學(xué)系統(tǒng)理論公式可知，還要滿足如下關(guān)系

式中f1，f2，f3分別為前固定組、變倍組和補(bǔ)償組的焦距;L1變倍組與補(bǔ)償組的距離;L2固定組與補(bǔ)償組的距離;f為光學(xué)系統(tǒng)焦距［3，4］。

由式（1）～式（3）聯(lián)立可得

由式（4）、式（5）可知，由距離傳感器每傳回一次距離值，就可以知道變倍組與補(bǔ)償組的準(zhǔn)確位置，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)組元到計(jì)算出的位置，從而達(dá)到自動(dòng)變焦的目的［5］。

將系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)代入式中，取H=2.25 m，得到變倍組與補(bǔ)償組的位移曲線，如圖1所示。

圖1 變倍組與補(bǔ)償組位移曲線Fig 1 Displacement curve of magnifier and compensation groups

2 硬件系統(tǒng)

2.1 變焦系統(tǒng)方案

自動(dòng)變焦控制系統(tǒng)如圖2所示，TMS320LF2407是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制核心，電源提供DSP所需+5 V供電，管理計(jì)算機(jī)與DSP進(jìn)行串行接口通信，距離傳感器輸出距離信號(hào)，經(jīng)過放大，A/D轉(zhuǎn)換電路作為DSP輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各自歩進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)變倍組、補(bǔ)償組移動(dòng)。電位計(jì)把組元位置信息反饋回 DSP，形成閉環(huán)控制［6～8］。

圖2 自動(dòng)變焦系統(tǒng)原理框圖Fig 2 Principle block diagram of auto-zooming system

2.2 距離傳感器

距離傳感器是利用“飛行時(shí)間法”的原理來實(shí)現(xiàn)測量距離，以檢測物體距離的一種傳感器。距離傳感器發(fā)射短的光脈沖，通過測量發(fā)射和物體反射回來的光脈沖時(shí)間間隔來計(jì)算距離。

本文實(shí)驗(yàn)測量用的是深圳思信科技有限公司的SRF200M01A—H激光測距傳感器，其最大量程為1500 m，精度為0.1 m，傳感器采用 RS—232接口，波特率為9600，工作供應(yīng)電壓9.24 V。

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

本自動(dòng)變焦系統(tǒng)采用的主控芯片為TI公司的16位DSP芯片 TMS320LF2407，其內(nèi)部集成外設(shè)有:32 kB的FLASH程序存儲(chǔ)器;能達(dá)到40 MIPS的執(zhí)行速度，指令周期25 ns;2.5 kB的數(shù)據(jù)、程序RAM，可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器為192 kB（程序、數(shù)據(jù)、I/O空間各64 kB）;定時(shí)器;看門狗;EV管理器;串行通信接口SCI，串行外設(shè)接口SPI，控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)CAN;8或16通道可選的10位A/D轉(zhuǎn)換器［9］。

激光測距傳感器為本系統(tǒng)提供了關(guān)鍵的自動(dòng)變焦信息，由于選用激光測距傳感器有RS—232串口可以直接和DSP連接。串行通信接口電路如圖3所示［10］。

圖3 串行通信接口模塊原理圖ig 3 Principle diagram of serial communication interface module

本系統(tǒng)采用歩距角為1.8°，型號(hào)35BY007步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇型號(hào)UP—4HB03M，適用四相混合式和兩相六抽頭混合式步進(jìn)電機(jī)，PWM恒流控制，可選擇16細(xì)分或四相八拍2種方式，驅(qū)動(dòng)電流0.3A。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，TMS320LF2407的I/O口輸出脈沖信號(hào)，控制UP—4HB03M，UP—4HB03M的CP為步進(jìn)脈沖輸入端，上升沿有效;FREE端為驅(qū)動(dòng)器脫機(jī)端，當(dāng)FREE=1時(shí)，電機(jī)處于釋放狀態(tài);U/D為步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向控制端，當(dāng)U/D為高電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);否則，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件包括主程序、初始化程序、中斷服務(wù)子程序、步進(jìn)電機(jī)控制子程序。初始化程序主要負(fù)責(zé)初始化串行通信接口、看門狗、定時(shí)器等工作;中斷服務(wù)子程序主要負(fù)責(zé)接收串行通信接口傳輸?shù)木嚯x信息;步進(jìn)電機(jī)子程序控制變倍組和補(bǔ)償組的移動(dòng)。主程序如圖5所示。首先，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，等待串口數(shù)據(jù)到來，檢查距離值和前一采樣距離值是否相等，如果相等，說明目標(biāo)沒有移動(dòng)，不需要進(jìn)行變焦處理;否則，計(jì)算此距離下目標(biāo)成像大小基本不變要求的系統(tǒng)的焦距，然后向變倍組和補(bǔ)償組步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)，電位計(jì)返回2組元位置信息與理想值比較，若誤差較大，則繼續(xù)移動(dòng);若誤差達(dá)到工程允許范圍，則結(jié)束變焦程序。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig 4 Principle diagram of drive circuit of step motor

圖5 程序流程圖Fig 5 Flow chart of program

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用變焦鏡頭短焦150mm，長焦1500mm，10倍變焦。由式（1）知，目標(biāo)成像大小能基本恒定的距離為79.6875～796.875 m。CCD 尺寸寬為6.4mm，高為4.8mm，觀察目標(biāo)為速度40～50km/h的汽車，取H為2.25m。將計(jì)算所得理論值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

由表1知，系統(tǒng)精度在0.02 mm左右，分析原因主要是因?yàn)門MS320LF2407自身ADC為10位精度，電位器長度25 mm，供電電壓5 V，ADC的分辨率為0.004 88 V，A/D 轉(zhuǎn)換誤差為0.00488×（5/25）=0.024 4 mm。如果采用精度較高的專用ADC芯片，系統(tǒng)的控制精度將會(huì)更高。

對(duì)移動(dòng)中的汽車進(jìn)行自動(dòng)變焦觀察，截取觀察過程中的四幀圖像，如圖6所示，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性令人滿意，目標(biāo)在觀察距離（79.6875～796.875m）中快速移動(dòng)時(shí)，在視場中成像大小基本恒定，滿足設(shè)計(jì)和工程要求。

5 結(jié)論

本文采用激光測距傳感器，設(shè)計(jì)了以TMS320LF2407為控制核心的自動(dòng)變焦系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、功耗低、控制精度能達(dá)到較高要求等特點(diǎn)。提出了一種自動(dòng)變焦的理論方法，進(jìn)行了硬件電路和軟件流程的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明:控制精度達(dá)到0.02 mm，對(duì)快速移動(dòng)中的物體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變焦，維持目標(biāo)在成像面上大小基本不變，驗(yàn)證了方法的可行性和可靠性，為以后的自動(dòng)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

表1 實(shí)驗(yàn)測試對(duì)比Tab 1 Contrast of experimental test

圖6 自動(dòng)變焦過程中圖像Fig 6 Image in the process of auto-zooming

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