微型無人偵察機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

微型無人偵察機以其布置迅速、方便靈活的特點，在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－3］。但由于微型無人偵察機載荷小，在實際應(yīng)用中，選用商品化的變焦攝像存在體積大、重量大等問題，制約其功能擴展。在高速飛行過程中，變焦完成后一般通過DSP算法進行聚焦，但其響應(yīng)時間長，無法滿足無人偵察機高機動的應(yīng)用要求，而普通微型鏡頭無變焦功能。本文運用微型無人偵察機飛控內(nèi)部STM32F103RB ARM處理器的富余I/O資源，設(shè)計了一款重量輕、變焦快，且同步聚焦的小型攝像系統(tǒng)，可通過飛控的遙控指令實現(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

傳統(tǒng)的攝像機或照相機在變焦過程結(jié)束后，通常要通過 DSP進行算法聚焦［4－5］，導(dǎo)致時間延遲增大;而微型無人偵察機在進行偵察過程時，飛行速度快、景物動態(tài)范圍大，搭載傳統(tǒng)的攝像機或照相機要實現(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)計了一個變倍同步聚焦鏡頭。

1.1 同步聚焦原理

微型無人偵察機飛行高度通常大于10 m，在100～1000 m之間，攝像系統(tǒng)焦距與無人機飛行高度之比可達到1:100000，因此偵察目標(biāo)可近似為無窮遠。這樣就可以計算出目標(biāo)在無窮遠處，系統(tǒng)焦距每增減0.01mm，在保證目標(biāo)清晰時，鏡片組之間的距離和各鏡片到CCD傳感器靶面的距離。將這些距離點位進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程中變倍組運動曲線;A2D2為補償組運動曲線。變倍組由A1→B1與B1→C1用時相等且運動距離相同，而補償組為保證圖像清晰，在A2→B2與B2→C2中用時相等但距離不同，這相當(dāng)于一個物理二維距離表，將此表加工到鏡筒內(nèi)殼，用步進電機驅(qū)動輸出，在變焦的同時同步完成快速聚焦。

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)

地面控制站要求對微小型無人機機載鏡頭進行實時變焦:1)要確保圖像信息的清晰采集;2)要完成對鏡頭的實時控制。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)測量、飛行控制和遙控遙測通信外，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、步進電機驅(qū)動器、步進電機、CCD鏡頭、地面控制站、數(shù)傳電臺等幾部分組成。

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單片機芯片［6］。該芯片作為微型無人機飛行控制與導(dǎo)航的CPU，具有高性能、低成本、低功耗的特點。在鏡頭控制系統(tǒng)中，它的主要作用是:1)通過程序?qū)崿F(xiàn)飛行過程中的自動拍攝功能;2)檢測變焦過程中的系統(tǒng)故障和錯誤;3)根據(jù)地面控制站指令，完成步進電機控制，實現(xiàn)鏡頭變焦;4)記錄當(dāng)前鏡頭倍率及GPS坐標(biāo)與時間。

步進電機驅(qū)動電路完成的主要功能為［7］:步進電機的正反轉(zhuǎn)、速度控制，對步長精確控制，按照CPU計算結(jié)果，實現(xiàn)鏡頭的變倍同步聚焦。

2 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要由ARM處理器和驅(qū)動電路組成。

2.1 ARM處理器I/O接口

系統(tǒng)利用STM32F103RB處理器定時功能產(chǎn)生控制信號［8］。針對現(xiàn)有資源完成以下設(shè)計:1)通過16位的定時器，控制步進電機的周期和步長，使步進電機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個口輸出的時序方波經(jīng)驅(qū)動器MD127芯片轉(zhuǎn)變成步進電機的驅(qū)動信號。步進電機有3種狀態(tài):前進、后退、停止，對應(yīng)地面控制站的3條指令。當(dāng)16位定時器溢出位時，產(chǎn)生內(nèi)部中斷，完成單步驅(qū)動，通過調(diào)整定時長度可以實現(xiàn)靈活控制步進電機速度的目的［9］。

2.2 驅(qū)動電路

步進電機使用Faulhaber公司的AM1220－V3－ee，為兩相四線微型步進電機，步矩角為18°，直徑為12mm，重量僅為9 g。步進電機安裝于鏡筒上方，鏡筒通過卡槽與CCD傳感器芯片相連，步進電機轉(zhuǎn)軸與減速齒輪嚙合。步進電機轉(zhuǎn)動時，通過減速齒輪推動固定在鏡筒內(nèi)側(cè)凹槽上的兩組鏡片。驅(qū)動電路的驅(qū)動器采用了SiTI公司的MD127，考慮到微型無人機進行偵察時大氣溫度通常在－40～+80℃，為保證鏡頭能夠正常工作，工作電壓為5 V時，步進電機最大驅(qū)動電流可以達到500 mA。MD127是一個低電壓操作，高效率MOS控制驅(qū)動器，芯片超小、超輕，并具有熱關(guān)斷保護功能。驅(qū)動器芯片的4個輸入引腳連接單片機的4個I/O口，通過驅(qū)動器的兩組對稱輸出引腳來控制步進電機，見圖4。

圖4 電機驅(qū)動硬件電路Fig.4 Motor driving circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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、定時中斷服務(wù)程序等構(gòu)成。主控制程序是通過對指令或信令解析出步進電機的停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等狀態(tài)標(biāo)識。定時中斷服務(wù)程序?qū)⒚}沖信號送入MD127驅(qū)動器中，按要求實現(xiàn)步進電機的方向和速度變換，實現(xiàn)變倍同步聚焦。該系統(tǒng)采用定時中斷實現(xiàn)單步步長，定時中斷服務(wù)程序如圖5所示。圖6為兩相步進電機工作時序波形。

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

圖6 雙四拍兩相步進電機驅(qū)動時序Fig.6 Sequence diagram of bi-directional，four-step and two-phase stepper motor driver

4 成像試驗

微型無人偵察機載荷小，難以搭載市售數(shù)碼攝像機，變倍同步聚焦鏡頭性能測試為通過車載運動對車外100 m目標(biāo)進行試驗。試驗條件為:30萬像素、汽車速度15 m/s、曝光時間1/100 s。試驗分為兩組:第1組在系統(tǒng)為3.8mm焦距時拍攝目標(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

實驗還對鏡頭最小焦距到最大焦距響應(yīng)時間進行測試，實驗結(jié)果為:所設(shè)計鏡頭3倍變焦時間為0.4 s，優(yōu)于普通30萬像素數(shù)碼攝像機0.6 s的響應(yīng)時間，實驗達到預(yù)期要求。

5 結(jié)論

本文介紹了一種步進電機驅(qū)動實現(xiàn)的快速同步聚焦UAV機載鏡頭控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)電路進行了設(shè)計。系統(tǒng)電路簡單、輕巧靈活，已用于微型無人機系統(tǒng)。經(jīng)試飛表明，該控制系統(tǒng)能可靠地驅(qū)動CCD鏡頭快速變倍同步聚焦，圖像連貫性好，有很好的實用價值。

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