微小型無(wú)人機(jī)攝像鏡頭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西安武警工程大學(xué)信息工程系 楊尚東

西安武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院 鄧春澤

1 鏡頭控制器

機(jī)載攝像鏡頭控制器需要具備良好的實(shí)時(shí)性、可靠性、嵌入性和低功耗等特點(diǎn)。實(shí)時(shí)性要求指令或信令能夠以最快的速度完成處理并輸出控制信號(hào)；可靠性要求具備較強(qiáng)的抗干擾能力；嵌入性要求重量輕、體積小。由于采用同步快速聚焦設(shè)計(jì)，對(duì)控制器的CPU資源占用會(huì)變得非常小，結(jié)合微小型無(wú)人機(jī)攝像鏡頭控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，本文的設(shè)計(jì)完全可以利用微小型無(wú)人機(jī)飛控處理器的剩余運(yùn)算能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此本文采用STM32F103RB ARM處理器的富余I/O資源，以接口函數(shù)的形式加入原有飛控程序中，既減少了系統(tǒng)耗電，又省去了處理器之間的數(shù)據(jù)通信。STM32F103RB ARM處理器是ST公司生產(chǎn)的一款功能強(qiáng)大的微控制器產(chǎn)品，廣泛用于家用電器、應(yīng)用控制、醫(yī)療、手持設(shè)備、PC游戲外設(shè)、GPS平臺(tái)、可編程控制器、變頻器、打印機(jī)、警報(bào)系統(tǒng)等領(lǐng)域，該芯片作為微小型無(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)。

本文的設(shè)計(jì)采用STM32F103RB處理器定時(shí)功能產(chǎn)生控制信號(hào)，主要完成以下工作：（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)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)周期在幾微秒到幾毫秒之間的調(diào)整。（2）通過(guò)驅(qū)動(dòng)器MD127芯片將處理器4個(gè)富余I/O口輸出的時(shí)序方波轉(zhuǎn)變成2個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)定時(shí)器溢出位時(shí)，產(chǎn)生內(nèi)部中斷，進(jìn)行單步驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整定時(shí)長(zhǎng)度控制步進(jìn)電機(jī)的速度。

2 鏡頭控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鏡頭控制主要由ARM處理器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、地面控制端、數(shù)傳電臺(tái)等部分組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成的主要功能為：步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、速度控制，對(duì)步長(zhǎng)的精確控制，按照CPU計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)鏡頭的變倍同步聚焦；地面控制端對(duì)微小型無(wú)人機(jī)攝像鏡頭進(jìn)行實(shí)時(shí)變焦，確保圖像信息的清晰采集，同時(shí)完成對(duì)鏡頭的實(shí)時(shí)控制。飛控系統(tǒng)中的ARM處理器除完成姿態(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；數(shù)傳電臺(tái)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)地面控制端與微小型無(wú)人機(jī)之間的通信，將地面控制端的指令、信令按照要求快速、準(zhǔn)確地傳到無(wú)人機(jī)飛行控制器上，同時(shí)機(jī)載數(shù)傳電臺(tái)將無(wú)人機(jī)的姿態(tài)、GPS坐標(biāo)、速度和壓縮處理后的圖像信息等實(shí)時(shí)傳送到地面控制端。

步進(jìn)電機(jī)安裝在鏡頭上方，鏡頭通過(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)固定在鏡頭內(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SiTI公司的MD127，它是一個(gè)低電壓操作，高效率MOS控制驅(qū)動(dòng)器，芯片具有小型化、輕量化的特點(diǎn)，并具有熱關(guān)斷保護(hù)功能。驅(qū)動(dòng)器芯片的四個(gè)輸入引腳連接單片機(jī)的四個(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)，如圖1所示。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件電路

3 鏡頭控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鏡頭控制系統(tǒng)的軟件程序根據(jù)設(shè)定的模式對(duì)鏡頭發(fā)出各種控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)鏡頭完成該模式下的各種動(dòng)作，并根據(jù)所獲得的參數(shù)來(lái)判斷鏡頭是否正常工作，并且與外圍電路以及地面控制端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。鏡頭控制系統(tǒng)軟件主要由主控制程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序、步進(jìn)電機(jī)位置控制程序、步進(jìn)電機(jī)加減速控制程序等構(gòu)成。

主控制程序通過(guò)對(duì)指令或信令的解析，判斷步進(jìn)電機(jī)的停止和正反轉(zhuǎn)等狀態(tài)，其流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

定時(shí)中斷服務(wù)程序?qū)⒚}沖信號(hào)傳送到MD127驅(qū)動(dòng)器中，完成步進(jìn)電機(jī)的方向和速度變換，實(shí)現(xiàn)變倍同步聚焦，本文設(shè)計(jì)的系統(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3所示。

圖3 定時(shí)中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)單步運(yùn)行

步進(jìn)電機(jī)位置控制程序的工作方法為：步進(jìn)電機(jī)每走一步，步數(shù)減1，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，如果沒(méi)有失步存在，步數(shù)正好減到0，因此，用步數(shù)等于0來(lái)判斷是否移動(dòng)到目標(biāo)位，作為步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)。絕對(duì)位置參數(shù)可作為人機(jī)對(duì)話的顯示參數(shù)，它與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向有關(guān)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，絕對(duì)位置隨每次步進(jìn)加1；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，絕對(duì)位置隨每次步進(jìn)減1。每次定時(shí)器周期中斷都表示步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)走了一步，因此，需要對(duì)相對(duì)位置進(jìn)行加減1操作，根據(jù)轉(zhuǎn)向?qū)^對(duì)位置進(jìn)行加1或減1操作，并且還要判斷絕對(duì)位置是否越界，相對(duì)位置是否為0。絕對(duì)位置在處理器內(nèi)存中實(shí)際的物理意義就是當(dāng)前鏡頭對(duì)應(yīng)的焦距（變焦倍數(shù)），這一參數(shù)配合高度信息可以為地面站判斷目標(biāo)景物大小提供參考依據(jù)。步進(jìn)電機(jī)位置控制子程序在每次定時(shí)器周期中斷時(shí)調(diào)用一次，其流程圖如圖4所示。

圖4 位置控制程序流程圖

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