微型無人機變焦攝像機設計

遲曉鵬，羅衛兵，劉廣斌（武警工程大學信息工程系，陜西西安710086）

微型無人機變焦攝像機設計

遲曉鵬，羅衛兵，劉廣斌
（武警工程大學信息工程系，陜西西安710086）

機載攝像機是微型無人機實施戰術偵察的關鍵設備。本文突破傳統機載攝像機采用定焦或基于DSP聚焦的思路，在特定飛行高度，提出變倍同步聚焦技術，并對變倍同步聚焦的基本原理、臺階擬合法等技術進行了研究，對鏡頭凸輪曲線進行了設計，并利用ZEMAX軟件對凸輪曲線進行了擬合和優化，設計了相應的驅動控制電路和視頻采集系統。經過飛行測試驗證，所設計的快速變倍同步聚焦攝像機的性能達到了空中偵察要求。

微型無人機；變焦攝像機；變倍同步聚焦鏡頭；步進電機驅動

O 引言

微型無人機在低空偵察過程中，視野變化較快，動態范圍較大，現有的微型攝像機要么無變焦功能，只能進行大范圍偵察，對具體目標重點偵察時，需要進一步降低無人機的飛行高度來實現，增加了行動風險［1］；要么采用常規技術的變焦攝像機，因DSP芯片運用聚焦算法致使響應速度慢、圖像高頻分量捕獲不準確，出現攝像機變焦時間長、反應遲鈍等現象［2-3］。國內微型無人機機載攝像機為貨架商品，無法達到戰術偵察要求。美軍微型無人機搭載的變焦攝像機，對中國禁售且實行技術封鎖，無法在市場購買其成品。本文研發的適用于微型無人機的快速變焦攝像機，能夠滿足相關戰術偵察需求。

1 關鍵技術研究

1.1 變倍同步聚焦原理

微型無人機在高空偵察過程中，離地高度通常在100 ～1 000 m之間，在日常的模擬訓練和實際的作戰偵察中，無人機飛行高度通常在100 m以上。假設物距在100 m以外，而攝像機的焦距在3～60 mm，透鏡成像公式為：

其中，u為物距，v為像距，f為焦距。與焦距相比，物距可以近似看成無窮遠的距離，所以在攝像機鏡頭設計過程中，可將物距看作無窮遠，將變焦的連續過程分解成一個連續的微分過程。在變焦過程中，步進電機每推動變倍鏡元組向前移動一定距離，通過實驗和軟件仿真計算的方法，使相應的補償組元進行微小的移動，找到一個像面達到最清晰時的點位。相對于焦平面，所有鏡片組元的點位可以在計算機內存儲，將透鏡組的變焦與聚焦步長通過提前運算和修正，固化到兩條不同的螺旋曲線運動軌跡上，變焦步長可以分解為若干個足夠精細的連續點，螺距每前進或后退一個步長，在另一條螺旋曲線上對應一個聚焦補償組的輸出位置，將所有步長提前計算和實際校準后，形成一個固化的透鏡組距離“表”，利用步進電機驅動，每個步長對應一個螺距，步進電機通過減速組很容易達到0. 01°/steP的精度，如此就實現了連續變焦時的同步聚焦。

1.2 臺階擬合法

臺階擬合法是通過多段的頻率跳躍逐漸達到比較高的頻率［4］。其原理如圖1所示。該方法程序設計簡單，負載力矩較小。在升速過程中，開始頻率跳躍可以比較大，每一頻率段持續時間較短，隨著頻率的升高，頻率跳躍逐漸減小，每個頻率段持續時間逐漸延長，直至頻率升到工作頻率。使用臺階擬合法容易做到機載鏡頭的步進電機在短時間內降速，這樣可延長步進電機的升速時間，使升速曲線編制更加合理。使用該方法編制降速曲線時，頻率跳躍可以比升速曲線大很多，通常是升速曲線頻率跳躍的2倍。

圖1 臺階擬合法原理圖

2 鏡頭設計

2.1 鏡頭光學系統組成

本文設計了一款變焦范圍在4～9 mm的機載變倍同步聚焦攝像機。對一個低放大倍率的光學系統，鏡頭焦距不長，視場較大，選擇折射型光學系統。為降低系統重量和減小尺寸，考慮應用最簡單的兩組元變焦系統，補償形式應用正組補償。

為簡化設計過程，運用文獻資料和專利，結合光學設計理論與性能要求，在ZEMAX軟件中，設計出系統的初始結構與各項參數，圖2（a）所示為系統調整前的二維結構圖。初始結構輸入后，由于系統焦距與設計要求有差異，需要通過調整來實現，圖2（b）所示是系統按要求調整后的二維結構圖。

圖2 二維結構圖

在整個鏡頭構件的物理尺寸不超過設計要求的總長42 mm前提下，計算機仿真結果顯示，鏡頭變焦的范圍可遠遠超過4～9 mm。在計算機仿真優化的指導下，經實際加工后，最終獲得3.7～14.8 mm的變焦鏡頭，變倍也由2.5倍擴展到4倍。

2.2 凸輪曲線設計

微型無人機飛行高度通常在100～1 000 m之間，攝像機焦距與無人機的飛行高度之比可達到1：100 000，因此，偵察目標可近似為無窮遠，這樣就可以計算出目標在無窮遠時，在保證目標清晰的前提下，系統焦距每增減0.01 mm，鏡片之間的距離和各鏡片到圖像傳感器靶面的距離。如圖3所示，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，此相當于一個二維距離表。在ARM處理器下達指令驅動變倍組運動時，ARM處理器同時調用存儲器內置的距離表，給補償組下達一一對應的指令，使補償組執行特定的運動，實現變倍同步聚焦功能。

圖3 變倍同步聚焦曲線

3 鏡頭控制系統

3.1 鏡頭控制器

采用同步快速聚焦設計對控制器的CPU資源占用會變得非常小。根據微型無人機攝像控制系統的設計要求和任務需要，采用微型無人機上某型號處理器的富余I/O資源，以接口函數的形式加入原有飛控程序中，既減少了系統耗電，又省去了處理器之間的數據通信，完成了一款重量輕、變焦快，且同步聚焦的小型攝像機，可通過飛控的遙控指令，實現連續快速變倍與同步聚焦功能。鏡頭控制器的主要作用是通過程序實現飛行過程中的自動拍攝功能、檢測變焦過程中的系統故障和錯誤、根據地面控制站指令完成步進電機控制、記錄當前鏡頭倍率及GPS坐標與時間［5］。

3.2 鏡頭控制的硬件設計

鏡頭控制主要由ARM處理器、步進電機驅動器、步進電機、地面控制站、數傳電臺等幾部分組成［6］。飛控系統中的ARM處理器除完成姿態測量、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。步進電機驅動電路完成的主要功能為：步進電機的正反轉、速度控制、對步長精確控制、按照CPU計算結果實現鏡頭的變倍同步聚焦。數傳電臺的任務是實現地面控制站與無人機之間的通信，將地面控制站的指令、信令等按照要求快速、準確地傳到無人機飛行控制器上，機載數傳電臺將無人機的姿態、GPS坐標、速度、壓縮處理后的圖像信息等實時傳到地面控制站。

3.3 鏡頭控制系統軟件設計

鏡頭控制程序設計主要是根據設定的模式對鏡頭發出各種控制信號，驅動鏡頭完成該模式下的各種動作［7］，并根據所獲得的參數來判斷鏡頭是否正常工作，并且可以與外圍電路以及地面控制站進行數據傳輸［8 -9］。

鏡頭控制系統軟件主要由主控制程序、定時中斷服務程序、串口通信程序、步進電機位置控制程序、步進電機加減速控制程序等構成。主控制程序通過對指令或信令進行解析，獲得步進電機的停止、正轉和反轉等狀態標識，其流程圖如圖4所示。

定時中斷服務程序將脈沖信號送入MD127驅動器中，按要求實現步進電機的方向和速度變換，實現變倍同步聚焦。本系統采用定時中斷實現單步步長。定時中斷服務程序流程如圖5所示。

圖4 主程序流程圖

圖5 定時中斷服務程序實現步進電機單步運行

4 視頻采集處理系統

4.1 視頻采集處理硬件設計

系統視頻采集處理系統主要由CMOS圖像傳感器芯片、處理器、變倍同步聚焦鏡頭、數傳電臺等部分組成，如圖6所示。視頻信號源來自變倍同步聚焦鏡頭，光信號經鏡片照射到數字圖像傳感器的CMOS感光元件上，圖像傳感器采集視頻信號，經內部集成的解碼電路完成模/數轉換，輸出符合CCIR601標準的YUV422數字視頻信號、行同步信號、場同步信號及奇偶場指示信號，通過處理器內置的壓縮電路對采集到的圖像數據進行MPEG-4壓縮，將數據暫存，由處理器通過數傳電臺將圖像數據傳到地面控制站的計算機中。

圖6 視頻采集系統框圖

4.2 軟件實現

視頻采集及處理系統的軟件部分主要包括：圖像傳感器初始化、處理器初始化、存儲器切換、讀取并發送壓縮數據等。主要程序流程圖如圖7所示。

圖7 視頻采集處理主程序流程圖

5 圖像測試結果及分析

為檢驗產品性能，更直觀地觀測實驗結果，利用某型處理器芯片將視頻信息以數字形式通過MPEG-4壓縮后送到數傳電臺輸出，地面控制站通過數傳電臺接收數字信息再經視頻采集盒編碼傳至顯示器上。此視頻輸出設計有利于觀察和記錄圖像處理的各個階段，便于程序調試。

將變焦攝像機安裝到微型無人機下方，將無人機置于空中巡航模式，設定速度為50 km/h，圖8所示為無人機瞬時速度14.2 m/s、距地面132.8 m高度時采集的視頻信息。

圖8 無人機載視頻采集

實驗還對鏡頭從最小焦距到最大焦距變化時的響應時間進行測試，采用本文設計的攝像機與普通數碼攝像機分別進行連續變焦實驗，通過錄像，由編輯軟件計時，得到10組數據再取平均值。

實驗結果表明，所設計的4～9 mm鏡頭在用模板測試過程中，無“虛點”導致的圖像模糊現象；進行2.5倍變焦時間為0.36 s，優于普通數碼攝像機0.83 s的響應時間；改進的3.7～14.8 mm鏡頭進行4倍變焦時間為0.57 s，具有更好的變倍同步聚焦功能。圖9所示為3.7 mm和14.8 mm焦距時的黑白檢測板圖像。經過一系列的測試實驗，攝像機各項參數基本達到了預期設計要求，在變焦過程中，步進電機沿著凸輪曲線的路徑推動鏡頭各組元快速運動，保持了像面平穩，基本無抖動。

圖9 3.7～14.8 mm鏡頭采集檢驗模板視頻截圖

6 結論

本文在特定高度提出了變倍同步聚焦技術并分析其原理，對機載攝像機的光學鏡頭和凸輪曲線進行設計，對鏡頭控制系統和視頻采集系統進行了研究。經實驗測試，本文設計的機載攝像機符合部隊要求，能夠有效提升戰斗力。

［1］王慶江，彭軍，倪保航，等.無人機偵察效能研究［J］.火力與指揮控制，2015，40（5）：167-170.

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Design ofmini-UAV airborne zoom camera

Chi XiaoPeng，Luo Weibing，Liu Guangbin
（DePartment of Information Engineering，Engineering University of PAP，Xi'an 710086，China）

Airborne camera is the key imP1ementation to carry out the tactica1 reconnaissance ofm ini-UAV.This PaPer breaks through traditiona1way for DSP focused or fixed focus of airborne cameras.In certain a1titude，the technique of synchronous focus zoom and steP fitting was studied and Put forward，such as design of 1ens cam curve，fitting and oPtim ization for cam curve using ZEMAX，the drive contro1 circuit and video acquisition system were designed.The f1ight test resu1ts show that the Performance of synchronous focus zoom camera can meet the design requirements of aeria1 reconnaissance.

mini UAV；zoom camera；synchronous focus zoom 1ens；steP motor driver

TN947

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.028

遲曉鵬，羅衛兵，劉廣斌.微型無人機變焦攝像機設計［J］.微型機與應用，2016，35（9）：97-100.

2016-01-06）

遲曉鵬（1982 -），男，博士研究生，主要研究方向：軍事通信。

羅衛兵（1969 -），男，博士，教授，博導，主要研究方向：軍事通信。

劉廣斌（1990 -），男，碩士研究生，主要研究方向：軍事通信。