基于云臺的無線視頻監管系統設計

魏 雅

(陜西工業職業技術學院， 陜西 咸陽 712000)

【信息科學與控制工程】

基于云臺的無線視頻監管系統設計

魏 雅

(陜西工業職業技術學院， 陜西 咸陽 712000)

針對消防危險火場畫面實時采集、海上監視畫面采集、道路實時監控、 密集環境視頻勘察、自我識別、宣傳等方面的應用，設計了基于云臺的無線視頻監管系統。系統通過姿態的融合算法及穩定云臺的控制算法，采用無線網絡、穩定云臺、單片機控制等技術，實現了穩定視頻采集、實時畫面無線傳輸、智能避障、自動語音播報等功能。

無線圖傳；穩定云臺；語音播報；微處理器；PID算法

隨著科技的發展和生活水平的提高，圖像監控越來越被廣泛地應用于航拍、安防監管、交通監控等領域[1]，極大地提高了人們在娛樂、生活和工作中的安全系數。近年來被監控對象的種類日益豐富，目標移動軌跡更加不確定，工作環境更加復雜，使得原先固定不動的監控設備已不能很好地滿足人們對動態監控的需求。因此，可移動的設備如何解決運動過程中振動帶來的不良影響，始終保持移動過程中的畫質清晰和準確對焦，這是一項需要克服的難題。

就上面的問題，運用穩定云臺、傳感器、無線網絡等技術，設計一套無線視頻監管系統，具備穩定視頻采集、實時畫面顯示、無線傳輸、智能避障、自動語音提醒等功能，以滿足不同用戶、不同環境的需求。

1 研究進展

在前期的課題研究中，已經設計了一款能自動控制并且可遙控的智能小車。基于本研究的要求，在智能小車上掛載一個高清運動相機，并將攝像頭采集到的視頻實時傳輸到顯示終端上，模擬實現FPV(第一人稱駕駛)；在智能小車上增加距離檢測傳感器，可根據傳感器測量值進行簡單避障；在智能小車上增加語音功能模塊，可在一定情況下發出特定語音提示；在智能小車上增加穩定云臺，穩定云臺掛載高清運動相機，可使攝像頭在車輛顛簸的時候，始終保持穩定，確保采集的圖像穩定，無抖動。

2 主要硬件系統設計

依據系統擴展功能要求，系統由無線圖傳發射模塊、無線圖傳接收模塊、無線圖傳顯示終端、高清運動相機、避障模塊、語音模塊、穩定云臺和云臺控制模塊組成。系統硬件框圖如圖1。

圖1 硬件框圖

無線圖傳發射模塊主要功能是接收高清運動相機的圖像采集數據[2]，通過5.8G無線射頻發射出去；無線圖傳接收模塊接收到發射模塊發出的數據后，顯示在無線圖傳終端顯示器上。當車體出現傾斜、顛簸時，云臺控制模塊通過一個ARM單片機控制兩軸云臺電機旋轉相應的角度，保持云臺掛載的相機始終相對于大地平穩，確保相機拍攝的圖像平穩。同時，云臺控制模塊還不斷檢測避障模塊的信息，一旦檢測到車體與前方障礙物達到一定距離時，控制語音模塊發出特定的聲音提醒。整個系統協調工作，使采集到的畫面清晰可見。

2.1 系統主控部分設計

系統主控部分使用ST公司生產的STM32系列ARM微處理器，它具有高性能、低功耗的特點[3]，具有先進的RISC結構，內部集成兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時器/計數器和一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器。圖2所示為控制器部分的MCU最小系統電路原理圖。

2.2 云臺控制模塊的設計

如圖1所示，云臺控制模塊由云臺電機的驅動電路[4-5]、姿態解算電路、超聲波信息采集電路和語音發聲模塊控制電路組成。

本系統使用了一個能夠實現被控物體主動消除振動和自適應定向跟蹤的增穩螺旋儀[6]。云臺結構根據在立體空間中自由度的數目可分為單軸、雙軸或三軸結構，其中三軸云臺能實現三維空間中任意方向的轉動[4]，具有更高的靈活性，應用領域也更廣，所以系統選用三軸云臺。

增穩云臺上安裝姿態測量傳感器(MPU-6050)，在車體顛簸過程中通過傳感器測量相機相對大地的偏角，根據此轉角來驅動云臺相應軸系的電機轉動，可達到始終保持相機相對大地穩定[7-9]。無刷直流電機驅動電路采用PWM開關管驅動方式，這種方式具有體積小，效率高，熱量小等特點，適合小體積的安裝空間要求[10]。電機實物如圖3所示。云臺結構設計模型如圖4所示。

圖2 單片機最小系統電路原理

圖3 云臺電機實物

圖4 云臺結構模型

避障模塊采用超聲波測距模塊，通過云臺控制模塊的單片機采集超聲波模塊的距離測量值，并在車體與障礙物達到一定距離時，通過語音模塊進行避障提示。同時，車體在單片機的控制下避開障礙物。超聲波實物如圖5所示。語音模塊選擇ISD4004語音模塊，其特點可進行錄音、放音，小巧、輕便。語音模塊實物如圖6所示。

圖5 超聲波模塊實物

圖6 語音模塊實物

3 軟件設計

ARM單片機主要完成姿態傳感器的信息采集，姿態的融合算法，無刷云臺電機的驅動，穩定云臺的控制算法，超聲波信息采集，語音模塊的語音控制等。

穩定云臺的控制算法主要采用PID控制算法。模擬PID控制系統組成如圖7所示。

圖7 模擬PID控制系統原理框圖

PID調節器是一種線性調節器[7]，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。

PID調節器的微分方程為

式中e(t)=r(t)-c(t)。

PID調節器的傳輸函數為

PID調節器各校正環節的作用：比例環節，即時成比例地反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，調節器立即產生控制作用以減小偏差。積分環節，主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環節，能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。

數字PID控制器的差分方程

PID控制算法流程如圖8所示。

圖8 PID算法流程

4 結束語

此無線視頻監管系統，具備穩定視頻采集、實時畫面顯示、無線傳輸、智能避障、自動語音提醒等功能，能滿足不同用戶、不同環境對視頻采集的需求。系統穩定性好，應用范圍廣，具有實用價值。

[1] 杜瑞.基于云臺的視頻無線傳輸系統設計[J].計算機光盤軟件與應用，2013 (23):273-274.

[2] 李洋,陳剛,楊樹峰.一種便攜式無線云臺音視頻交互設備[P].中國專利：CN203942578U，2014.

[3] 楊靈峰.基于ARM9的監獄無線視頻監控系統設計與實現[D].廣州：中山大學，2014.

[4] 王川,王亞龍.一種基于前置三軸式云臺的小型電動無人直升機航拍系統[P].中國專利： CN202953178，2013-04-10.

[5] 趙書朵 諶海云.視頻監控系統中云臺控制模塊的設計與實現[J].重慶科技學院學報(自然科學版),2010,12(1):144-146.

[6] 李陽，李楊.基于虛擬儀器的分布式云臺無線控制系統設計[J].計算機測量與控制,2013,21(5):1217-1219.

[7] 李亞康，謝志遠，聶盛陽，等.基于虛擬儀器的分布式直流電機PID控制系統設計[J].河北大學學報(自然科學版),2015,35(4):432-437.

[8] 葉晨，任秀梅.高清云臺攝像機視頻信號的傳輸系統[P].中國專利:CN202818498U,2013-03-20.

[9] 陳強,郎躍東,張巍.一種索道攝像機系統及其控制及視頻信號傳輸方法[P].中國專利:CN104994271A,2015-05-28.

[10]萊安科技.如何將無線視頻傳輸和云臺無線控制同時進行[EB/OL].[2016-10-20].http://www.szlaian.com/newsitem/272709267.

[11]王越，龐振營，王帥，等．嵌入式無線視頻監控系統的設計與實現[J]．重慶理工大學學報(自然科學)，2015(4)：67-72．

(責任編輯 楊繼森)

Design of Wireless Video Monitoring System Based on Pan-Tilt

WEI Ya

(Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China)

Using the attitude fusion algorithm and stable Pan-tilt control algorithm, the wireless video monitoring management system is designed by wireless network, stable Pan-tilt and single chip microcomputer control. It can realize the function of stable video acquisition, real-time image wireless transmission, intelligent automatic obstacle avoidance, speech and others. This system has been widely used in the real-time collection of the dangerous fire image in the fire control, the acquisition of maritime surveillance footage, the road real-time monitoring, the video survey of the dense environments, self-recognition, publicity and so on.

wireless transmission; stable ptz; voice broadcast; microprocessor; PID algorithm

2016-12-20；

2017-01-25 基金項目：陜西省咸陽市科技局項目“基于單片機的電動智能小車設計制作與應用”(2014KT-25)

魏雅(1973—)，女，碩士，副教授,主要從事電子信息技術研究。

10.11809/scbgxb2017.05.023

format:WEI Ya.Design of Wireless Video Monitoring System Based on Pan-Tilt[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):102-105.

TN946.1

A

2096-2304(2017)05-0102-04

本文引用格式：魏雅.基于云臺的無線視頻監管系統設計[J].兵器裝備工程學報，2017(5):102-105.