基于STM32的激光目標追蹤系統設計

鄧炯 覃筱燕 蘇秋仁 李麗萍 衛樹花

摘? 要：由于目標追蹤系統在運動過程中會出現追蹤中心與目標的偏移增大問題，導致追蹤誤差高，因此，設計一種采用探測器作為目標標志的激光目標跟蹤系統。利用探測器采集追蹤激光信號，并傳遞給STM32。STM32對信號運算處理，伺服電機調整追蹤激光器角度。結合光斑中心定位程序算法設計，完成對目標的跟蹤。實驗表明，設計系統的X軸和Y軸偏移量都低于現有系統，且設計系統的偏移量只由相對速度決定，與速度無關，證明了設計系統在運動平臺下運行的可行性。

關鍵詞：追蹤激光器；四象限探測器；運動平臺；微處理器

中圖分類號：TN247? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）18-0069-04

Design of Laser Target Tracking System Based on STM32

DENG Jiong1，2， QIN Xiaoyan1，2， SU Qiuren1，2， LI Liping1，2， WEI Shuhua1，2

（1.Guangxi University Xingjian College of Science and Liberal Arts， Nanning? 530005， China;

2.Guangxi Vocational University of Agriculture， Nanning? 530009， China）

Abstract： Due to the problem of increasing offset between the tracking center and the target during the motion process of the target tracking system， which leads to high tracking error， a laser target tracking system using a detector as the target marker is designed. The detector is used to collect the tracking laser signal and transmit it to STM32. STM32 performs signal processing and servo motor adjusts the angle of the tracking laser. Combined with the design of program algorithm for locating the spot center， the tracking of the target is completed. The experiment shows that the X-axis and Y-axis offset of the designed system are lower than those of the existing system， and the offset of the designed system is only determined by the relative velocity， regardless of the speed， demonstrating the feasibility of the designed system under the motion platform.

Keywords： tracking laser; four-quadrant detector; motion platform; microprocessor

0? 引? 言

目標追蹤技術是指通過對運動物體的位置、速度、方向等信息進行分析和處理，從而實現對其運動軌跡進行跟蹤和預測的一種技術[1]。隨著機器學習、人工智能等諸多領域的不斷發展，目標追蹤技術的精度、可靠性也不斷提高，應用領域越來越擴大。例如在安防領域，利用目標追蹤系統對公共場所、重要設施、住宅區等場所的人員、車輛等物體進行實時跟蹤，可以有效保障社會安全[2]。但在目標追蹤技術快速發展的同時，也對其運動狀態下的穩定追蹤性能提出了更高要求[3]。如何克服系統運動過程中造成的追蹤中心與目標的偏移、誤差增大問題，是研制運動平臺下的目標追蹤系統的目的。

對于運動平臺下目標追蹤系統，國內外很多學者都進行了大量的研究。目前已取得的研究成果主要集中在提高目標檢測和跟蹤算法的精度、使用精密傳感器技術提高目標檢測和跟蹤的準確性等方面。國外有學者提出了一種基于毫米波雷達與攝像頭融合的運動平臺目標追蹤系統，采用PDA算法對多傳感器的數據進行融合，借以克服跟蹤誤差，但追蹤點與目標中心偏移波動較大。國內有學者提出一種基于GPS的運動平臺目標追蹤系統，采用EKF濾波算法，可有效降低粗差觀測值帶來的誤差，但是由于GPS信號的延遲，導致及時性不高。針對以上問題，設計一種采用四象限探測器作為目標標志的運動平臺激光目標跟蹤系統，并對其深入研究。

1? 系統總體設計

系統由運動平臺追蹤系統和被追蹤電路兩部分構成。其中運動追蹤系統由無線接收模塊、單片機、無刷步進電機、激光發射器構成[4]。被追蹤電路由四象限光電探測器、前端調理電路、模數轉換模塊、無線發射模塊構成[5]。其工作原理是：運動平臺追蹤系統發射的激光信號照射到作為目標標志的四象限光電探測器時，四象限光電探測器把激光光斑信號轉換成電信號，經過前端調理電路的低通濾波和放大，再通過數模轉換模塊轉變成數字信號，最后通過無線發射模塊把信號發射出去。無線接收模塊接收到探測器信號后傳遞給單片機，單片機通過預制的算法程序進行運算，得到相應的電機旋轉數據。依據該數據，電機帶動固定在電機上的激光發射器旋轉到精準的追蹤角度，實現對安裝有被追蹤電路的目標的追蹤。系統總體設計如圖1所示。

2? 硬件設計

2.1? 追蹤目標信號處理系統

激光光斑探測器可選擇PSD、CCD、四象限光電探測器等[6]，其中四象限光電探測器具有探測精度高、響應快速、價格便宜的特點。設計選用日本濱松S5981四象限光電探測器，有效面積為10 mm×10 mm，光譜識別區間320～1 100 nm，峰值靈敏度為960 nm，光敏度為0.72 A/W，暗電流最大值為4 000 pA。

前端放大電路選擇AD623，用于放大四象限光電探測器輸出的電流信號，它具有低失調電壓、低偏置電流和高共模抑制比的特性，可保證系統的高精度和穩定性。AD623工作電壓為±2.25～±18 V，典型工作電流為800 ?A。四象限探測器的單個光電二極管的輸出采用差分信號的模式輸入放大電路的IN+口和IN-口，在前端通過由C1、C2、C3、R3、R4構成低通濾波器輸入到AD623，然后由OUT口輸出放大信號。設計采用AD623單電源工作方式，電壓為10 V，設計輸入輸出增益倍數為100。設計電路如圖2所示。

模數轉換電路中的芯片選擇ADS131A04同步采樣24位模數轉換器，ADS131A04輸入端為四通道，數據傳輸速率最高可達128 kSPS，有效分辨率達到8 kSPS，單電源供電3.3～5.5 V，采用SPI數據接口。前端放大電路輸出的四路放大信號差分輸入到ADS131A04的四路AIN口，使用晶振頻率16 MHz，采樣頻率16 K。其設計外圍電路如圖3所示。

2.2? 運動平臺追蹤系統

2.2.1? 無線收發模塊

設計采用NRF24L無線收發模塊。接收模塊在收到數據后，無須編程即可發送應答信號?？蓪崿F自動檢測和重發功能，具備較高可靠性[7]。NRF24L技術參數如表1所示。

2.2.2? 微處理器

微處理器采用意法半導體的STM32F407IGT6，其內核為32位ARM Cortex-M4。為了保證穩定性，沒有使用內部時鐘，而是采用8 MHz的晶振提供外部時鐘頻率。電源采用LD1117芯片提供3.3 V工作電壓，該芯片具備非常優良的負載適應性，輸出電壓可控制在1%的極低范圍內[8]。

2.2.3? 追蹤激光器

為保證所設計系統的探測效果，采用808 nm的大功率高能半導體激光頭加強光信號，出射的激光穿過設置在激光頭前的可調光闌，調整光闌可改變照射到四象限光電探測器上的激光光斑大小，避光斑過大、超出探測器的探測面積。

2.2.4? 驅動電機

電機采用松下DSMFA6低轉動慣量伺服電機，額定輸出功率50～100 W，額定轉速3 000 r/min，額定電壓200 V。電機通過A6SE伺服電機驅動器連接到STM32F407IGT6，實現MCU對電機的控制。通過水平軸電機和垂直軸電機兩個電機，進一步帶動固定在電機轉臺上的激光器在兩個自由度上進行跟蹤運動。

2.3? 光斑中心坐標算法

單片機是通過獲得光斑中心的坐標來驅動電機自動跟蹤的，所以如何獲得光斑中心偏移初始位置的偏移量Δx和Δy是本設計的關鍵所在。

激光光斑照射到四象限探測器時，四個象限的電壓U1、U2、U3、U4滿足公式：

其中M是由四象限探測器決定的一個常數，可根據具體探測器來測定，x、y是初始時刻光斑中心相比于四象限探測器中心偏移的橫坐標和縱坐標，理想情況下應該都是0。

聯立（2）式和（3）式，可算得偏移量Δx、Δy：

3? 實驗分析

3.1? 實驗設計

將運動追蹤系統和追蹤目標分別置于兩個運動平臺上，實驗系統如圖4所示。保持追蹤目標處于運動追蹤系統的正上方，高度差為Δh = 1 m。然后通過改變運動追蹤系統和追蹤目標的運動速度，測試激光跟蹤時光斑在不同時刻時偏離初始中心的偏移量Δx和Δy。數據讀取通過連接在STM32上的PC機完成，軟件采用ATK XCOM串口調試程序。

3.2? 實驗結果分析

3.2.1? 運動速度和光斑偏移量關系的分析

分別設置運動追蹤系統和追蹤目標的速度，實驗中具體設置了4組：第1組（50 mm/s，40 mm/s）、第2組（50 mm/s，30 mm/s）、第3組（50 mm/s，20 mm/s）、第4組（50 mm/s，10 mm/s）。分別測試Δx和Δy隨時間的變化關系，實驗結果如圖5和圖6所示。

分析圖4和圖5可發現，無論偏移量是Δx或Δy，它們都隨運動追蹤系統和追蹤目標的相對速度的增大而增大。這是因為運動追蹤系統的工作頻率是固定的，只有在識別到偏移后才會通過追蹤來縮小偏移量，而相對速度的增加會導致兩次識別過程中的偏移量增加。

還可以發現，第一組Δx的最大值和最小值的偏差值為0.29 mm、第二組為0.32 mm、第三組為0.39 mm、第四組為0.56 mm，也隨相對速度的增大而增大，但增加量級是10-2 mm，在追蹤過程中可以忽略不計，表明系統具有持續追蹤的可靠性。偏移量Δy也具有和Δx類似的特點。

另外，當相對速度增大到50 mm/s以上時，激光光斑的偏移會超出四象限探測器，導致無法記錄實驗結果，所以未記錄在圖4、圖5中。

3.2.2? 各自速度和光斑偏移量關系的分析

為了研究追蹤系統和追蹤目標的各自速度對偏移量的影響，進行了12組測試并分為4個系列分配如表2所示。

記錄各組偏移量Δx和Δy的平均值與相對速度的關系。實驗結果如圖7所示。

分析圖7可發現，在相對速度為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s時，相應的四組速度的偏移量平均值幾乎重合，偏差值不超過0.5 mm/s，說明追蹤系統和追蹤目標的各自速度與偏離值之間沒有決定性的關系，證明系統可以在各種速度下實施穩定的追蹤。

4? 結? 論

在目標追蹤器的研究領域中，提高追蹤精度是最重要的一個問題。為此采用了STM32F407IGT6為核心控制部件，借助四象限探測器，無線數據模塊等設備設計了運動平臺下的激光目標追蹤系統。設計過程中，充分利用精密電機、算法程序來提高系統的追蹤精度。但在遠程和高速條件下的追蹤設計還有待進一步的提高和完善。本設計在動作捕捉、物品搜尋、激光電力輸送、無人機定點作業等應用領域具有參考價值。

參考文獻：

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[3] 劉澤平，劉明興，麻方達，等.基于移動目標檢測和目標追蹤的全局視覺AGV的定位算法 [J].青島大學學報：自然科學版，2022，35（1）：85-92.

[4] 楊丙麗，曹佩蕾，姚玉瑩.基于樹莓派的目標追蹤系統的設計與實現 [J].數字技術與應用，2021，39（12）：180-182.

[5] 吳文滔，鄧政，陳敏，等.基于OpenCV的智能跟隨行李箱控制系統設計 [J].農家參謀，2020（23）：167.

[6] 陳洪芳，孫衍強，王亞韋，等.高精度激光追蹤測量方法及實驗研究 [J].中國激光，2018，45（1）：166-173.

[7] 鄧志軍.融合激光雷達與激光測距傳感器的接觸網狀態檢測系統研究 [J].機電信息，2022（22）：52-54.

[8] 王慶林，李輝，謝禮志，等.基于激光雷達點云的車輛目標檢測算法改進研究 [J].電子測量技術，2023，46（1）：120-126.

作者簡介：鄧炯（1977—），男，漢族，廣西柳州人，講師，碩士，研究方向：電路與系統；通訊作者：衛樹花（1978—），女，漢族，廣西桂林人，中級經濟師，本科，研究方向：財務裝備信息化。