專利名稱：車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，適用于車載、軌道條件影視拍攝領(lǐng)域，并 能根據(jù)用戶需求，拓展應(yīng)用于地面?zhèn)刹椤⒗走_(dá)穩(wěn)定、戰(zhàn)車火炮穩(wěn)定等領(lǐng)域，應(yīng)用于海關(guān)、邊防 緝私取證、移動(dòng)指揮視頻獲取等。
背景技術(shù)：
車載、軌道條件影視拍攝在有效隔離運(yùn)動(dòng)載體對(duì)有效載荷造成的角運(yùn)動(dòng)干擾的同 時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的跟蹤、鎖定。為了保證視軸穩(wěn)定，陀螺穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)必須同時(shí)解 決隔離載體擾動(dòng)和伺服跟蹤的問題。為解決隔離載體擾動(dòng)，目前車載、軌道條件影視拍攝均是采用陀螺作為測(cè)量裝置 構(gòu)成穩(wěn)定回路，將平臺(tái)校正回水平姿態(tài)，隔離載體擾動(dòng)。固態(tài)速率陀螺由于其體積小、質(zhì)量 輕、功耗小、成本低、瞬間啟動(dòng)及抗沖擊力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車載、軌道條件影視拍攝。 由于固態(tài)速率陀螺漂移穩(wěn)定性較差，短期穩(wěn)定性在0.1° /s數(shù)量級(jí)，長期穩(wěn)定性在1° /s 數(shù)量級(jí)，需要采取措施來消除其角度漂移，以滿足在固定方向上連續(xù)拍攝的要求。針對(duì)陀螺 漂移這一問題，目前可利用的基準(zhǔn)主要有重力矢量、光學(xué)目標(biāo)及載體姿態(tài)等。以重力矢量為 參考的調(diào)平回路，采用加速度計(jì)測(cè)量重力加速度來調(diào)節(jié)平臺(tái)傾角。在載體運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)加速 度會(huì)疊加在重力加速度上，造成垂線測(cè)量誤差，只能假設(shè)載體的平均運(yùn)動(dòng)加速度趨于零，所 以不適用于車載、軌道條件影視拍攝等載體運(yùn)動(dòng)不確定的場(chǎng)合。以光學(xué)目標(biāo)為參考的目標(biāo) 跟蹤回路，采用圖像處理和目標(biāo)辨識(shí)來測(cè)量攝像機(jī)的角偏差，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。目標(biāo)跟蹤回路 可以采用較快的回路，但從圖像平穩(wěn)角度考慮，仍應(yīng)顯著低于穩(wěn)定回路的帶寬。以載體姿態(tài) 為參考的姿態(tài)鎖定回路，采用電位計(jì)測(cè)量平臺(tái)相對(duì)載體的角度構(gòu)成回路，可以抑制因陀螺 漂移造成的平臺(tái)傾角的變化，解決了隔離載體擾動(dòng)，可以滿足在固定方向上連續(xù)拍攝的要 求，但是作為攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，需要根據(jù)拍攝需要和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況實(shí)時(shí)控制平臺(tái)的 姿態(tài)，所以還必須解決伺服跟蹤問題。針對(duì)伺服跟蹤這一問題，現(xiàn)有的伺服跟蹤方法一般是給出跟蹤量，并將跟蹤量疊 加在反饋信號(hào)中。對(duì)于只依賴固態(tài)速率陀螺構(gòu)成的穩(wěn)定回路，保證操控性比較簡單，只要疊 加在固態(tài)速率陀螺輸出的角速率信號(hào)有足夠的線性度和分辨率，配合手感良好的控制手柄 即可滿足要求。對(duì)于采用鎖定回路等復(fù)合回路的穩(wěn)定平臺(tái)，外部輸入信號(hào)會(huì)引起鎖定回路 的響應(yīng)，可能產(chǎn)生長達(dá)數(shù)分鐘的調(diào)節(jié)后效，使攝像機(jī)難以指向給定目標(biāo)，影響穩(wěn)定平臺(tái)的操 控性能，而且目前并沒有很好的解決辦法。跟蹤量一般稱為加矩指令，現(xiàn)有的加矩指令一般均由電腦等控制界面給出，操作 性不好。操作人員需要根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不斷地調(diào)節(jié)攝像穩(wěn)定平臺(tái)的角度，保持運(yùn)動(dòng)目 標(biāo)處于視場(chǎng)內(nèi)，長時(shí)間跟蹤同一目標(biāo)時(shí)，極大地增加了操作人員的工作量，并且不利于圖像 的穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控 制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效地隔離車載角運(yùn)動(dòng)引起的干擾、抑制陀螺引起的漂移、提高系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)性能。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，所述的車載攝像穩(wěn)定平 臺(tái)上安裝陀螺、電位計(jì)、電機(jī)，分別用于敏感平臺(tái)的角速率，測(cè)量平臺(tái)的角度和驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn) 動(dòng)；車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)包括信號(hào)處理模塊、功率模塊、穩(wěn)定控制器、鎖定控制器和 兩個(gè)前饋控制器；穩(wěn)定控制器、功率模塊、平臺(tái)上的電機(jī)和陀螺以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成系統(tǒng) 的穩(wěn)定回路；鎖定控 制器、穩(wěn)定回路、平臺(tái)上的電機(jī)和電位計(jì)以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成系統(tǒng)的 鎖定回路；陀螺敏感的平臺(tái)角速率和電位計(jì)測(cè)量的平臺(tái)角度由信號(hào)處理模塊依次進(jìn)行低通 濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到陀螺速率信號(hào)和電位計(jì)角度信號(hào)，上述兩個(gè)信號(hào)分別作為穩(wěn)定回路 和鎖定回路的輸入；待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量經(jīng)過前饋控制器I進(jìn)行比例運(yùn)算后疊加在陀螺 速率信號(hào)的同時(shí)，將待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量經(jīng)過前饋控制器II進(jìn)行比例、積分運(yùn)算后得到平 臺(tái)需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度疊加在電位計(jì)角度信號(hào)上后輸入給 鎖定控制器，經(jīng)鎖定控制器PID處理后 與上述陀螺速率信號(hào)一起輸入給穩(wěn)定控制器，經(jīng)穩(wěn)定控制器進(jìn)行PID運(yùn)算處理后生成控制 量，并將控制量進(jìn)行PWM調(diào)制后生成PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)過功率模塊進(jìn)行光耦隔離和驅(qū) 動(dòng)后送入平臺(tái)上的電機(jī)，由電機(jī)控制平臺(tái)動(dòng)作，陀螺和電位計(jì)重新輸出平臺(tái)角速率和平臺(tái) 角度，作為穩(wěn)定回路和鎖定回路的輸入，構(gòu)成雙閉環(huán)回路。所述的待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量可以通過手動(dòng)控制或自動(dòng)跟蹤給出，當(dāng)通過手動(dòng)控制 時(shí)，待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量為光電碼盤或操縱桿給出的加矩指令，當(dāng)為自動(dòng)跟蹤時(shí)，待攝像目 標(biāo)的移動(dòng)量為目標(biāo)脫靶量。所述的光電碼盤或操縱桿給出的加矩指令是光電碼盤輸出的角位置，碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng) 角度與平臺(tái)俯仰軸和方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度一一對(duì)應(yīng)。所述的目標(biāo)脫靶量由圖像跟蹤算法給出，算法處理流程如下第一步，對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波去噪聲；第二步，對(duì)濾波后的圖像利用sobel邊緣檢測(cè)提取波門內(nèi)目標(biāo)邊緣；第三步，二值化分割出目標(biāo)邊緣；第四步，組合利用匪I特征量和質(zhì)心坐標(biāo)偏移量作特征匹配搜索，得出當(dāng)幀的目 標(biāo)位置，設(shè)匹配函數(shù)為k(x,y) = ^' p(x0,y0) -ρ (χ,y) + ^2<\nMI(xq,y0)- NMI'(χ,y)則整個(gè)特征匹配搜索過程即為求函數(shù)k(x，y)的極小值，此時(shí)(x，y)為目標(biāo)在當(dāng)幀 中的坐標(biāo)，其相對(duì)與視場(chǎng)中心坐標(biāo)的偏移坐標(biāo)即為得到的目標(biāo)脫靶量；其中波門大小為aXa，(x0, y0)為前一幀的波門坐標(biāo)，(x，y)為當(dāng)幀的波門坐標(biāo)
匪I (x。，y0)分別為前一幀波門
(xQ，y0)內(nèi)目標(biāo)質(zhì)心的坐標(biāo)向量和目標(biāo)的匪I不變矩；p(x,y),匪I (x，y)為當(dāng)前幀搜索區(qū) 域波門(χ，y)內(nèi)目標(biāo)質(zhì)心的坐標(biāo)向量和匪I不變矩，X^X2為匹配權(quán)值，λ 1+λ 2 = 1。
所述的鎖定回路的帶寬為穩(wěn)定回路帶寬的1/5 1/10。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(1)本發(fā)明采用穩(wěn)定回路和鎖定回路雙閉環(huán)回路進(jìn)行控制，鎖定回路采用電位計(jì) 測(cè)量平臺(tái)相對(duì)載體的角度，可以抑制因陀螺漂移造成的平臺(tái)傾角的變化，有效隔離載體擾 動(dòng)的同時(shí)，解決了陀螺漂移問題。在穩(wěn)定回路和鎖定回路中加入前饋控制，提高了穩(wěn)定回路和 鎖定回路的指令響應(yīng)速度，使攝像機(jī)能夠快速、準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，高目標(biāo)跟蹤的速度和精度。(2)本發(fā)明采用手動(dòng)控制獲取待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量時(shí)，根據(jù)拍攝需要和目標(biāo)運(yùn)動(dòng) 情況，可切換光電碼盤或操縱桿兩種控制方式，適應(yīng)不同的操縱需要。同時(shí)將圖像自動(dòng)跟 蹤功能引入系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)鎖定后，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤，保證對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確跟蹤。 (3)碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與平臺(tái)俯仰軸和方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度一一對(duì)應(yīng)，直觀易操作。(4)本發(fā)明在質(zhì)心跟蹤方法的基礎(chǔ)上結(jié)合利用了目標(biāo)的匪I不變矩的旋轉(zhuǎn)不變 性，縮放不變性，降低了由目標(biāo)周圍區(qū)域的背景噪聲和非目標(biāo)物體帶來的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng) 目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤，極大地簡化了操作人員的工作，并能有效保證獲取穩(wěn)定高質(zhì)量的圖像信 肩、o


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成框圖；圖2為本發(fā)明控制模塊原理圖；圖3為本發(fā)明圖像跟蹤算法處理流程圖；圖4為本發(fā)明圖像跟蹤算法中匹配搜索示意圖；圖5位本發(fā)明的控制模塊的電路框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，要求車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)上安裝陀螺、電位計(jì)、 電機(jī)，分別用于敏感平臺(tái)的角速率，測(cè)量平臺(tái)的角度和驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；如圖1、2所示，本發(fā) 明包括信號(hào)處理模塊1、功率模塊3、控制模塊2，控制模塊2包括穩(wěn)定控制器、鎖定控制器和 兩個(gè)前饋控制器；穩(wěn)定控制器、功率模塊、平臺(tái)上的電機(jī)和陀螺以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成系統(tǒng) 的穩(wěn)定回路；鎖定控制器、穩(wěn)定回路、平臺(tái)上的電機(jī)和電位計(jì)以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成系統(tǒng)的 鎖定回路；陀螺敏感的平臺(tái)角速率和電位計(jì)測(cè)量的平臺(tái)角度由信號(hào)處理模塊依次進(jìn)行低通 濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后分別轉(zhuǎn)換成陀螺速率信號(hào)和角度信號(hào)，分別作為穩(wěn)定回路和鎖定回路的 輸入；其中平臺(tái)采用俯仰軸和方位軸分別進(jìn)行控制，其不同軸的角速率和平臺(tái)角度各需要 一只陀螺和電位計(jì)進(jìn)行敏感、測(cè)量，敏感測(cè)量結(jié)果分別通過各自的信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理， 統(tǒng)一經(jīng)控制模塊處理后分別由各自的功率模塊控制各自的電機(jī)動(dòng)作。待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量經(jīng)過前饋控制器I進(jìn)行比例運(yùn)算后疊加在陀螺速率信號(hào)的 同時(shí)待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量經(jīng)過前饋控制器II進(jìn)行比例、積分運(yùn)算后得到平臺(tái)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角 度，將該角度疊加在電位計(jì)角度信號(hào)上輸入給鎖定控制器，經(jīng)鎖定控制器PID處理后與上 述陀螺速率信號(hào)一起輸入給穩(wěn)定控制器，經(jīng)穩(wěn)定控制器進(jìn)行PID運(yùn)算處理后生成控制量，并將控制量進(jìn)行PWM調(diào)制后生成PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)過功率模塊進(jìn)行光耦隔離和驅(qū)動(dòng) 后送入平臺(tái)上的電機(jī)，由電機(jī)控制平臺(tái)動(dòng)作，陀螺和電位計(jì)重新輸出平臺(tái)角速率和平臺(tái)角 度，作為穩(wěn)定回路和鎖定回路的輸入，構(gòu)成雙閉環(huán)回路。待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量可以通過手動(dòng)控制或自動(dòng)跟蹤給出，當(dāng)通過手動(dòng)控制時(shí)，待 攝像目標(biāo)的移動(dòng)量為光電碼盤或操縱桿給出的加矩指令，當(dāng)為自動(dòng)跟蹤時(shí)，待攝像目標(biāo)相 對(duì)視場(chǎng)中心的偏移量為目標(biāo)脫靶量。目標(biāo)脫靶量由圖像跟蹤算法給出，算法處理流程如圖 3所示圖像跟蹤器對(duì)波門內(nèi)的數(shù)字圖像進(jìn)行處理(設(shè)置以目標(biāo)為中心的波門區(qū)域，波門 大小一般為2至4倍目標(biāo)大小)，包括對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波去噪聲；對(duì)濾波后的圖像利用 sobel邊緣檢測(cè)提取波門內(nèi)目標(biāo)邊緣；自適應(yīng)求閾值(該閾值可以由上述目標(biāo)邊緣的累加 和除以目標(biāo)邊緣個(gè)數(shù)得到)，根據(jù)該閾值再從波門內(nèi)的數(shù)字圖像中二值化分割出目標(biāo)邊緣， 然后根據(jù)分割出的全體目標(biāo)象元位置數(shù)據(jù)和目標(biāo)象元的總點(diǎn)數(shù)，計(jì)算出目標(biāo)的質(zhì)心，該質(zhì) 心數(shù)據(jù)作為下一場(chǎng)波門的跟蹤數(shù)據(jù)，其中噪聲濾波采用中值濾波，邊緣增強(qiáng)在這里作為提 取目標(biāo)的特征，采用sobel算子提取目標(biāo)的邊緣。二值化的邊緣圖像的質(zhì)心計(jì)算公式

χ分量質(zhì)心坐標(biāo) y分量質(zhì)心坐標(biāo)= f(x，y)為灰度值；特征提取圖像繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量記為 歸一化不變矩NMI
圖像質(zhì)量，代表圖像所有灰度值之和。匪I具有良好的縮放，旋轉(zhuǎn)和平移不變性，因此可以作為物體的識(shí)別特 征。但由于噪聲的影響，對(duì)目標(biāo)周圍區(qū)域搜索時(shí)，使得噪聲圖像與目標(biāo)具有相同的質(zhì) 心，但明顯不是待識(shí)別的目標(biāo)。匪I特征雖然具有良好的不變特征，但搜索區(qū)域中目 標(biāo)的坐標(biāo)不能確定，圖像跟蹤器的跟蹤都是對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行處理。組合利用 匪I特征量和質(zhì)心坐標(biāo)偏移量作特征匹配搜索，得出當(dāng)幀的目標(biāo)位置，設(shè)匹配函數(shù)為
其中波門大小為 aXa(上述N = a), (x0, y0)為前一幀的波門坐標(biāo)，(x，y)為當(dāng)幀的波門坐標(biāo)(x0-a/2彡x彡x0+a/2, y。-a/2彡y彡y0+a/2)，p(x0,y0),匪I (X(1，y0)分別為前一幀波門(xQ，y0)內(nèi)目標(biāo)質(zhì)心的坐
標(biāo)向量和目標(biāo)的匪I不變矩，；p^i ,匪I (x，y)為當(dāng)前幀搜索區(qū)域波門(x，y)內(nèi)目標(biāo)質(zhì)心
的坐標(biāo)向量和匪I不變矩，A2為匹配權(quán)值，這里取入工=0. 8，入2 = 0. 2。則整個(gè)特征 匹配搜索過程即為求函數(shù)k(x，y)的極小值，搜索過程如圖4所示，此時(shí)(x，y)為目標(biāo)在當(dāng) 幀中的坐標(biāo)，其相對(duì)視場(chǎng)中心坐標(biāo)的偏移坐標(biāo)即為得到的目標(biāo)脫靶量。為了節(jié)省成本，平臺(tái)上陀螺一般采用固態(tài)速率陀螺。功率模塊3采用TOSHIBA公 司的6N137芯片實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)光耦隔離，驅(qū)動(dòng)模塊采用NationalSemiconductor公司的 LMD18200芯片實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。如圖2、5所示，控制模塊采用DSP+FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，DSP選用TI公司的 TMS320F2407，執(zhí)行核心的控制計(jì)算，其主要功能為1)執(zhí)行數(shù)字控制系統(tǒng)的初始化、循環(huán)執(zhí)行流程；2)通過與FPGA芯片相連的總線上得到各種傳感器和外設(shè)數(shù)據(jù)；3)執(zhí)行各控制律算法，即完成上述各個(gè)控制器的功能；4)輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；DSP首先進(jìn)行I/O、PWM等模塊的初始化、設(shè)定定時(shí)中斷。定時(shí)中斷周期為2ms，在 定時(shí)中斷內(nèi)循環(huán)執(zhí)行各控制律算法的流程。通過片選信號(hào)、地址線的邏輯組合，DSP從數(shù)據(jù) 線上讀取FPGA發(fā)出的各種數(shù)據(jù)。FPGA選用Altera公司的EPM7128，執(zhí)行邏輯運(yùn)算和外圍電路的控制，其主要功能 為 1)陀螺和電位計(jì)A/D采集；2)接收控制單元的串行數(shù)據(jù)；3)通過與DSP芯片相連的總線，向DSP芯片傳輸各種數(shù)據(jù)；A/D選用7655芯片，F(xiàn)PGA給出邏輯信號(hào)控制A/D，得到陀螺和電位計(jì)的數(shù)字量， FPGA通過RS422差分串口芯片從控制單元得到加矩指令或目標(biāo)脫靶量。通過片選信號(hào)、地 址線的邏輯組合，將數(shù)字量和串行數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳給DSP進(jìn)行控制。上述功能實(shí)現(xiàn)芯片說明書中都有介紹屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)，這里不進(jìn) 行詳細(xì)說明?？刂坡伤惴ㄔ贒SP中執(zhí)行，包括俯仰軸和方位軸控制，基本原理均為穩(wěn)定回路+鎖 定回路的雙閉環(huán)控制。穩(wěn)定控制器的原理是利用陀螺作為角速率敏感元件，通過DSP+FPGA控制芯片運(yùn) 算后驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上的電機(jī)使平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消干擾力矩引起的相機(jī)視軸晃動(dòng)角速率，可以使視 軸在慣性空間內(nèi)長時(shí)間保持指向不變。角速率穩(wěn)定的目標(biāo)是保持陀螺敏感的角速率為零，在陀螺零漂較小的情況下，可 得到很好的穩(wěn)定效果。由于固態(tài)速率陀螺的零漂較大，在零漂系數(shù)未被補(bǔ)償?shù)那闆r下，較快 的零位漂移造成實(shí)際零位與設(shè)定零位的較大偏差，“誤認(rèn)為”平臺(tái)正以某一角速率轉(zhuǎn)動(dòng)，因 此會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)加以抵消，最后的結(jié)果就是造成視軸始終向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。鎖定控制器的原理是利用角度傳感器敏感平臺(tái)的相對(duì)轉(zhuǎn)角，通過DSP控制電機(jī)
7使相機(jī)與平臺(tái)基座的相對(duì)姿態(tài)保持不變，消除陀螺零漂造成的視軸運(yùn)動(dòng)。以俯仰軸為例介 紹本發(fā)明的控制流程。1)穩(wěn)定回路 穩(wěn)定控制器對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算處理后生成控制量，并將控制量進(jìn)行PWM 調(diào)制后生成PWM信號(hào)。要實(shí)現(xiàn)上述的功能，只需得到穩(wěn)定回路的校正網(wǎng)絡(luò)KnGn(S)即可。電 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，陀螺標(biāo)度因子為Kg，AD采樣增益KAD，電機(jī)等價(jià)力矩系數(shù)為Km(Nm/LSB)，s 為拉普拉斯算子，則穩(wěn)定回路的開環(huán)傳遞函數(shù)G。(s)為 本實(shí)施例中KgKADKm = 967Hz,由開環(huán)傳遞函數(shù)可知未校正之前系統(tǒng)的帶寬過大，不 可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)，必須通過調(diào)整增益降低帶寬。理論上這一類型的穩(wěn)定回路的帶寬應(yīng) 達(dá)到20 30Hz，才能具有較好的指令跟蹤性能，所以加入一個(gè)比例環(huán)節(jié)Kn = 0. 02998，使 得系統(tǒng)的帶寬實(shí)際為Qc = 29Hz。調(diào)節(jié)增益后系統(tǒng)的剪切頻率滿足了帶寬的要求，但是由于這一系統(tǒng)是基本I型系 統(tǒng)，開環(huán)幅頻特性曲線的低頻段的值較小，造成系統(tǒng)的力矩剛度不夠。此外，相頻曲線始終 為-90°，相位裕度太大，造成系統(tǒng)的響應(yīng)速度較慢。所以需要加入校正網(wǎng)絡(luò)改善其動(dòng)態(tài)特 性。根據(jù)需要校正網(wǎng)絡(luò)Gn(S)選用積分環(huán)節(jié) 2)鎖定回路鎖定回路是穩(wěn)定回路的外回路，目的是使相機(jī)-平臺(tái)基座的相對(duì)轉(zhuǎn)角跟蹤輸入的 指令角度。角度鎖定回路的帶寬設(shè)計(jì)應(yīng)為穩(wěn)定回路帶寬1/5 1/10，響應(yīng)速度較慢，因此 此時(shí)穩(wěn)定回路可被簡化為一比例環(huán)節(jié)，其增益^為l/(KADKg)。則鎖定回路的開環(huán)傳遞函數(shù) 為 Ka為角度傳感器標(biāo)度因子(V/rad)。本實(shí)施例中KaKfflI^ = 1. 91Hz，令角度鎖定回
路的增益為1/3，則系統(tǒng)實(shí)際帶寬為0. 637Hz，因此采用的積分校正網(wǎng)絡(luò)為 3)前饋控制本系統(tǒng)響應(yīng)外部指令的理想模式是當(dāng)外部有輸入角速率指令信號(hào)(待攝像目標(biāo) 的移動(dòng)量)時(shí)，穩(wěn)定平臺(tái)以一定的角速率旋轉(zhuǎn)，一旦平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到期望值時(shí)，外部輸入 角速率指令信號(hào)，平臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。外部輸入角速率指令信號(hào)是指光電碼盤或操縱桿給出的加矩指令，因?yàn)楦┭鲚S和 方位軸的光電碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別與俯仰軸和方位軸的的的轉(zhuǎn)動(dòng)角度一一對(duì)應(yīng)。所以光電碼 盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度就是平臺(tái)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，直觀易操作。如果只有穩(wěn)定回路，跟蹤外部的輸入角速率指令，只需將指令信號(hào)與A/D采樣后的陀螺信號(hào)數(shù)字量疊加，平臺(tái)就會(huì)以這一速率進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率《 = cocffld/ (KfflKg)，在一定時(shí)間T內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度0 = coT，其中《。md是輸入指令角速率，e為輸入指 令角度。在穩(wěn)定回路之外有鎖定回路的情況下，通過上述方式，可以使平臺(tái)的瞬時(shí)角速率 跟蹤輸入的指令角速率，由于穩(wěn)定回路的響應(yīng)速度遠(yuǎn)大于鎖定回路，一段時(shí)間以后，鎖定回 路才開始產(chǎn)生作用，于是又會(huì)將已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度的平臺(tái)再次鎖回當(dāng)初的零位，因此達(dá) 不到使穩(wěn)定平臺(tái)的輸出角度改變的目的。此時(shí)，必須使鎖定回路的鎖定角度與由平臺(tái)旋轉(zhuǎn) 角速率，即輸入角速率指令信號(hào)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角度變化量同步。即外部輸入信號(hào)通過前饋控 制器1向穩(wěn)定回路加入角速率信號(hào)時(shí)，同步地通過前饋控制器2向鎖定回路加入相應(yīng)的角 度信號(hào)。根據(jù)上述分析，需要增加前饋控制器1和前饋控制器2進(jìn)行前饋控制，前饋控制器 1為比例環(huán)節(jié)ksl= l/(KfflKg)。利用輸入角速率指令產(chǎn)生同步的鎖定角度指令，前饋控制器 2采用一個(gè)積分環(huán)節(jié)Ks2/s，則Ks2 = Ka/Kg。最后可得到平臺(tái)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度0 = (Ks2/Ka) co cmd T。本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。
權(quán)利要求
車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)上安裝陀螺、電位計(jì)、電機(jī)，分別用于敏感平臺(tái)的角速率，測(cè)量平臺(tái)的角度和驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)包括信號(hào)處理模塊、功率模塊、穩(wěn)定控制器、鎖定控制器和兩個(gè)前饋控制器；穩(wěn)定控制器、功率模塊、平臺(tái)上的電機(jī)和陀螺以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成系統(tǒng)的穩(wěn)定回路；鎖定控制器、穩(wěn)定回路、平臺(tái)上的電機(jī)和電位計(jì)以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成系統(tǒng)的鎖定回路；陀螺敏感的平臺(tái)角速率和電位計(jì)測(cè)量的平臺(tái)角度由信號(hào)處理模塊依次進(jìn)行低通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，得到陀螺速率信號(hào)和電位計(jì)角度信號(hào)，上述兩個(gè)信號(hào)分別作為穩(wěn)定回路和鎖定回路的輸入；待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量經(jīng)過前饋控制器I進(jìn)行比例運(yùn)算后疊加在陀螺速率信號(hào)的同時(shí)，將待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量經(jīng)過前饋控制器II進(jìn)行比例、積分運(yùn)算后得到平臺(tái)需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度疊加在電位計(jì)角度信號(hào)上后輸入給鎖定控制器，經(jīng)鎖定控制器PID處理后與上述陀螺速率信號(hào)一起輸入給穩(wěn)定控制器，經(jīng)穩(wěn)定控制器進(jìn)行PID運(yùn)算處理后生成控制量，并將控制量進(jìn)行PWM調(diào)制后生成PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)過功率模塊進(jìn)行光耦隔離和驅(qū)動(dòng)后送入平臺(tái)上的電機(jī)，由電機(jī)控制平臺(tái)動(dòng)作，陀螺和電位計(jì)重新輸出平臺(tái)角速率和平臺(tái)角度，作為穩(wěn)定回路和鎖定回路的輸入，構(gòu)成雙閉環(huán)回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的待攝像目 標(biāo)的移動(dòng)量可以通過手動(dòng)控制或自動(dòng)跟蹤給出，當(dāng)通過手動(dòng)控制時(shí)，待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量 為光電碼盤或操縱桿給出的加矩指令，當(dāng)為自動(dòng)跟蹤時(shí)，待攝像目標(biāo)的移動(dòng)量為目標(biāo)脫靶 量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的光電碼盤 或操縱桿給出的加矩指令是光電碼盤輸出的角位置，碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與平臺(tái)俯仰軸和方位 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度一一對(duì)應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的目標(biāo)脫靶 量由圖像跟蹤算法給出，算法處理流程如下第一步，對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波去噪聲；第二步，對(duì)濾波后的圖像利用sobel邊緣檢測(cè)提取波門內(nèi)目標(biāo)邊緣；第三步，二值化分割出目標(biāo)邊緣；第四步，組合利用匪I特征量和質(zhì)心坐標(biāo)偏移量作特征匹配搜索，得出當(dāng)幀的目標(biāo)位 置，設(shè)匹配函數(shù)為k(x,y) = \* p(x0,y0)-p (χ,y) +^2*\NMI(x0,y0)-NMI'(χ,y)則整個(gè)特征匹配搜索過程即為求函數(shù)k(x，y)的極小值，此時(shí)(x，y)為目標(biāo)在當(dāng)幀中的 坐標(biāo)，其相對(duì)與視場(chǎng)中心坐標(biāo)的偏移坐標(biāo)即為得到的目標(biāo)脫靶量；其中波門大小為aXa，(x0,。為前一幀的波門坐標(biāo)，(X，y)為當(dāng)幀的波門坐標(biāo) (x0-a/2 彡 χ 彡 x0+a/2,y0-a/2 彡 y 彡 y。+a/2)；戶(Wo),匪I (x。，Y0)分別為前一幀波門(x0，y0)內(nèi)目標(biāo)質(zhì)心的坐標(biāo)向量和目標(biāo)的匪I不變矩，匪1' (χ, y)為當(dāng)前幀搜索區(qū)域 波門(χ，y)內(nèi)目標(biāo)質(zhì)心的坐標(biāo)向量和匪I不變矩，X^X2為匹配權(quán)值，λ 1+λ 2 = 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的鎖定回路 的帶寬為穩(wěn)定回路帶寬的1/5 1/10。
全文摘要
車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，所述的車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)上安裝陀螺、電位計(jì)、電機(jī)，分別用于敏感平臺(tái)的角速率，測(cè)量平臺(tái)的角度和驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；車載攝像穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)包括信號(hào)處理模塊、功率模塊、穩(wěn)定控制器、鎖定控制器和兩個(gè)前饋控制器；穩(wěn)定控制器、功率模塊、平臺(tái)上的電機(jī)和陀螺以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成系統(tǒng)的穩(wěn)定回路；鎖定控制器、穩(wěn)定回路、平臺(tái)上的電機(jī)和電位計(jì)以及信號(hào)處理模塊構(gòu)成系統(tǒng)的鎖定回路；該系統(tǒng)能夠有效地隔離車載角運(yùn)動(dòng)引起的干擾、抑制陀螺引起的漂移、提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
文檔編號(hào)G05D1/08GK101872196SQ201010173349
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月10日
發(fā)明者丁楠, 王森, 蔣洪翔, 陳強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航天控制儀器研究所