遲曉鵬，羅衛(wèi)兵，劉廣斌

　?。ㄎ渚こ檀髮W(xué) 信息工程系，陜西 西安 710086）

　　摘要：機載攝像機是微型無人機實施戰(zhàn)術(shù)偵察的關(guān)鍵設(shè)備。本文突破傳統(tǒng)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(shù)，并對變倍同步聚焦的基本原理、臺階擬合法等技術(shù)進行了研究，對鏡頭凸輪曲線進行了設(shè)計，并利用ZEMAX軟件對凸輪曲線進行了擬合和優(yōu)化，設(shè)計了相應(yīng)的驅(qū)動控制電路和視頻采集系統(tǒng)。經(jīng)過飛行測試驗證，所設(shè)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。

　　關(guān)鍵詞：微型無人機；變焦攝像機；變倍同步聚焦鏡頭；步進電機驅(qū)動

0引言

　　微型無人機在低空偵察過程中，視野變化較快，動態(tài)范圍較大，現(xiàn)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(xiàn)，增加了行動風險［1］；要么采用常規(guī)技術(shù)的變焦攝像機，因DSP芯片運用聚焦算法致使響應(yīng)速度慢、圖像高頻分量捕獲不準確，出現(xiàn)攝像機變焦時間長、反應(yīng)遲鈍等現(xiàn)象［23］。國內(nèi)微型無人機機載攝像機為貨架商品，無法達到戰(zhàn)術(shù)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(shù)封鎖，無法在市場購買其成品。本文研發(fā)的適用于微型無人機的快速變焦攝像機，能夠滿足相關(guān)戰(zhàn)術(shù)偵察需求。

1關(guān)鍵技術(shù)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(xùn)練和實際的作戰(zhàn)偵察中，無人機飛行高度通常在100 m以上。假設(shè)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(shè)計過程中，可將物距看作無窮遠，將變焦的連續(xù)過程分解成一個連續(xù)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(yīng)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(nèi)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(xù)點，螺距每前進或后退一個步長，在另一條螺旋曲線上對應(yīng)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(qū)動，每個步長對應(yīng)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(xiàn)了連續(xù)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(shè)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(xù)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(xù)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(nèi)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。

2鏡頭設(shè)計

　　2.1鏡頭光學(xué)系統(tǒng)組成

　　本文設(shè)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(xué)系統(tǒng)，鏡頭焦距不長，視場較大，選擇折射型光學(xué)系統(tǒng)。為降低系統(tǒng)重量和減小尺寸，考慮應(yīng)用最簡單的兩組元變焦系統(tǒng)，補償形式應(yīng)用正組補償。

　　為簡化設(shè)計過程，運用文獻資料和專利，結(jié)合光學(xué)設(shè)計理論與性能要求，在ZEMAX軟件中，設(shè)計出系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)與各項參數(shù)，圖2(a)所示為系統(tǒng)調(diào)整前的二維結(jié)構(gòu)圖。初始結(jié)構(gòu)輸入后，由于系統(tǒng)焦距與設(shè)計要求有差異，需要通過調(diào)整來實現(xiàn)，圖2(b)所示是系統(tǒng)按要求調(diào)整后的二維結(jié)構(gòu)圖。

　　在整個鏡頭構(gòu)件的物理尺寸不超過設(shè)計要求的總長42 mm前提下，計算機仿真結(jié)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(yōu)化的指導(dǎo)下，經(jīng)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(shè)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，在保證目標清晰的圖3變倍同步聚焦曲線前提下，系統(tǒng)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(qū)動變倍組運動時，ARM處理器同時調(diào)用存儲器內(nèi)置的距離表，給補償組下達一一對應(yīng)的指令，使補償組執(zhí)行特定的運動，實現(xiàn)變倍同步聚焦功能。

3鏡頭控制系統(tǒng)

　　3.1鏡頭控制器

　　采用同步快速聚焦設(shè)計對控制器的CPU資源占用會變得非常小。根據(jù)微型無人機攝像控制系統(tǒng)的設(shè)計要求和任務(wù)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(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，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(xiàn)連續(xù)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?qū)崿F(xiàn)飛行過程中的自動拍攝功能、檢測變焦過程中的系統(tǒng)故障和錯誤、根據(jù)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(shè)計

　　鏡頭控制主要由ARM處理器、步進電機驅(qū)動器、步進電機、地面控制站、數(shù)傳電臺等幾部分組成［6］。飛控系統(tǒng)中的ARM處理器除完成姿態(tài)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(qū)動電路完成的主要功能為：步進電機的正反轉(zhuǎn)、速度控制、對步長精確控制、按照CPU計算結(jié)果實現(xiàn)鏡頭的變倍同步聚焦。數(shù)傳電臺的任務(wù)是實現(xiàn)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(shù)傳電臺將無人機的姿態(tài)、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(tǒng)軟件設(shè)計

　　鏡頭控制程序設(shè)計主要是根據(jù)設(shè)定的模式對鏡頭發(fā)出各種控制信號，驅(qū)動鏡頭完成該模式下的各種動作［7］，并根據(jù)所獲得的參數(shù)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(shù)據(jù)傳輸［8-9］。

　　鏡頭控制系統(tǒng)軟件主要由主控制程序、定時中斷服務(wù)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(gòu)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等狀態(tài)標識，其流程圖如圖4所示。

　　定時中斷服務(wù)程序?qū)⒚}沖信號送入MD127驅(qū)動器中，按要求實現(xiàn)步進電機的方向和速度變換，實現(xiàn)變倍同步聚焦。本系統(tǒng)采用定時中斷實現(xiàn)單步步長。定時中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。

4視頻采集處理系統(tǒng)

　　4.1視頻采集處理硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)視頻采集處理系統(tǒng)主要由CMOS圖像傳感器芯片、處理器、變倍同步聚焦鏡頭、數(shù)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(jīng)鏡片照射到數(shù)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(jīng)內(nèi)部集成的解碼電路完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出符合CCIR601標準的YUV422數(shù)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(nèi)置的壓縮電路對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行MPEG-4壓縮，將數(shù)據(jù)暫存，由處理器通過數(shù)傳電臺將圖像數(shù)據(jù)傳到地面控制站的計算機中。

　　4.2軟件實現(xiàn)

　　視頻采集及處理系統(tǒng)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(fā)送壓縮數(shù)據(jù)等。主要程序流程圖如圖7所示。

5圖像測試結(jié)果及分析

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

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

　　實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的4~9 mm鏡頭在用模板測試過程中，無“虛點”導(dǎo)致的圖像模糊現(xiàn)象；進行2.5倍變焦時間為0.36 s，優(yōu)于普通數(shù)碼攝像機0.83 s的響應(yīng)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(jīng)過一系列的測試圖93.7~14.8 mm鏡頭采集檢驗?zāi)０逡曨l截圖

　　實驗，攝像機各項參數(shù)基本達到了預(yù)期設(shè)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(wěn)，基本無抖動。

6結(jié)論

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

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