车载摄像稳定平台.pdf

具体实施方式

如图1、2所示，为本发明结构框图，即本发明的基本形式，包括车载摄像稳定装置、信号处理装置44、控制单元45、陀螺3(本例中采用固态速率陀螺)、电位计、电机、有效载荷42；电机包括俯仰力矩电机17和方位力矩电机；陀螺3安装在车载摄像稳定装置的左端罩内的左内轴上；俯仰力矩电机17安装在车载摄像稳定装置的右端罩内的右内轴和右外轴之间；方位力矩电机安装在车载摄像稳定装置的方位内轴和方位外轴之间；俯仰轴电位计21安装在右端罩内的俯仰轴齿轮连接板上，方位轴电位计安装在车载摄像稳定装置的方位轴端组件43的方位轴齿轮连接板上；陀螺、电位计、电机分别用于敏感平台的角速率，测量平台的角度和驱动平台转动。信号处理装置44、控制单元45放置在平台外，控制单元45与信号处理装置44连接后、由信号处理装置44通过控制电缆连接在车载摄像稳定装置上；下面详细介绍上述主要部分的实现过程。

一、车载摄像稳定装置

如图3所示，车载摄像稳定装置包括左端罩1、陀螺座2、左连接板4、俯仰轴左侧轴端组件、摄像机安装组件、俯仰轴右侧轴端组件、俯仰轴电位计组件、右端罩23、U型支架25、插座26、俯仰挡钉27、插座安装板28、方位挡钉29、方位轴端组件、方位轴电位计组件、盖板42；

左端罩1、右端罩23分别固定连接在U型支架25的左右两侧；左端罩1内陀螺3与陀螺座2固定连接，陀螺座2通过左连接板4与俯仰轴左侧轴端组件的左内轴5固定连接；俯仰轴左侧轴端组件的左外轴7与U型支架25固定连接；右端罩23内的俯仰轴电位计组件通过俯仰轴电位计连接板22与俯仰轴右侧轴端组件的右外轴15固定连接，右外轴15与U型支架25固定连接；摄像机安装组件位于U型支架25的内部，摄像机安装组件的两侧分别与左内轴5和右内轴12固定连接；俯仰挡钉27固定在U型支架25内部两侧，限制摄像机安装组件的俯仰转动范围；方位轴电位计组件由方位轴电位计连接板40通过支撑杆与方位轴端组件的方位外轴32一端固定连接；方位外轴32的另一端与基座33固定连接，插座安装板28安装在U型支架25的底部与方位轴端组件的方位内轴36固定连接，方位内轴36与U型支架25底部固定连接；方位挡钉29固定连接在U型支架25底部，限制U型支架25的方位转动范围；插座26安装在基座33一侧；盖板42与基座33底部固定连接。

所述的俯仰轴左侧轴端组件包括左内轴5、左轴内锁紧螺母6、左外轴7、第一轴承8和左轴外锁紧螺母9；第一轴承8安装于左内轴5和左外轴7之间，第一轴承8的内外圈分别用左轴内锁紧螺母6和左轴外锁紧螺母9锁紧。

所述的摄像机安装组件包括摄像机支架10、连接杆11、摄像机固定螺钉24；摄像机固定螺钉24悬挂于摄像机支架10底部，摄像机支架10的左右侧板通过连接杆11固定。

所述的俯仰轴右侧轴端组件包括右内轴12、右轴外锁紧螺母13、第二轴承14、右外轴15、右轴内锁紧螺母16、轴联器18；第二轴承14、俯仰力矩电机17从左至右依次安装于右内轴12和右外轴15之间，第二轴承14的内外圈分别用右轴内锁紧螺母16和右轴外锁紧螺母13锁紧，俯仰力矩电机17的定子通过螺钉与右外轴15固定连接，俯仰力矩电机转子通过轴联器18和螺钉与右内轴12固定连接。

所述的俯仰轴电位计组件包括一个俯仰轴齿轮19、俯仰轴齿轮连接板20、俯仰轴电位计21、俯仰轴电位计连接板22；一个俯仰轴齿轮19通过螺钉与俯仰轴齿轮连接板20固定连接；俯仰轴齿轮连接板20通过紧定螺钉与俯仰轴电位计21固定连接；俯仰轴电位计组件由俯仰轴电位计连接板22通过支撑杆与右外轴15固定连接，另一个俯仰轴齿轮19通过螺钉与俯仰轴联器18固定连接；两个俯仰轴齿轮19互相啮合。

所述的方位轴端组件包括方位轴外锁紧螺母30、第三轴承31、方位外轴32、方位轴内锁紧螺母34、方位内轴36；一对第三轴承31、方位力矩电机35自上而下安装于方位内轴36和方位外轴32之间，轴承31的内外圈分别用方位轴内锁紧螺母34和方位轴外锁紧螺母30锁紧，方位力矩电机定子通过螺钉与方位外轴32固定连接，方位力矩电机转子通过螺钉与方位内轴36固定连接。

所述的方位轴电位计组件包括一个方位轴齿轮38、方位轴齿轮连接板39、方位轴电位计连接板40、方位轴电位计41；

一个方位轴齿轮38通过螺钉与方位轴齿轮连接板39固定连接；方位轴齿轮连接板38通过紧定螺钉与方位轴电位计41固定连接；方位轴电位计组件由方位轴电位计连接板40通过支撑杆与方位外轴32固定连接，另一个方位轴齿轮38通过螺钉与方位轴连器37固定连接；两个方位轴齿轮38互相啮合。

左端罩1、右端罩23、陀螺座2、左连接板4、摄像机支架10、轴联器18、俯仰轴齿轮连接板20、俯仰轴电位计连接板22、插座安装板28、方位轴齿轮连接板39、方位轴电位计连接板40、盖板42均采用铝合金材料制成。左内轴5、左轴内锁紧螺母6、左外轴7、左轴外锁紧螺母9、右内轴12、右轴外锁紧螺母13、右外轴15、右轴内锁紧螺母16、方位轴外锁紧螺母30、方位外轴32、方位轴内锁紧螺母34、方位内轴36、连接杆11、摄像机固定螺钉24、方位挡钉29、采用不锈钢材料制成。U型支架25、基座33采用铝合金铸造。俯仰挡钉27采用非金属材料制成。

陀螺3、第一轴承8、第二轴承14、俯仰力矩电机17、俯仰轴齿轮19、俯仰轴电位计21、插座26、第三轴承31、方位力矩电机35、方位轴齿轮38、方位轴电位计41均为目前常用器件，可外购或自制。

二、信号处理装置

信号处理装置44放置在平台外，通过控制电缆连接在车载摄像稳定装置的插座26上。信号处理装置44对陀螺敏感的平台角速率和电位计测量的平台角度由信号处理模块依次进行低通滤波、模数转换后，得到陀螺速率信号和电位计角度信号，上述两个信号分别作为稳定回路和锁定回路的输入。

三、控制单元

控制单元硬件包括三脚架和控制键盘，实现对两轴平台的加矩控制，控制键盘与信号处理装置通过串口线连接，接口为RS422，三脚架与控制键盘连接，接口为编码器接口。平台本体作为摄像机的载体，具有非常大的灵活性，可兼容安装不同尺寸的摄像机，控制键盘上提供增益调节旋钮，可根据摄像机的重量，调节平台控制回路的增益，从而获得满意的稳定精度。车载摄像稳定平台支持两种操作方式：码盘控制和操纵杆控制，操作人员可以根据实际情况自由选择。

控制键盘功能示意图如图4所示。控制键盘由一个二维操纵杆、俯仰轴和方位轴加矩角速度调节旋钮、俯仰轴和方位轴控制回路增益调节旋钮、俯仰轴和方位轴稳定闭合按键、键盘/码盘切换开关、以及平台工作状态指示灯组成。二维操纵杆输出加矩角速度量。控制键盘可单独使用。同时，控制键盘上留有编码器接口，可通过控制键盘上的键盘/码盘切换开关，将平台的控制切换到三脚架上的两个光电码盘。码盘输出平台俯仰轴和方位轴的角位置，控制平台的俯仰轴和方位轴角度。码盘的转动角度与平台俯仰轴和方位轴的转动角度一一对应。

如图5、6所示，控制单元软件实现包括功率模块、稳定控制器、锁定控制器和两个前馈控制器；稳定控制器、功率模块、平台上的电机和陀螺以及信号处理装置构成系统的稳定回路；锁定控制器、稳定回路、平台上的电机和电位计以及信号处理装置构成系统的锁定回路；锁定回路采用电位计作为姿态角传感器，采用比例加积分控制，锁定回路与稳定回路共用DSP数字控制器，测量/控制周期为1毫秒。回路输入接口为16位逐次逼近A/D变换器；输出数据叠加在陀螺输出数据上，在常值陀螺漂移作用下实现速率无静差控制。

待摄像目标的移动量经过前馈控制器Ⅰ进行比例运算后叠加在陀螺速率信号的同时，将待摄像目标的移动量经过前馈控制器Ⅱ进行比例、积分运算后得到平台需转动的角度叠加在电位计角度信号上后输入给锁定控制器，经锁定控制器PID处理后与上述陀螺速率信号一起输入给稳定控制器，经稳定控制器进行PID运算处理后生成控制量，并将控制量进行PWM调制后生成PWM信号，该PWM信号经过功率模块进行光耦隔离和驱动后送入平台上的电机，由电机控制平台动作，陀螺和电位计重新输出平台角速率和平台角度，经信号处理装置处理后作为稳定回路和锁定回路的输入，构成双闭环回路。

锁定回路是稳定回路的外回路，目的是使车载摄像稳定装置的相对转角跟踪输入的指令角度。锁定回路的带宽设计应为稳定回路带宽1/5-1/10。

需要长时间自动跟踪某个运动目标时，启动图像跟踪功能，手动锁定目标，图像跟踪器实时解算目标在视场中相对于视场中心的偏移量及脱靶量自动控制平台转动，始终将目标锁定在视场的中心，实现对运动目标的自动跟踪。极大地简化了操作人员的工作，并能有效保证获取稳定高质量的图像信息。

待摄像目标的移动量可以通过手动控制或自动跟踪给出，当通过手动控制时，待摄像目标的移动量为光电码盘或操纵杆给出的加矩指令，当为自动跟踪时，待摄像目标相对视场中心的偏移量为目标脱靶量。目标脱靶量由图像跟踪算法给出，算法处理流程如图7所示：

图像跟踪器对波门内的数字图像进行处理(设置以目标为中心的波门区域，波门大小一般为2至4倍目标大小)，包括对图像进行中值滤波去噪声；对滤波后的图像利用sobel边缘检测提取波门内目标边缘；自适应求阈值(该阈值可以由上述目标边缘的累加和除以目标边缘个数得到)，根据该阈值再从波门内的数字图像中二值化分割出目标边缘，然后根据分割出的全体目标象元位置数据和目标象元的总点数，计算出目标的质心，该质心数据作为下一场波门的跟踪数据，其中噪声滤波采用中值滤波，边缘增强在这里作为提取目标的特征，采用sobel算子提取目标的边缘。二值化的边缘图像的质心计算公式：

x分量质心坐标XC=Σx=1NΣy=1Nx·f(x,y)/Σx=1NΣy=1Nf(x,y),]]>

y分量质心坐标YC=Σx=1NΣy=1Ny·f(x,y)/Σx=1NΣy=1Nf(x,y)]]>

f(x，y)为灰度值；

特征提取图像绕质心的转动惯量记为：

J(XC,YC)=Σx=1NΣy=1N[(x,y)-(XC,YC)]2f(x,y)=Σx=1NΣy=1N((x-XC)2+(y-YC)2)f(x,y)]]>

归一化不变矩NMI：

其中为图像质量，代表图像所有灰度值之和。

NMI具有良好的缩放，旋转和平移不变性，因此可以作为物体的识别特征。但由于噪声的影响，对目标周围区域搜索时，使得噪声图像与目标具有相同的质心，但明显不是待识别的目标。NMI特征虽然具有良好的不变特征，但搜索区域中目标的坐标不能确定，图像跟踪器的跟踪都是对二值化后的图像进行处理。组合利用NMI特征量和质心坐标偏移量作特征匹配搜索，得出当帧的目标位置，设匹配函数为其中波门大小为a×a(上述N＝a)，(x₀，y₀)为前一帧的波门坐标，(x，y)为当帧的波门坐标(x₀-a/2≤x≤x₀+a/2，y₀-a/2≤y≤y₀+a/2)，NMI(x₀，y₀)分别为前一帧波门(x₀，y₀)内目标质心的坐标向量和目标的NMI不变矩，NMI(x，y)为当前帧搜索区域波门(x，y)内目标质心的坐标向量和NMI不变矩，λ₁，λ₂为匹配权值，这里取λ₁＝0.8，λ₂＝0.2。则整个特征匹配搜索过程即为求函数k(x，y)的极小值，搜索过程如图8所示，此时(x，y)为目标在当帧中的坐标，其相对视场中心坐标的偏移坐标即为得到的目标脱靶量。

功率模块3采用TOSHIBA公司的6N137芯片实现PWM信号光耦隔离，驱动模块采用National Semiconductor公司的LMD18200芯片实现PWM信号驱动。

如图6、9所示，控制模块采用DSP+FPGA芯片实现，DSP选用TI公司的TMS320F2407，执行核心的控制计算，其主要功能为：

1)执行数字控制系统的初始化、循环执行流程；

2)通过与FPGA芯片相连的总线上得到各种传感器和外设数据；

3)执行各控制律算法，即完成上述各个控制器的功能；

4)输出电机驱动信号；

DSP首先进行I/O、PWM等模块的初始化、设定定时中断。定时中断周期为2ms，在定时中断内循环执行各控制律算法的流程。通过片选信号、地址线的逻辑组合，DSP从数据线上读取FPGA发出的各种数据。

FPGA选用Altera公司的EPM7128，执行逻辑运算和外围电路的控制，其主要功能为：

1)陀螺和电位计A/D采集；

2)接收控制单元的串行数据；

3)通过与DSP芯片相连的总线，向DSP芯片传输各种数据；

A/D选用7655芯片，FPGA给出逻辑信号控制A/D，得到陀螺和电位计的数字量，FPGA通过RS422差分串口芯片从控制单元得到加矩指令或目标脱靶量。通过片选信号、地址线的逻辑组合，将数字量和串行数据通过数据线传给DSP进行控制。

上述功能实现芯片说明书中都有介绍属于本领域技术人员的公知常识，这里不进行详细说明。

控制律算法在DSP中执行，包括俯仰轴和方位轴控制，基本原理均为稳定回路+锁定回路的双闭环控制。

稳定控制器的原理是：利用陀螺作为角速率敏感元件，通过DSP+FPGA控制芯片运算后驱动平台上的电机使平台转动，抵消干扰力矩引起的相机视轴晃动角速率，可以使视轴在惯性空间内长时间保持指向不变。

角速率稳定的目标是保持陀螺敏感的角速率为零，在陀螺零漂较小的情况下，可得到很好的稳定效果。由于陀螺的零漂较大，在零漂系数未被补偿的情况下，较快的零位漂移造成实际零位与设定零位的较大偏差，“误认为”平台正以某一角速率转动，因此会驱动电机反向运动加以抵消，最后的结果就是造成视轴始终向一个方向转动。

锁定控制器的原理是：利用角度传感器敏感平台的相对转角，通过DSP控制电机使相机与平台基座的相对姿态保持不变，消除陀螺零漂造成的视轴运动。以俯仰轴为例介绍本发明的控制流程。

1)稳定回路

稳定控制器对输入的信号进行PID运算处理后生成控制量，并将控制量进行PWM调制后生成PWM信号。要实现上述的功能，只需得到稳定回路的校正网络K_nG_n(s)即可。电机转动惯量为J，陀螺标度因子为Kg，AD采样增益KAD，电机等价力矩系数为Km(Nm/LSB)，s为拉普拉斯算子，则稳定回路的开环传递函数G_o(s)为：

Go(s)=KgKADKms]]>

本实施例中K_gK_ADK_m＝967Hz，由开环传递函数可知未校正之前系统的带宽过大，不可能实现稳定的系统，必须通过调整增益降低带宽。理论上这一类型的稳定回路的带宽应达到20～30Hz，才能具有较好的指令跟踪性能，所以加入一个比例环节K_n＝0.02998，使得系统的带宽实际为ω_C＝29Hz。

调节增益后系统的剪切频率满足了带宽的要求，但是由于这一系统是基本I型系统，开环幅频特性曲线的低频段的值较小，造成系统的力矩刚度不够。此外，相频曲线始终为-90°，相位裕度太大，造成系统的响应速度较慢。所以需要加入校正网络改善其动态特性。

根据需要校正网络G_n(s)选用积分环节：

2)锁定回路

锁定回路是稳定回路的外回路，目的是使相机-平台基座的相对转角跟踪输入的指令角度。角度锁定回路的带宽设计应为稳定回路带宽1/5～1/10，响应速度较慢，因此此时稳定回路可被简化为一比例环节，其增益K_r为1/(K_ADK_g)。则锁定回路的开环传递函数为：

Go2(s)=KgKADKrs]]>

K_a为角度传感器标度因子(V/rad)。本实施例中K_aK_ADK_r＝1.91Hz，令角度锁定回路的增益为1/3，则系统实际带宽为0.637Hz，因此采用的积分校正网络为：

GL(s)=s+0.1s]]>

3)前馈控制

本系统响应外部指令的理想模式是：当外部有输入角速率指令信号(待摄像目标的移动量)时，稳定平台以一定的角速率旋转，一旦平台转动角度达到期望值时，外部输入角速率指令信号，平台停止转动。

外部输入角速率指令信号是指光电码盘或操纵杆给出的加矩指令，因为俯仰轴和方位轴的光电码盘转动角度分别与俯仰轴和方位轴的的的转动角度一一对应。所以光电码盘的转动角度就是平台需要转动的角度，直观易操作。

如果只有稳定回路，跟踪外部的输入角速率指令，只需将指令信号与A/D采样后的陀螺信号数字量叠加，平台就会以这一速率进行转动。平台转动的角速率ω＝ω_cmd/(K_ADK_g)，在一定时间T内转过的角度θ＝ωT，其中ω_cmd是输入指令角速率，θ为输入指令角度。

在稳定回路之外有锁定回路的情况下，通过上述方式，可以使平台的瞬时角速率跟踪输入的指令角速率，由于稳定回路的响应速度远大于锁定回路，一段时间以后，锁定回路才开始产生作用，于是又会将已经旋转了一个角度的平台再次锁回当初的零位，因此达不到使稳定平台的输出角度改变的目的。此时，必须使锁定回路的锁定角度与由平台旋转角速率，即输入角速率指令信号产生的旋转角度变化量同步。即外部输入信号通过前馈控制器1向稳定回路加入角速率信号时，同步地通过前馈控制器2向锁定回路加入相应的角度信号。

根据上述分析，需要增加前馈控制器1和前馈控制器2进行前馈控制，前馈控制器1为比例环节k_s1＝1/(K_ADK_g)。利用输入角速率指令产生同步的锁定角度指令，前馈控制器2采用一个积分环节K_s2/s，则K_s2＝K_a/K_g。最后可得到平台需要转动的角度θ＝(Ks2/Ka)ωcmd T。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。