CN101872196B - 车载摄像稳定平台控制系统 - Google Patents

Abstract

车载摄像稳定平台控制系统，所述的车载摄像稳定平台上安装陀螺、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；车载摄像稳定平台控制系统包括信号处理模块、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模块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模块构成系统的锁定回路；该系统能够有效地隔离车载角运动引起的干扰、抑制陀螺引起的漂移、提高系统的动态性能。

Description

车载摄像稳定平台控制系统

技术领域

本发明涉及车载摄像稳定平台控制系统，适用于车载、轨道条件影视拍摄领域，并能根据用户需求，拓展应用于地面侦查、雷达稳定、战车火炮稳定等领域，应用于海关、边防缉私取证、移动指挥视频获取等。

背景技术

车载、轨道条件影视拍摄在有效隔离运动载体对有效载荷造成的角运动干扰的同时，实现对观测目标的跟踪、锁定。为了保证视轴稳定，陀螺稳定平台控制系统必须同时解决隔离载体扰动和伺服跟踪的问题。

为解决隔离载体扰动，目前车载、轨道条件影视拍摄均是采用陀螺作为测量装置构成稳定回路，将平台校正回水平姿态，隔离载体扰动。固态速率陀螺由于其体积小、质量轻、功耗小、成本低、瞬间启动及抗冲击力强等特点，广泛应用于车载、轨道条件影视拍摄。由于固态速率陀螺漂移稳定性较差，短期稳定性在0.1°/s数量级，长期稳定性在1°/s数量级，需要采取措施来消除其角度漂移，以满足在固定方向上连续拍摄的要求。针对陀螺漂移这一问题，目前可利用的基准主要有重力矢量、光学目标及载体姿态等。以重力矢量为参考的调平回路，采用加速度计测量重力加速度来调节平台倾角。在载体运动中，运动加速度会叠加在重力加速度上，造成垂线测量误差，只能假设载体的平均运动加速度趋于零，所以不适用于车载、轨道条件影视拍摄等载体运动不确定的场合。以光学目标为参考的目标跟踪回路，采用图像处理和目标辨识来测量摄像机的角偏差，实现自动跟踪。目标跟踪回路可以采用较快的回路，但从图像平稳角度考虑，仍应显著低于稳定回路的带宽。以载体姿态为参考的姿态锁定回路，采用电位计测量平台相对载体的角度构成回路，可以抑制因陀螺漂移造成的平台倾角的变化，解决了隔离载体扰动，可以满足在固定方向上连续拍摄的要求，但是作为摄像稳定平台控制系统，需要根据拍摄需要和目标运动情况实时控制平台的姿态，所以还必须解决伺服跟踪问题。

针对伺服跟踪这一问题，现有的伺服跟踪方法一般是给出跟踪量，并将跟踪量叠加在反馈信号中。对于只依赖固态速率陀螺构成的稳定回路，保证操控性比较简单，只要叠加在固态速率陀螺输出的角速率信号有足够的线性度和分辨率，配合手感良好的控制手柄即可满足要求。对于采用锁定回路等复合回路的稳定平台，外部输入信号会引起锁定回路的响应，可能产生长达数分钟的调节后效，使摄像机难以指向给定目标，影响稳定平台的操控性能，而且目前并没有很好的解决办法。

跟踪量一般称为加矩指令，现有的加矩指令一般均由电脑等控制界面给出，操作性不好。操作人员需要根据目标的运动状态不断地调节摄像稳定平台的角度，保持运动目标处于视场内，长时间跟踪同一目标时，极大地增加了操作人员的工作量，并且不利于图像的稳定。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种车载摄像稳定平台控制系统，该系统能够有效地隔离车载角运动引起的干扰、抑制陀螺引起的漂移、提高系统的动态性能。

本发明的技术解决方案是：车载摄像稳定平台控制系统，所述的车载摄像稳定平台上安装陀螺、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；车载摄像稳定平台控制系统包括信号处理模块、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模块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模块构成系统的锁定回路；

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；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，作为稳定回路和锁定回路的输入，构成双闭环回路。

所述的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，待摄像目标的移动量为目标脱靶量。

所述的光电码盘或操纵杆给出的加矩指令是光电码盘输出的角位置，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。

所述的目标脱靶量由图像跟踪算法给出，算法处理流程如下：

第一步，对图像进行中值滤波去噪声；

第二步，对滤波后的图像利用sobel边缘检测提取波门内目标边缘；

第三步，二值化分割出目标边缘；

第四步，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：

$k(x,y)={\mathrm{\λ}}_1\·|\stackrel{\→}{p(x_0,y_0)}-\stackrel{\→}{p^{\′}(x,y)}|+{\mathrm{\λ}}_2\·|\mathrm{NMI}(x_0,y_0)-{\mathrm{NMI}}^{\′}(x,y)|$

则整个特征匹配搜索过程即为求函数k(x，y)的极小值，此时(x，y)为目标在当帧中的坐标，其相对与视场中心坐标的偏移坐标即为得到的目标脱靶量；

其中波门大小为a×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，λ₁+λ₂＝1。

所述的锁定回路的带宽为稳定回路带宽的1/5～1/10。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用稳定回路和锁定回路双闭环回路进行控制，锁定回路采用电位计测量平台相对载体的角度，可以抑制因陀螺漂移造成的平台倾角的变化，有效隔离载体扰动的同时，解决了陀螺漂移问题。在稳定回路和锁定回路中加入前馈控制，提高了稳定回路和锁定回路的指令响应速度，使摄像机能够快速、准确对准目标，高目标跟踪的速度和精度。

(2)本发明采用手动控制获取待摄像目标的移动量时，根据拍摄需要和目标运动情况，可切换光电码盘或操纵杆两种控制方式，适应不同的操纵需要。同时将图像自动跟踪功能引入系统，对目标进行手动锁定后，实现目标的自动跟踪，保证对运动目标的精确跟踪。

(3)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，直观易操作。

(4)本发明在质心跟踪方法的基础上结合利用了目标的NMI不变矩的旋转不变性，缩放不变性，降低了由目标周围区域的背景噪声和非目标物体带来的干扰，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。

附图说明

图1为本发明系统组成框图；

图2为本发明控制模块原理图；

图3为本发明图像跟踪算法处理流程图；

图4为本发明图像跟踪算法中匹配搜索示意图；

图5位本发明的控制模块的电路框图。

具体实施方式

本发明车载摄像稳定平台控制系统，要求车载摄像稳定平台上安装陀螺、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；如图1、2所示，本发明包括信号处理模块1、功率模块3、控制模块2，控制模块2包括稳定控制器、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模块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模块构成系统的锁定回路；

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、模数转换后分别转换成陀螺速率信号和角度信号，分别作为稳定回路和锁定回路的输入；其中平台采用俯仰轴和方位轴分别进行控制，其不同轴的角速率和平台角度各需要一只陀螺和电位计进行敏感、测量，敏感测量结果分别通过各自的信号处理模块进行处理，统一经控制模块处理后分别由各自的功率模块控制各自的电机动作。

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要转动的角度，将该角度叠加在电位计角度信号上输入给锁定控制器，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，作为稳定回路和锁定回路的输入，构成双闭环回路。

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3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 $X_C=\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\·f(x,y)/\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y),$

y分量质心坐标 $Y_C=\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}y\·f(x,y)/\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y)$

f(x，y)为灰度值；

特征提取图像绕质心的转动惯量记为：

$J_{(X_C,Y_C)=\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[(x,y)-(X_C,Y_C)]}^{2}f(x,y)=\underset{x=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({(x-X_C)}^2+{(y-Y_C)}^2)f(x,y)}$

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4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。

为了节省成本，平台上陀螺一般采用固态速率陀螺。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NationalSemiconductor公司的LMD18200芯片实现PWM信号驱动。

如图2、5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。由于固态速率陀螺的零漂较大，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：

$G_o\left(s\right)=\frac{K_g{K}_{\mathrm{AD}}{K}_m}{s}$

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：

$G_{o2}\left(s\right)=\frac{K_g{K}_{\mathrm{AD}}{K}_r}{s}$

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：

$G_L\left(s\right)=\frac{s+0.1}{s}$

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。

Claims (5)

1.车载摄像稳定平台控制系统，其特征在于：所述的车载摄像稳定平台上安装陀螺、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；车载摄像稳定平台控制系统包括信号处理模块、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模块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模块构成系统的锁定回路；

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；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，作为稳定回路和锁定回路的输入，构成双闭环回路。

2.根据权利要求1所述的车载摄像稳定平台控制系统，其特征在于：所述的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，待摄像目标的移动量为目标脱靶量。

3.根据权利要求2所述的车载摄像稳定平台控制系统，其特征在于：所述的光电码盘或操纵杆给出的加矩指令是光电码盘输出的角位置，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。

4.根据权利要求2所述的车载摄像稳定平台控制系统，其特征在于：所述的目标脱靶量由图像跟踪算法给出，算法处理流程如下： 

第一步，对图像进行中值滤波去噪声；

第二步，对滤波后的图像利用sobel边缘检测提取波门内目标边缘；

第三步，二值化分割出目标边缘；

第四步，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：

则整个特征匹配搜索过程即为求函数k(x，y)的极小值，此时(x，y)为目标在当帧中的坐标，其相对与视场中心坐标的偏移坐标即为得到的目标脱靶量；

其中波门大小为a×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，λ₁+λ₂＝1。

5.根据权利要求1所述的车载摄像稳定平台控制系统，其特征在于：所述的锁定回路的带宽为稳定回路带宽的1/5～1/10。 

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