CN105938233B - 一种红外自动对焦系统及快速自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外自动对焦系统，包括数字处理单元、综合控制单元、位置控制伺服系统和电机系统；所述的数字处理单元包括图像采集模块、红外图像特性分析模块、特性量化存储单元和位置信息存储单元；所述的位置控制伺服系统包括运动控制单元、方向控制模块和运动使能模块，所述的运动控制单元上连接有温度检测模块；所述的电机系统包括电机驱动模块、直流电机、限位模块和角度测量模块，所述的角度测量模块与运动控制单元连接；还公开了其快速自动对焦方法；本发明采用闭环反馈运动控制技术，有效提高电机运动控制的精度，进而有效提高对焦精度，系统结构简单，可靠性高。

Description

一种红外自动对焦系统及快速自动对焦方法

技术领域

本发明属于红外成像技术和自动控制技术领域，具体涉及一种用于红外热像仪的自动对焦系统，以及其快速自动对焦方法。

背景技术

在八十年代中期出现了自动对焦技术（Automatic Focusing，简称AF），并被用于照相机、摄像机、显微镜、扫描仪等各种精密仪器中。随着微电子技术、超大规模集成电路技术、信号处理技术的快速发展，在以数码相机和摄像机为代表的现代成像系统中出现了非TTL式自动对焦、TTL自动对焦、多点自动对焦、全息自动对焦 (Hologram AF)、脸部对焦等多种自动对焦技术。

自动对焦技术从原理上可大致分为三大类：一是基于测距原理的自动对焦技术，通过发射红外线(或其它射线)，根据被摄体的反射确定被摄体的距离，然后根据测得的结果调整镜头组合，实现自动对焦；二是基于视频信号分析的自动对焦技术，对准确对焦图像的模拟视频信号和离焦图像的模拟视频信号进行鉴别，根据视频信号中高频分量的电平幅度变化，实现自动对焦；三是基于数字图像处理的自动对焦技术，以CCD(或CMOS)获取的图像作为对焦的基本信息，以图像分析和处理为基础实现自动对焦。其中基于数字图像处理的自动对焦技术代表了智能化自动对焦的发展方向。

目前，自动对焦技术主要应用于可见光系统。红外成像系统与可见光成像系统的不同之处在于：一是红外波段波长较长，红外光学系统设计复杂，控制精度要求高；二是受现有技术、工艺的制约，红外探测器的像元较少、均匀性差、像元间存在串音，导致景物边缘粗糙，图像中的噪声较大；三是红外探测是基于温度差异，一定程度上红外图像反应的是物体热分布图像，而不是我们视觉看到的物体外形图。

由于红外波段波长较长，红外光学系统设计复杂，控制精度要求高，传统的自动调焦技术不可能直接运用于红外系统，基于测距原理的自动对焦技术不适合远距离观测的红外系统；基于模拟视频信号分析的自动对焦技术因原始信息取自模拟信号且没有利用视频信号中丰富的图像信息等不足也不适和运用于红外系统。

因此，有必要开发基于数字图像处理的自动对焦方法。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种红外自动对焦系统，该系统能够实现红外成像系统的快速精确定焦，提升红外成像系统的成像效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种红外自动对焦系统，包括顺序连接的数字处理单元、综合控制单元、位置控制伺服系统和电机系统；所述的数字处理单元包括图像采集模块、红外图像特性分析模块、特性量化存储单元和位置信息存储单元；所述的位置控制伺服系统包括运动控制单元、方向控制模块和运动使能模块，所述的运动控制单元上连接有温度检测模块；所述的电机系统包括电机驱动模块、直流电机、限位模块和角度测量模块，所述的角度测量模块与运动控制单元连接。

所述的一种红外自动对焦系统，其运动控制单元包括顺序连接的上位机、单片机和光电隔离模块，所述的电机驱动模块为与光电隔离模块连接的H驱动桥，所述的直流电机和单片机之间连接有增量式光电编码器。

为满足前视红外系统（FLIR），在快速运动的目标的清晰成像、宽温度泛围稳定工作等方面对快速、自动调焦具有现实的需求，本发明的目的之二在于提供一种用于红外热像仪的快速自动对焦方法，其能够实现在无人工干预的条件下，使红外热像仪能够根据目标景物的特性进行自动补偿，获得清晰的红外图像。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种红外自动对焦系统的快速自动对焦方法，步骤包括：a）、数字处理单元接收到自动对焦指令后向位置控制伺服系统发出理想无穷远处位置给定信号；b）、位置控制伺服系统根据温度条件解算，控制电机系统进行运动，到位后将回告信号发往综合控制单元；c）、综合控制单元开启图像采集并进行红外图像特性分析，将该位置的红外图像的特性指标及位置信息存储在相关的存储器中，完成第一点的运算；d）、综合控制单元依次在全量程内对各点进行运算及存储，最后根据存储器中内各点的特性指标，判定最优位置；e）、电机系统控制直流电机运动到位。

所述的一种红外自动对焦系统的自动对焦方法，其电机系统的控制方法为：上位机通过串口向单片机发送控制命令，单片机接收到控制命令后通过运算比较判断，然后输出PWM脉冲波形和转向信号，经过光电隔离模块后输出给H驱动桥驱动直流电机运转，增量式光电编码器将直流电机的位置回馈给单片机实现位置反馈控制。

所述的一种红外自动对焦系统的快速自动对焦方法，其控制命令包括正反调焦、停机、变焦和位置命令。

所述的一种红外自动对焦系统的快速自动对焦方法，其位置反馈控制包括零位的确定，变焦控制，正/反转及快速制动停机。

其中，所述零位的确定采用机械零位作为系统零位点，系统上电时直流电机以一个固定的低速度运行到机械零位。

其中，所述的变焦控制为：电机驱动模块接收到上位机的变焦命令后，比较两个不同焦距位置差值选择不同加减速度和最高速度，并实时反馈电机位置，采用增量式PID控制算法，实现精确控制；

所述增量式PID控制算法公式为：

上式中，，。

其中，所述的正/反转及快速制动停机为：位置控制伺服系统发送停机命令后，电机驱动模块记录当前码值并停止PWM输出，使直流电机工作于再生发电制动状态，当直流电机速度为零时，比较当前码值与发停机命令码值的差值，对直流电机进行反向微调焦，使直流电机最终精确停止在指定图像清晰位置。

本发明的有益效果是：采用闭环反馈运动控制技术，可以有效提高电机运动控制的精度；采用的焦距评价函数具有无偏性、单峰性、灵敏度高、信噪比较高、计算量小等特点，可以有效提高对焦精度和对焦速度；结构组成简单，具有更高的可靠性和实用性。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图；

图2是本发明运动控制单元的原理框图；

图3是本发明的编码器边沿捕获中断程序框图；

图4是本发明的PDI算法流程图。

各附图标记为：1—数字处理单元，2—位置控制伺服系统，3—电机系统，4—综合控制单元，201—上位机，202—单片机，203—H驱动桥，204—直流电机，205—增量式光电编码器，206—光电隔离模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1所示，本发明公开了一种红外自动对焦系统，包括数字处理单元1、位置控制伺服系统2、直流电机系统3和综合控制单元4。

所述的数字处理单元1包括图像采集模块、红外图像特性分析模块、特性量化存储单元和位置信息存储单元；所述的位置控制伺服系统2包括运动控制单元、方向控制模块和运动使能模块，所述的运动控制单元上连接有温度检测模块；所述的电机系统3包括电机驱动模块、直流电机204、限位模块和角度测量模块，所述的限位模块包括限位A模块和限位B模块，所述的角度测量模块与运动控制单元连接。

数字处理单元1接收到自动对焦指令后向位置控制伺服系统2发出理想无穷远处位置给定信号，位置控制伺服系统2根据温度条件解算，然后控制电机系统3进行运动，到位后将回告信号发往综合控制单元4，综合控制单元4开启图像采集并进行红外图像特性分析，将该位置的红外图像的特性指标及位置信息存储在相关的存储器中，完成第一点的运算，综合控制单元4依次在全量程内对各点进行运算及存储，最后根据存储器中内各点的特性指标，判定最优位置，电机系统3控制直流电机204运动到位。

参照图2所示，所述的运动控制单元包括顺序连接的上位机201、单片机202和光电隔离模块206，所述的电机驱动模块为与光电隔离模块206连接的H驱动桥203，所述的直流电机204和单片机202之间连接有增量式光电编码器205。

控制过程为：上位机201通过串口向单片机202发送控制命令（包括正反调焦，停机，变焦、位置等命令），单片机202接收到控制命令后通过运算比较判断，然后输出PWM脉冲波形和转向信号，经过光电隔离模块206后输出给H驱动桥203驱动直流电机204运转，直流电机204的位置通过增量式光电编码器205回馈给单片机202实现位置反馈控制。

直流电机204的控制主要用到5个捕捉/比较模块，每个模块都可以配置为独立工作，有六种工作方式：边沿触发捕捉，软件定时器，高速输出，频率输出，8位脉宽调制器和16位脉宽调制器；两个模块设置为8位PWM输出，H驱动桥203和两个模块设置为边沿触发（正沿或负沿）捕捉方式，接编码器的A、B路脉信号，在A或B路脉冲的边沿触发中断，中断服务子程序如图3所示。

所述的位置反馈控制主要包括三个方面：（1）零位的确定；（2）变焦控制；（3）正、反转及快速制动停机。

（1）零位的确定：只有保证机构零位的固定不变，才能保证电机运行中，每个码值对应一个固定的机械位置。为了保证零位点可靠性，本发明采用机械零位作为系统零位点；系统每次上电时直流电机204首先运行机械零位；由于温度的变化对电机的性能影响很大，同样的电压在不同温度下电机运行速度相差很大，因此系统采用速度闭环控制；使每次上电时电机都以一个固定的低速度运行到机械零位。

（2）变焦控制：当接收到上位机201的变焦命令后，通过比较两个不同焦距位置差值，将电机运行分为三个阶段，加速阶段，匀速阶段，减速阶段。根据差值大小选择不同加减速度和最高速度，并实时反馈电机位置，参照图4所示，采用增量式PID控制算法实现精确控制。

增量式PID控制算法公式为：

上式中：

（3）正、反转及快速制动停机：为了寻找图像清晰的位置，需要电机正反运转并能根据上位机201的停机命令快速准确停机。本发明采用再生发电制动，能使直流电机204快速停机。当系统发送停机命令后，立刻记录当前码值，并停止PWM输出，使电机工作于再生发电制动状态。

电机工作在正、反转再生发电制动状态时，S1~S4开关管关闭，电机绕组的自感电动势和反电势之和大于电源电压，电流经过续流二极管将能量回馈电源，电流的路线和方向如途中虚线。这时电机受到制动力矩的作用，电流和速度迅速衰减为零。当电机速度为零时，比较当前码值与发停机命令码值的差值，对电机进行反向微调焦，使电机最终精确停止在指定图像清晰位置。

所述数字处理平台采用FPGA＋DSP构架，FPGA选用ACTEL公司的APA600，DSP是TI公司的F2812。因此数字外理单元采用C言语编写，嵌入到DSP控制器中，无需额外硬件开销。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种红外自动对焦系统，其特征在于：包括顺序连接的数字处理单元（1）、综合控制单元（4）、位置控制伺服系统（2）和电机系统（3）；所述的数字处理单元（1）包括图像采集模块、红外图像特性分析模块、特性量化存储单元和位置信息存储单元；所述的位置控制伺服系统（2）包括运动控制单元、方向控制模块和运动使能模块，所述的运动控制单元上连接有温度检测模块；所述的电机系统（3）包括电机驱动模块、直流电机（204）、限位模块和角度测量模块，所述的角度测量模块与运动控制单元连接，所述的运动控制单元包括顺序连接的上位机（201）、单片机（202）和光电隔离模块（206），所述的电机驱动模块为与光电隔离模块（206）连接的H驱动桥（203），所述的直流电机（204）和单片机（202）之间连接有增量式光电编码器（205）。

2.一种如权利要求1所述红外自动对焦系统的快速自动对焦方法，其特征在于，步骤包括：

a）、数字处理单元（1）接收到自动对焦指令后向位置控制伺服系统（2）发出理想无穷远处位置给定信号；

b）、位置控制伺服系统（2）根据温度条件解算，控制电机系统（3）进行运动，到位后将回告信号发往综合控制单元（4）；

c）、综合控制单元（4）开启图像采集并进行红外图像特性分析，将该位置的红外图像的特性指标及位置信息存储在相关的存储器中，完成第一点的运算；

d）、综合控制单元（4）依次在全量程内对各点进行运算及存储，最后根据存储器中内各点的特性指标，判定最优位置；

e）、电机系统（3）控制直流电机（204）运动到位。

3.根据权利要求2所述的一种红外自动对焦系统的快速自动对焦方法，其特征在于，所述电机系统（3）的控制方法为：

上位机（201）通过串口向单片机（202）发送控制命令，单片机（202）接收到控制命令后通过运算比较判断，然后输出PWM脉冲波形和转向信号，经过光电隔离模块（206）后输出给H驱动桥（203）驱动直流电机（204）运转，增量式光电编码器（205）将直流电机（204）的位置回馈给单片机（202）实现位置反馈控制。

4.根据权利要求3所述的一种红外自动对焦系统的快速自动对焦方法，其特征在于，所述的控制命令包括正反调焦、停机、变焦和位置命令。

5.根据权利要求3所述的一种红外自动对焦系统的快速自动对焦方法，其特征在于，所述的位置反馈控制包括零位的确定，变焦控制，正/反转及快速制动停机。

6.根据权利要求5所述的一种红外自动对焦系统的快速自动对焦方法，其特征在于，所述零位的确定采用机械零位作为系统零位点，系统上电时直流电机（204）以一个固定的低速度运行到机械零位。

7.根据权利要求5所述的一种红外自动对焦系统的快速自动对焦方法，其特征在于，所述的正/反转及快速制动停机为：位置控制伺服系统（2）发送停机命令后，电机驱动模块记录当前码值并停止PWM输出，使直流电机（204）工作于再生发电制动状态，当直流电机（204）速度为零时，比较当前码值与发停机命令码值的差值，对直流电机（204）进行反向微调焦，使直流电机（204）最终精确停止在指定图像清晰位置。