CN109283950A - 一种快速反射镜实时补偿的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种反射镜实时补偿的方法和系统。本发明实施例所提供的反射镜实时补偿的方法提出一种利用先验数据并结合时间规划路径的像移补偿方法，将像移补偿过程分成加速、补偿和回归三个阶段，具体为将快速反射镜到达最大补偿速度及稳定的时间，作为快速反射镜的加速时间段T1；将快速反射镜从首位置到末位置并稳定的时间范围，作为回归时间段T3；其余的时间段作为像移补偿阶段T2。在T2时间段内，通过PID控制算法，实时补偿运动像移。该补偿方法和系统使得补偿的过程更加模式化和简单化，并减少相应处理器的运算量。

Description

一种快速反射镜实时补偿的方法及系统

技术领域

本发明涉及光学装置的技术领域，具体涉及一种快速反射镜实时补偿的方法及系统。

背景技术

动态成像相机由于成像时像面与景物存在相对运动，因此，动态成像相机需要利用快速反射镜对二者的相对运动进行补偿。目前，CCD器件或者CMOS器件成像时，均有一个单帧成像周期和一个曝光时间。单帧成像周期为连续两次成像的时间间隔T，曝光时间为器件成像时的时间长度texp。单帧成像周期T和曝光时间texp都是很短的一段时间，数量级一般在1μs到10μs之间。快速反射镜在光学成像系统作为像移补偿结构应用时，不仅精度控制要求极高，实时性也至关重要。合理规划单帧成像周期T内快反镜的运动，进而充分且有效地利用单帧成像周期T，以保证在曝光时间texp内快速反射镜能够稳定补偿运动像移，且不影响后续成像。目前，传统的快速反射镜在进行实时像移补偿时，采用的都是过程控制方式，直接将像移补偿的速度作为基准，利用位置或者速度闭环控制系统，不断逼近目标速度，直至像移补偿工作结束回归初始位置。这种补偿方式存在控制模式复杂、软件复用性差、对处理器运算能力要求高等问题。

因此，针对现有的快速反射镜在进行实时像移补偿过程中存在的问题，需要提供一种快速反射镜实时补偿的方法及系统，从而使补偿的过程更加模式化和简单化，并减少相应处理器的运算量。

发明内容

针对现有的快速反射镜在进行实时像移补偿过程中存在的问题，本发明实施例提出一种快速反射镜实时补偿的方法和系统。该快速反射镜实时补偿的方法通过一些先验知识，将像移补偿过程分成加速、补偿和回归三个阶段，使补偿的过程更加模式化和简单化，并减少相应处理器的运算量。

本发明实施例提供一种快速反射镜实时补偿的方法的具体方案如下：一种快速反射镜实时补偿的方法，包括步骤S1：确定快速反射镜的最佳预置位置，并将快速反射镜停留在所述预置位置；步骤S2：判断主控模块是否发出像移补偿命令，若是则进入步骤S3，若否则返回步骤S1；步骤S3：快速反射镜依次进入加速阶段和稳速阶段；步骤S4：快速反射镜向主控模块反馈像移补偿准备完成硬信号；步骤S5：快速反射镜根据像移补偿速度进入实时调整阶段；步骤S6：判断主控模块是否发出曝光开始的中断信号，若是则进入步骤S7,若否则返回步骤S5；步骤S7：实时更新快速反射镜的位置和速度；步骤S8：判断像移补偿是否结束，若是则返回步骤S1，若否则返回步骤S5。

优选地，所述最佳预置位置基于快速反射镜加速阶段至稳速阶段过程中所运动的距离而确定。

优选地，在步骤S1之前，通过对快速反射镜实时补偿系统进行测试以获取多个参数。

优选地，所述参数包括根据快速反射镜实时补偿系统的特点而确定的加速时间。

优选地，所述参数包括快速反射镜运动方式的三个阶段时间，分别为加速阶段的时间，补偿阶段的时间，回归阶段的时间。

优选地，步骤S5中实时调整阶段采用PID控制算法对快速反射镜的模型进行修正。

优选地，采用时间延时为100ns的双超前滞后调节器执行所述PID控制算法。

本发明实施例还提供一种快速反射镜实时补偿系统。该快速反射镜实时补偿系统的具体方案为：一种快速反射镜实时补偿系统包括：快速反射镜，用于执行实时像移补偿的机构；电机，与所述快速反射镜连接，用于驱动所述快速反射镜运动；主控模块，与所述电机连接，用于向所述快速反射镜发送指令；位置采集传感器，用于采集所述快速反射镜的位置信息，并将所述位置信息反馈给所述主控模块；光纤陀螺，用于获取成像装置的角速度以合成所述快速反射镜的像移补偿速度信息，并将所述像移补偿速度信息反馈给所述主控模块。

优选地，所述主控模块包括主控电路、快速反射镜的控制电路和嵌入式DSP。

优选地，所述指令包括时间阶段指令和预置位置指令。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供一种快速反射镜实时补偿的方法和系统。该方法提出一种利用先验数据并结合时间规划路径的像移补偿方法。该快速反射镜实时补偿的方法将像移补偿过程分成加速、补偿和回归三个阶段，使补偿的过程更加模式化和简单化，并减少相应处理器的运算量。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种快速反射镜实时补偿系统的模块示意图；

图2为图1所示实施例中各个模块之间交互的时序示意图；

图3为图1所示实施例中快速反射镜的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种快速反射镜实时补偿方法的流程示意图。

附图中的标记说明：

100、系统 10、主控模块 20、电机

30、位置采集传感器 40、快速反射镜 50、光纤陀螺

12、主控电路 14、DSP 16、快速反射镜的控制电路

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，为本发明实施例中提供的一种快速反射镜实时补偿的系统。在该实施例中，快速反射镜实时补偿的系统100包括用于执行实时像移补偿的机构的快速反射镜40，与快速反射镜40连接且用于驱动快速反射镜40运动的电机20，与电机20连接且用于向快速反射镜40发送指令的主控模块10，用于采集快速反射镜40的位置信息并将位置信息反馈给主控模块10的位置采集传感器30，用于获取成像装置的角速度以合成快速反射镜40的像移补偿速度信息并将像移补偿速度信息反馈给主控模块10的光纤陀螺50。

如图3所示，本发明实施例中快速反射镜40的结构示意图。快速反射镜40包括快速反射镜主体，主要用于控制光学系统中光线方向。在该实施例中，主控模块10包括主控电路、快速反射镜的控制电路和嵌入式DSP。优选地，嵌入式DSP选用TI公司的TMS28335，其数据最大处理频率为147.5MHz。优选地，电机20选用音圈电机。

在该实施例中，快速反射镜40通过快速反射镜主体来控制光学系统中光线方向；电机20为驱动快速反射镜40运动的执行机构，电机20接收DSP14所输出的调宽波产生动力，进而根据DSP14的控制指令控制快速反射镜40的运动；主控电路12及DSP14的软件用于与进行快速反射镜40控制的DSP14的软件交互，具体的指令包括时间阶段指令和预置位置指令；位置采集传感器30用于采集快速反射镜40的位置信息，进而对快速反射镜40进行闭环控制；光纤陀螺50用于获取惯性坐标系下的成像装置的角速度，用于合成快速反射镜40的像移补偿速度信息。在该实施例中，成像装置为红外面阵CCD，成像周期为50毫秒，曝光时间为10ms≤t≤11ms。

在本发明实施例中，快速反射镜进行像移补偿前，通过增加事前测试以及分散工作量的方法，将快速反射镜的PID控制时间最大化，更好地保证了快速反射镜的控制效果以进行补偿。事前测试主要包括预先对快速反射镜和电机进行的多次测试，需要事先完成的工作主要包括以下几个方面：(1)通过对快速反射镜扫频方式实现构建快速反射镜与电机的模型。(2)使用适当的PID调节器对初始的快速反射镜模型进行修正。由于快速反射镜在实时补偿运动像移时，实时性要求非常高，因此，PID算法不宜过分复杂。在本发明实施例中，PID控制算法采用时间延时在100ns左右的双超前滞后调节器实现PID控制。(3)测试调节后的快速反射镜，从0加速至最大补偿速度并稳定，所需要的时间。该数据需要进行多次测试，以便获取最大包络时间范围T1。(4)测试快速反射镜在最大正向速度补偿时，直接掉头回至最远的预置位置所需的时间T3。(5)测试不同像移补偿速度时，在T1时间内，快速反射镜从速度0加速至目标速度并最后稳定所运动的距离。在本发明实施例中，采取的速度间隔为5°/s。

成像装置(CCD或者CMOS器件)成像时，均有一个单帧成像时间，记为T。在本发明实施例中，将该时间段T分为三个部分：快速反射镜从0加速至最大补偿速度并稳定所需要最大包络时间范围T1；快速反射镜在最大正向速度补偿时，直接掉头回至最远的预置位置所需要的时间T3；剩下的时间T2＝T-T1-T3即为快速反射镜的像移补偿时间。在该实施例中，系统的各个模块之间交互的时序图如图2所示。

上述五个方面的工作，具体的过程描述如下。

(a)通过扫频法测试快速反射镜的开环特性，并建立快速反射镜和电机的理论模型。在本实施例中，所采用的快速反射镜实时补偿系统的传递函数为45.7/(0.0004244*s^2+0.412*s+1)。根据系统特点，确定快速反射镜的加速时间。在本发明实施例中，结合成像装置(即红外面阵CCD)的成像周期，本实施中采用的加速时间定为9ms。

(b)由于快速反射镜的工作特性，需要使得系统100的闭环带宽尽可能最大。在本发明实施例中，闭环带宽设定为350Hz左右，系统的幅值裕度设定为18.8dB，相位裕度设定为52.1dB，从而，保证系统的稳定性。

(c)测试闭环控制下，系统的不同频率的响应特性，保证理论仿真与实际的一致性。

(d)快速反射镜用于补偿成像期间景物与像面的相对运动。通常情况下，快速反射镜的补偿速度会在一个稳定值的附近波动。在本发明实施例中，按照快速反射镜的运动方式将像移补偿过程规划为加速、补偿、回归三个阶段。将快速反射镜到达最大补偿速度及稳定的时间，将该时间段作为快速反射镜的加速时间段T1；再测试快速反射镜从首位置到末位置并稳定的时间范围，将该时间段作为回归时间段T3；其余的时间段均为像移补偿阶段T2，在像移补偿阶段通过PID控制算法，实时补偿运动像移。针对同一种成像装置，在性能类似或优于测试所用快速反射镜上均可续用T1、T2和T3阶段的软件。在本发明实施例中，一个方向的快速反射镜的像移补偿速度为55°/s，经过多次≥200的加速并稳定、补偿、回归的流程测试，确定加速及稳定时间段T1＝12ms；补偿时间12ms≥曝光时间11ms，留有余量，剩下的均为回归预置位置的时间。

(e)由于当快速反射镜在曝光时，景物需要在像面之内，因此，需要进行多次测试以得到加速至稳速过程中的运动距离，进而确定最佳预置位置。

本发明所提供的实施例通过增加事前测试以及分散工作量的方法，将快速反射镜的PID控制时间最大化，从而更好地保证了快速反射镜的控制效果，并且通过时间控制快速反射镜实时补偿的过程，取代了传统像移不错系统中通过多次比较控制流程的方式，所以，即使中途出现控制不稳定或者补偿效果不佳的状态，也不会影响下一帧图像的成像，进一步增加了系统的可靠性。

如图4所示，本发明实施例还提供一种快速反射镜实时补偿的方法。该快速反射镜实时补偿的方法包括八个步骤，具体内容如下所述。

步骤S1：确定快速反射镜的最佳预置位置，并将快速反射镜停留在所述预置位置。在该实施例中，最佳预置位置基于快速反射镜加速阶段至稳速阶段过程中所运动的距离而确定。在步骤S1之前，通过对快速反射镜实时补偿系统进行测试以获取多个参数。多个参数具体包括快速反射镜运动方式的三个阶段时间，分别为加速阶段的时间，补偿阶段的时间，回归阶段的时间。多个参数还包括根据快速反射镜实时补偿系统的特点而确定的加速时间。

步骤S2：判断主控模块是否发出像移补偿命令，若是则进入步骤S3，若否则返回步骤S1。

步骤S3：快速反射镜依次进入加速且稳速阶段。

步骤S4：快速反射镜向主控模块反馈像移补偿准备完成硬信号。

步骤S5：快速反射镜根据像移补偿速度进入实时调整阶段。在该实时调整阶段，采用PID控制算法对快速反射镜的模型进行修正。在本发明实施例中，采用时间延时为100ns的双超前滞后调节器执行所述PID控制算法。

步骤S6：判断主控模块是否发出曝光开始的中断信号，若是则进入步骤S7,若否则返回步骤S5。

步骤S7：实时更新快速反射镜的位置和速度。

步骤S8：判断像移补偿是否结束，若是则返回步骤S1，若否则返回步骤S5。

结合上文介绍的快速反射镜实时补偿系统，该补偿方法在上述系统上的具体实现流程如下。

(1)快速反射镜控制上电自检及初始化；系统上电或者看门狗引起系统复位时，对DSP(TMS320F28335)的指令系统、通用输入/输出端口(GPIO)及外部接口(XINTF)、中断系统、定时器、串口(SCI)、多通道缓冲串行口(McBSP)、增强型脉宽调制器(ePWM)调节器控制参数等进行初始化及自检。自检及初始化期间，快速反射镜处于不受控状态。当检测到硬件接口存在问题时，只是记录自检结果，并不中止后续操作。

(2)与主控模块进行通讯：接收预置位置指令以及成像周期开始指令。接收到成像周期开始指令后，快速反射镜开始加速，并且运动到指定预置位置。

(3)一旦接收到主控模块的成像周期开始指令之后，快速反射镜就根据自身内部的计时，按照12ms加速稳速，12ms补偿，26ms回归的流程自动控制。直到收到控制结束指令，快速反射镜终止像移补偿过程。

本发明实施例将快速反射镜的像移补偿过程分为三个阶段：加速、补偿和回归。具体为：将快速反射镜到达最大补偿速度及稳定的时间，作为快速反射镜的加速时间段T1；将快速反射镜从首位置到末位置并稳定的时间范围，作为回归时间段T3；其余的时间段作为像移补偿阶段T2。在T2时间段内，通过PID控制算法，实时补偿运动像移。针对同一种成像器件，T1、T2和T3阶段的软件，在性能类似或优于测试所用快反镜上均可续用。本发明实施例利用时间划分像移补偿阶段，使得补偿过程更加模式化，在提高了过程的可靠性的同时，减轻了DSP软件的数据处理压力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种快速反射镜实时补偿的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：确定快速反射镜的最佳预置位置，并将快速反射镜停留在所述预置位置；

步骤S2：判断主控模块是否发出像移补偿命令，若是则进入步骤S3，若否则返回步骤S1；

步骤S3：快速反射镜依次进入加速阶段和稳速阶段；

步骤S4：快速反射镜向主控模块反馈像移补偿准备完成硬信号；

步骤S5：快速反射镜根据像移补偿速度进入实时调整阶段；

步骤S6：判断主控模块是否发出曝光开始的中断信号，若是则进入步骤S7,若否则返回步骤S5；

步骤S7：实时更新快速反射镜的位置和速度；

步骤S8：判断像移补偿是否结束，若是则返回步骤S1，若否则返回步骤S5。

2.根据权利要求1所述的一种快速反射镜实时补偿的方法，其特征在于，所述最佳预置位置基于快速反射镜加速阶段至稳速阶段过程中所运动的距离而确定。

3.根据权利要求1所述的一种快速反射镜实时补偿的方法，其特征在于，在步骤S1之前，通过对快速反射镜实时补偿系统进行测试以获取多个参数。

4.根据权利要求3所述的一种快速反射镜实时补偿的方法，其特征在于，所述参数包括根据快速反射镜实时补偿系统的特点而确定的加速时间。

5.根据权利要求3所述的一种快速反射镜实时补偿的方法，其特征在于，所述参数包括快速反射镜运动方式的三个阶段时间，分别为加速阶段的时间，补偿阶段的时间，回归阶段的时间。

6.根据权利要求1所述的一种快速反射镜实时补偿的方法，其特征在于，步骤S5中实时调整阶段采用PID控制算法对快速反射镜的模型进行修正。

7.根据权利要求6所述的一种快速反射镜实时补偿的方法，其特征在于，采用时间延时为100ns的双超前滞后调节器执行所述PID控制算法。

8.一种快速反射镜实时补偿系统，其特征在于，所述系统包括：

快速反射镜，用于执行实时像移补偿的机构；

电机，与所述快速反射镜连接，用于驱动所述快速反射镜运动；

主控模块，与所述电机连接，用于向所述快速反射镜发送指令；

位置采集传感器，用于采集所述快速反射镜的位置信息，并将所述位置信息反馈给所述主控模块；

光纤陀螺，用于获取成像装置的角速度以合成所述快速反射镜的像移补偿速度信息，并将所述像移补偿速度信息反馈给所述主控模块。

9.根据权利要求8所述的一种快速反射镜实时补偿系统，其特征在于，所述主控模块包括主控电路、快速反射镜的控制电路和嵌入式DSP。

10.根据权利要求8所述的一种快速反射镜实时补偿系统，其特征在于，所述指令包括时间阶段指令和预置位置指令。