CN112433333B - 一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，通过不同温度保存补偿点方式，得到大变倍比连续变焦红外镜头不同温度点的误差补偿曲线，并用直线拟合该曲线，然后提取直线相应的插值点和端点，通过改进PID运动控制方式，交叉耦合采样方式，同步驱动方式，协同控制变焦运动和补偿运动；补偿运动控制采用插值点和端节点校准，并在端节点位置重新加载新的运动参数，改变运动模式，使得连续变焦红外镜头在变焦过程中，补偿位置一直在允许的补偿位置精度以内，因此在变焦运动时，能保证红外图像实时清晰。

Description

一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法

技术领域

本发明属于镜头的运动控制技术领域，具体涉及一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法。

背景技术

为了观测更远的距离，红外镜头的尺寸越来越大。为了节省光学镜头的安装空间，同时兼顾搜索、跟踪与监控，目前光学系统通常采用大变倍比的连续变焦红外镜头，或采用二档/三档变焦红外镜头制造红外热像仪。

由于机械加工误差和装配误差，连续变焦红外镜头齐焦性难以保证，即使在常温下，在全行程中，总会有部分点齐焦性无法满足要求。使得大变倍比连续变焦红外镜头装调工作量、工作强度较大。同时，由于红外镜头的热敏感性，对于大变倍比红外镜头，对温度更加敏感。在环境温度不变的情况下，连续工作一段时间后，红外镜头因电气热影响，也会导致齐焦性变差，甚至某此位置图像完全模糊，在变焦过程中，容易导致目标丢失。

特别在某些跟踪监控中，要求在跟踪过程中，目标能实时显示，特别针对有多个相似目标同时在视场中时，由于瞬时的目标丢失，会导致跟踪目标错误。

针对红外镜头，目前主要采用两种方式来补偿视频图像的清晰度：一种是采用热不敏设计，但该方法只适用于单镜头；对于连续变焦和二档、三档变焦红外镜头，都采用补偿方式。

针对大变倍比镜头的补偿方式，主要分为两种：一种是采用自动聚焦方式，该方式基于视频图像灰度梯度，在目标背景复杂时，自动聚焦效果较好，但对海和对空搜索时，因目标背景单一，自动聚焦效果较差；此外自动聚焦都采用爬山算法，最少需要调焦电机换向一次，因此自动聚焦时间很难控制在1秒以内。另一种采用变焦停止后的补偿方式，针对大变倍比的红外镜头，由于变焦的时间较长，从一端到另一端，变焦的时间长达5～10秒，如果要变焦过程中，目标变模糊，则只能在变焦结束后，才能实现该位置补偿，虽然补偿的时间较短，但目标丢失的时间可能会较长，因此在严格的目标跟踪应用中，也有较大的局限性。

连续变焦红外镜头在工作一段时间后，因热应力影响，会出现齐焦性误差。同时，在不同工作温度下，齐焦性误差各不相同的情况。因此在实际的应用中，经常会发生红外热像仪变焦时，出现目标丢失的情况，特别是针对多个相似目标的监控和单目标的跟踪，尤其严重。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，基于连续变焦红外镜头、辅助用存储齐焦性补偿用红外热像仪机芯组件和电气控制组件组成的连续变焦红外镜头，所述的电气控制组件包括MCU和由供电防反接模块、过压/过流保护模块以及DC-DC模块组成的电源管理模块，所述的MCU上分别连接有变焦光电限位开关、补偿行程限位开关、测温组件和通信控制模块，MCU上还分别通过变焦采样定时器和补偿采样定时器连接变焦PID控制器和补偿PID控制器，变焦PID控制器和补偿PID控制器分别连接变焦电机驱动模块和补偿电机驱动模块，所述的变焦电机驱动模块和补偿电机驱动模块分别通过变焦驱动组件和补偿驱动组件连接变焦电机和补偿电机，变焦电机依次连接变焦编码器、变焦位置反馈模块和变焦四倍频计数模块之后与MCU连接，补偿电机依次连接补偿编码器、补偿位置反馈模块和补偿四倍频计数模块之后与MCU连接，包括如下步骤：

（一）变焦启动后，将变焦运动分为匀加速运动的启动段、匀速运动的中间段和匀减速运动的结束段，通过测温组件获取变焦红外镜头的工作环境温度，按每±2℃、±2.5℃或±3℃的边际温度将环境温度分成多个温度段，按变焦红外镜头正向和负向用直线将每个分段温度的补偿曲线拟合出来，然后提取相应的插值点和端点并存储，生成多个包含运动起点、终点以及匀速运动、匀加速运动、匀减速运动参数的直线段，拟合不同分段直线得到补偿路径；按红外镜头的工作环境温度，对温度拟合曲线进行预处理，将变焦红外镜头正向和负向两个方向的补偿曲线拟合特征值存入MCU的flash中；

（二）变焦开始时，采用匀加速方式控制变焦，一直到设定的运动速度，定时采样变焦值，采用速度环和位置环双环串联方式进行PID控制，判断是否完成启动段；

补偿运动采用相同的运动方式，通过变焦值与补偿位置的交互采样，保证补偿运动按指定的补偿路径补偿；

变焦运动与补偿运动都是通过PWM+/-信号占空比来实现运动速度的改变；

如果完成开始段的匀加速路径后，则进入下一步；

（三）采用匀速运动控制变焦，定时采样变焦值，进行变焦PID控制，判断是否完成中间段；

否则继续定时采样变焦值，通过PWM+/-信号变焦；同时读取补偿值，驱动补偿电机匀速运动，周期采样补偿值，调焦补偿PID，如果到达匀速段端点位置则补偿值校准，否则继续周期采样补偿值，通过PWM+/-信号调节补偿运动；

如果选择随机急停，则进行第五步，如果选择固定停止位则进入下一步；

（四）采用匀减速运动控制变焦，定时采样变焦值，进行变焦PID控制，判断是否完成结束段；

否则继续定时采样变焦值，通过PWM+/-信号变焦，同时读取补偿值，补偿运动也采用匀减速运动，周期交互采样补偿值和变焦值，调焦补偿PID，如果到达匀减速段端点位置，则停止补偿，否则继续周期采样补偿值，通过PWM+/-信号驱动补偿电机；

（五）如果采用急停方式，变焦运动采用刹车方式停止，变焦因惯性前冲误差较小，最多进行两次调焦补偿，其它一次在变焦停止后。

所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其步骤（一）和步骤（二）之间还包括：判断环境温度是否变化超过设定的边际（设定边际的一半值）；如果温度变化没在超过边际，则变焦停止后不进行补偿；如是果超过边际，表明红外图像会有一定的模糊，则装载新的温度条件下的补偿特征值，且进行一次变焦终点补偿。

所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其步骤（二）中将变焦运动对应的调焦补偿拟合直线分成两段，开始段拟合直线的前部分用于匀加速，后部分用于匀速；尽可能减小匀加速段的长度，匀速段可以更好保证补偿的精度。

所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其步骤（二）中采用串联速度环和位置环的双环PID控制，根据实际的运动方程，在开始段、结束段采用位置环作为主控环，而在中间位置，采用速度环作为主控环。

所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其步骤（三）中将变焦运动对应的调焦补偿拟合直线，从第二段开始，由于每一段的运动速度不同，需要重新加载新的运动参数；同时在端点位置，根据变焦与补偿运动的实际位置，实现一次位置校准，从而消除补偿累积误差。

所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其步骤（三）中将变焦运动对应的调焦补偿拟合直线分成两段，由于每一段补偿运动的速度不同，在每一段开始时，都会有一个速度快速变化过程，因此通过平滑路径规划来保证补偿精度，位置控制的路径规划属于变速运动。

所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其步骤（三）中将变焦运动按采样节拍分段，为了整数分段，采用不同变焦采样频率，方便根节点位置校准，而对应的补偿拟合直线段无法整数分段时，该位置与端节点位置偏移较小，则最后的非整数分段位置需要采用路径规划来确定补偿值，且该位置运动参数也需要重新加载。

所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其步骤（四）中匀减速段，同样将该段对应的分成两段，开始段采用匀速运动，第二段采用匀减速运动，并在最终停止终点做一次同步位置校准。

所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其步骤（五）中的随机急停时，采用刹车方式停止变焦，变焦停止过程长于补偿采样节拍时，根据当前的变焦速度和环境温度，作一次同步预测位置调焦补偿，并在变焦完全停止后，做一次变焦静止条件下的异步调焦补偿，以消除位置补偿误差。

本发明的有益效果在于：

本专利使得红外热像仪能实时、更有效地监控目标，使得高速目标和小目标更加不容易逃脱跟踪和监控，该专利目前已用于多个项目中，在实际应用中取得了较好的效果；使得红外连续变焦红外镜头能实现实时齐焦性误差补偿，不论连续变焦红外镜头是在变焦过程中还是在停止的状态下，齐焦性补偿都能实时执行；而采用同步齐焦性补偿方式，则在变焦的每一个瞬间，目标图像都能清晰地显示在视场中，大多目标的跟踪过程中，能保证目标不会丢失；在变焦停止时，如长时间工作导致热像仪温度升高，产生红外图像模糊现象，该发明算法也能较好的实时补偿。

附图说明

图1是本发明补偿点拟合曲线提取流程图；

图2是本发明分段拟合曲线预处理流程图；

图3是本发明变焦误差补偿曲线与分段拟合曲线示意图；

图4是本发明连续变焦红外镜头变焦运动速度示意图；

图5是本发明连续变焦红外镜头变焦运动速度改进示意图；

图6是本发明变焦运动与补偿运动合成路径示意图；

图7是本发明变焦运动与补偿运动分段采样路径示意图；

图8是本发明连续变焦红外镜头的电路结构示意图；

图9是本发明变焦过程中同步齐焦性误差补偿原理图；

图10是本发明变焦过程中同步齐焦性误差补偿流程图。

各附图标记为：a1—电源管理模块，a2—变焦光电限位开关，a3—补偿行程开关，a4—通信控制模块，a5—MCU，a6—变焦采样定时器，a7—变焦PID控制器，a8—变焦电机驱动模块，a9—变焦电机，a10—变焦编码器，a11—变焦四倍频计数模块，a12—补偿采样定时器，a13—补偿PID控制器，a14—补偿电机驱动模块，a15—补偿电机，a16—补偿编码器，a17—补偿四倍频计数模块，a18—变焦位置反馈模块，a19—补偿位置反馈模块，a20—补偿驱动组件，a21—变焦驱动组件，a22—测温组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图8所示，本发明公开的一种大变倍比连续变焦红外镜头，包括辅助用存储齐焦性补偿用的红外热像仪机芯组件、连续变焦红外镜头以及连续变焦红外镜头的电气控制组件，其中红外热像仪机芯组件和连续变焦红外镜头为现有技术，例如中国专利CN108490578A中所描述的结构（该专利描述的“一种连续变焦红外镜头的齐焦性误差补偿方法”为难度较小的顺序控制，只能保证变焦停止后，目标图像补偿清晰，无法在变焦过程中保证目标图像清晰；而本专利申请方法能控制红外镜头在变焦过程中，补偿运动也同步驱动，目标图像可以一直清晰），所述的电气控制组件主要包括电路板电源管理模块a1，该电源管理包括供电防反接模块，防止高供电的过压/过流保护模块，给系统供电的DC-DC模块、LDO模块，给电机供电的DC-DC模块，及供采样用基准源模块。变焦光电限位开关a2和补偿行程开关a3，该开关可以是光电开关、霍尔元件开关或机械开关，供不同的安装位置选择，主要用于反馈到位位置，保护电机驱动不超过极限位置，通信控制模块a4可以采用不同的控制接口，包括USART接口、SPI接口、I2C接口及网络接口。MCU a5（GD32F4501）的主控制器可以选择采用ARM芯片、DSP芯片和FPGA芯片，内置flash芯片。MCU a5上分别连接有变焦光电限位开关a2、补偿行程限位开关a3、测温组件a22和通信控制模块a4，MCU a5上还分别通过变焦采样定时器a6和补偿采样定时器a12接变焦PID控制器（a7）和补偿PID控制器a13，变焦PID控制器a7和补偿PID控制器a13分别连接变焦电机驱动模块a8和补偿电机驱动模块a14，所述的变焦电机驱动模块a8和补偿电机驱动模块a14分别通过变焦驱动组件21和补偿驱动组件a20连接变焦电机a9和补偿电机a15，变焦电机a9依次连接变焦编码器a10、变焦位置反馈模块a18和变焦四倍频计数模块a11后与MCU a5连接，补偿电机a15依次连接补偿编码器a16、补偿位置反馈模块a19和补偿四倍频计数模块a17之后与MCU a5连接，其中变焦采样定时器a6可以选择ARM芯片、DSP芯片上任一空闲定时器，同样补偿采样定时器a12选择与变焦采样定时器a6一样，但不能是同一个定时器；如采用FPGA芯片，则可以通过模拟出2个软核，每个定时器处于一个软核中来实现。

变焦PID控制器a7和补偿PID控制器a13分别用于变焦匀速控制和补偿匀速控制，由于选取的采样时基不同，两个定时器采用高频分时控制来模拟同步运动控制，如同多线程操作一样。

变焦电机驱动模块a8和补偿电机驱动模块a14相同，采用PWM方式驱动直流有刷电机运动。变焦位置反馈模块a18和补偿位置反馈模块a19以选择多种类型的反馈方式，主要有采样预处理与电位器方式，绝对编码器方式，增量式编码器方式。

变焦电机a9运动时，补偿电机a15按变焦电机a9的运动方程，同步控制补偿电机a15协同运动，实现补偿路径与变焦路径相匹配，从而达到变焦过程中齐焦性实时补偿。

变焦运动和补偿运动尽可能同步控制，主控制芯片MCU a5采用ARM或DSP时（主频大于200M），采用两个定时器（变焦采样定时器a6和补偿采样定时器a12）分别控制变焦位置和补偿位置采集及PID控制，主循环程序用于计算、读取分段的运动参数。如果主控芯片MCUa5采用FPGA，可以采用两个软核同时控制变焦电机a9和补偿电机a15协同运动。

在系统启动时，运动参数初始化过程中，将Flash芯片的拟合点读出，并将每个温度段的运动参数，插值位置值计算出来，存入一个数据结构中，该数据结构包含温度信息、分段信息、直线拟合截距和斜率，插值点及端点等。温度跳变达到指定中间值后，主控芯片会自动装入另一段运动参数。

针对变焦电机a9的节拍采样。补偿电机a15为了更精确地拟合补偿值，补偿电机a15采样率采样频率要高出变焦采样率，且选用采样最小时间不能被整除。补偿采用插值点用于位置匹配校准，在端节点位置，根据下一段补偿线重新分配运动参数。

当变焦停止方式采用刹车方式时，由于不同温度下刹车的惯性前冲，每次停止的位置稍有不同，在终点需再做一次补偿运动。

当变焦停止时，当环境温度变化超过设定的值时，补偿运动可单独补偿，保证红外视频图像清晰。

大变倍比红外镜头可以是连续变焦红外镜头，也可以是二档、三档或多档变焦红外镜头。

本发明通过不同温度保存补偿点方式，得到大变倍比连续变焦红外镜头不同温度点的误差补偿曲线，并用直线拟合该曲线，然后提取直线相应的插值点和端点，存储在flash芯片中；采用MCU或FPGA芯片，通过定时采样方式控制变焦运动（匀加速、匀速和匀减速）。同时采用更快的定时采样来匹配补偿值，并根据变焦运动路径及运动方程，确定补偿控制的运动策略，该运动策略应与变焦运动相匹配，在运动开始前，经过预处理，对分段拟合直线进行插分，并各个插值占的运动参数存储在RAM中，从而保证在变焦过程中，能更快调取计算参数。通过改进PID方式，同步协同控制变焦运动和补偿运动，补偿运动控制采用插值点和端节点校准，并在端节点改变运动模式，使得连续变焦红外镜头补偿位置一直在允许的补偿位置精度以内，因此在变焦运动时，能保证红外图像实时清晰。

本发明还公开了一种上述连续变焦红外镜头的齐焦性误差补偿方法，如图10所示，包括如下步骤。

步骤（1）获取变焦补偿曲线，并对变焦补偿曲线预处理。

变焦启动后，将变焦运动分为匀加速运动的启动段、匀速运动的中间段和匀减速运动的结束段三段，通过测温组件a22及环境温度箱配合获取变焦红外镜头的当前工作环境温度，对温度拟合曲线进行预处理，按每4℃、5℃或6℃一个温度分段点的方式将环境温度分成多个温度分段（（焦距大于560mm的红外镜头采用4℃，焦距小于200mm采用6℃，其余采用5℃），初始化程序会自动计算并存储两个温度之间的中间点拟合曲线，采用插值方式，按变焦红外镜头正向（从最短焦到最长焦）和负向（从最长焦到最短焦）两个方向上用直线将每个分段温度的补偿曲线拟合出来，然后提取拟合直线相应的插值点和端点，存储在芯片flash芯片中，从而实现红外镜头全温度工作范围能自适应调整。

本专利通过正反两条补偿曲线方式，采用逐次插值方式，将连续变焦红外镜头该温度条件下的齐焦性误差补偿曲线拟合出来。由于空间凸轮加工误差，正向拟合曲线与反向拟合曲线各不相同，只会在变焦的两个极限位置才会有位置重合。温度拟合曲线的工作过程如附图1流程所示。将补偿路径用不同分段直线拟合，针对不同的分段直线，设定不同的运动参数，并选择与变焦运动方式匹配的策略，从而保证能实时补偿变焦过程中任意点的补偿值。

由于连续变焦凸轮加工过程中，所有的点都是平滑过度，因此齐焦性误差补偿曲线不会出现突变点。然后通过分段直线，以存储的基点为端点，采用直线方式拟合补偿曲线，直线拟合图如附图3所示。

根据附图2所产生的拟合直线图，需要对每个分段进行预处理，用来确定每个分段在采样基准时间条件下，进一步分成更小的直线段，并将每一段的运动参数值计算出来，存储在设定的数据结构链表中，该链表数据直接放在芯片RAM中，如果运动方程是直线运动，计算量较小，也可以在采样间隔计算，如果是较复杂的曲线运动方程，需要在预处理程序中计算，并存在RAM序列中。在运动过程中，能更快调用相关的运动参数，数据预处理流程图如附图2所示。

由于补偿拟合曲线都是平滑过度的连续曲线，为了简化运动计算，降低运动计算量，能更加实时的分时控制补偿值，本专利采用更短小的分段直线再次拟合补偿曲线，分段拟合直线的一段放大如附图7所示：直线基本与补偿曲线重合，只有很少的误差，该误差量基本不会影响红外热像仪的成像质量。

在变焦速度达到最大值后，变焦运动改为匀速直线运动，在匀速直线运动条件下，时间/位置预测更加精确。补偿运动此时也采用匀速直线运动。在匀速变焦段，根据每一段补偿拟合直线的长度，根据采样频率，对直线进行不同的分段，每一个分段尽可能等长，这样会减少重装装载定时计数器值的频率。提高补偿的精度。该分段是按采样时间间隔来分割的，针对每一个拟合分段，因采样的频率设置小于10ms以下，再次细分的误差会更小，分段控制如附图8所示，该附图只是示意图。

在变焦过程中，补偿运动的流程主要如附图10所示，该流程图按照启动阶段、中间运动阶段和停止阶段进行了区分，每一个阶段中，补偿运协采用相应的运动策略去适应变焦运动，从而使得变焦运动直线与补偿运动拟合线的合成路径尽可能与连续变焦红外镜头的补偿曲线重合。从而达到大变倍比连续变焦的红外镜头在变焦过程中，红外图像一直清晰的要求。

预处理补偿拟合直线，生成每一段的运动参数，包括运动的起点、终点、是匀速运动还是匀加速或匀减速运动。变焦电机a9驱动方式采用匀速、匀加速和匀减速方式控制（或其它方便位置预测的运动方式），能实时预测变焦运动所处的精确位置信息。针对变焦运动的三段（启动段，中间段和结束段），本专利分别采用匀加速运动方程、匀速运动方程和匀减速运动方程。如果变焦采用随机停止方式，则变焦运动结束段采用电机刹车方式制动，该方式下，变焦停止的时间和惯性前冲的路径较短，运动方程无法精确确定，如采用电位器采样，一般前冲10～30个码左右，延时时间少于30ms以内。可以根据变焦设定的速度进行一个中间点插值，再在终止点进行一次位置采样来进行静止方式补偿完成。

在匀加速运动变匀速运动时，匀速变匀减速过程中，通过中间插值点来消除加速度冲击，减少变焦过程中的冲击振动，同时更好修正补偿曲线正确位置：变焦启动阶段，采用匀加速方式，中段采用匀速方式，尾段采用刹车急停方式或匀减速方式。该补偿运动方式与变焦运动方式相同或相似，更方便补偿运动位置点匹配。

在匀加速段，由于匀加速段时间较，一段只会占用拟合直线分段的一部分。因此第一段拟合直线通常分成两个部分，前部分用于匀加速，后部分用于匀速。根据拟合直线的方程，如果补偿路径要与变焦路径匹配，变焦运动的加速度、速度与补偿路径的加速度和速度要据根拟合直线来计算得出。有些应用中，如果不要求变焦的时间，为了简化计算，可以将第一条拟合直线完成用于匀加速计算，这样会更加方便运动控制。本专利采用第一条拟合直线的1/4路径作为匀加速运动路径，要求加速度值较高，因此在加速最后位置需要做路径位置调速，以减少冲击和振动。

步骤（10）判断环境温度是否变化；没有变化则变焦停止；如果有变化则进行变焦终点补偿。

步骤（2）匀加速变焦PID控制。采用匀加速方式控制变焦一直到设定的运动速度，定时采样变焦值，采用匀加速方式补偿运动，计算出补偿的加速度、速度及路径的关系，采用速度环和位置环双环串联方式进行PID控制，判断是否完成启动段；否则通过PWM+/-信号变焦，继续定时采样变焦值，进入步骤（3）。

变焦启动后，通过PID运动速度和位置双反馈控制，控制变焦采用匀加速方式，一直加速到变焦设定的运动速度。而补偿运动亦采取匀加速运动方式，根据预处理得到的相关变焦运动参数的时间/路径关系，计算出补偿的加速度、速度及路径的关系，并通过PID运动速度和位置双环控制，保证补偿值在拟合曲线指定的精度范围内。PID运动速度和位置双环控制框图如附图9所示，运动速度调节保证运动过程中，运动路径基本按匀加速、匀速和匀减速进行，而位置环主要用于调整分段的运动参数。对于每个采样节点，需要进行同步耦合位置匹配。当达到指定位置后，对于每一个分段，都需要实时重装新的运动参数。

步骤（3）对匀加速变焦齐焦性补偿：读取补偿值，补偿匀加速运动，周期采样补偿值，调焦补偿PID，判断是否到达匀加速段端点位置；否则通过PWM+/-信号补偿，继续周期采样补偿值；是则进入步骤（4）。

补偿运动位置反馈也可以采用两种方式：如果选用电位器，为了增加采样精度，需要在电路选增加采样预处理，由于MCU采样都有一定的采样时间，采样延时导致的运动误差比较难消除。如果选用编码器，可以分为增量编码器和绝对编码器，这两种编码器采用数字方式读取，采样的时间很短，更容易获得更高的采样精度。由于补偿运动需要频繁使用，为了保证补偿运动的工作寿命，选择编码器会更好，不仅采样的精度更高，而且编码器寿命较长，更适合该工作模式。由于大多数芯片中集成了4倍频计数，更能节省成本，该专利目前采用12位境量编码器，并通过4倍频提高到14位采样精度，能很好地满足变焦反馈精度要求。

步骤（4）匀加速端点位置校准：补偿值校准。

保证补偿值在拟合曲线指定的精度范围内，变焦速度达到最大值后，变焦运动和补偿运动均改为匀速直线运动，根据采样频率对每一段补偿拟合直线进行不同的分段。采用插值点用于位置匹配校准，在端节点位置，根据下一段补偿线重新分配运动参数。

步骤（5）匀速变焦PID控制。采用匀速运动控制变焦，定时采样变焦值，进行变焦PID控制，判断是否完成中间段；否则通过PWM+/-信号变焦，继续定时采样变焦值，并进入步骤（6），是则选随机急停，选择步骤（8）变焦随机停止控制：变焦刹车，变焦终点补充，或者选择缓停并进入下一步。

如果采用变焦随机停止方式，由于变焦采用刹车方式，变焦运动滑行距离与当前的工作温度和运动速度有关，因此最后停止位置的预测补偿值会有较小的误差，在变焦完全停止后，需要做一次静止补偿运动控制，从而完全消除该位置补偿误差。由于该静止补偿的延时较小，且最后一次运动补偿的误差也较小，不会对红外视频图像的清晰度有很大的影响。

在变焦的匀速工作阶段，补偿运动比较方便控制，补偿运动同样采用匀速运动，针对每一个拟合补偿直线段，由于补偿值不同，因此计算所得的匀速度是不同的，在每一段的起点，需要加载相关的运动参数值。

步骤（6）对匀速变焦齐焦性补偿。读取补偿值，补偿匀速运动，周期采样补偿值，调焦补偿PID，判断是否到达匀速段端点位置；是则选择步骤（11）匀速端点位置校准：补偿值校准；否则通过PWM+/-信号补偿，继续周期采样补偿值；采用插值点用于位置匹配校准，在端节点位置，根据下一段补偿线重新分配运动参数。在匀速运动终点，如果速度较大（大于30cm/s），需要移动插值点的位置，调整加速度的值，减小冲击和振动。

步骤（7）匀减速变焦PID控制。与启动段的分段方式相同，同样需要对拟合直线进行分段，然后做一次中间插值，完成最后变焦位置的精确停止。在运动最后阶段，采用匀减速运动控制变焦，定时采样变焦值，进行变焦PID控制，判断是否完成结束段；否则通过PWM+/-信号变焦，继续定时采样变焦值，并进入步骤（9）；是则停止变焦完成补偿。

在运动最后阶段，变焦运动采用匀减速方式，同样为了匹配补偿路径，补偿运动也采用匀减速方式。与启动段的分段方式相同，同样需要对拟合直线进行分段，然后做一次中间插值，完成最后变焦位置的精确停止。

步骤（9）对匀减变焦齐焦性补偿。读取补偿值，补偿匀减速运动，周期采样补偿值，调焦补偿PID，判断是否到达匀减速段端点位置；是则进入步骤（12）匀减速端点位置校准：补偿值校准；否则通过PWM+/-信号补偿，继续周期采样补偿值。

连续变焦运动设定中，如果设定的运动速度太大，会在如图5中的B点和C点位置产生较大的冲击，为了减少运动冲击，通过在该两点位置选择修正位置点，来减缓冲击，经过插值修正的速度运动曲线如附图6所示。测温组件a22实时检测当前的环境温度，如果连续变焦红外镜头的工作环境温度变化超过了设定的温度值，存在RAM链表的运动参数会重新选取当前的链表节点，用当前温度下的运动参数取代上一个温度下的运动参数。

在变焦的运动过程中，另一个定时器同步启动，采用分时控制方式，控制补偿电机a15协同运动。补偿运动采样频率选择3ms，运动控制算法同样采用PID速度环与位置环串联方式。

选择补偿运动的采样时间与变焦运动的采样时间不能是倍数关系，这样不会因为两个定时器不会同时启动，从而不会产生不需要的延进误差。根据采样的频率，可以计算出对焦的变焦位置时的对应补偿值，将该补偿值与当前的反馈值比较，有来实时调整直流电机的PWM驱动占空比，从而能精确合成补偿的路径。

本发明的同步齐焦性误差补偿方法，在变焦速度达到最大值后，变焦运动改为匀速直线运动，在匀速直线运动条件下，时间/位置预测更加精确。补偿运动此时也采用匀速直线运动。在匀速变焦段，根据每一段补偿拟合直线的长度，根据采样频率，对直线进行不同的分段，每一个分段尽可能等长，这样会减少重装装载定时计数器值的频率。提高补偿的精度。该分段是按采样时间间隔来分割的，针对每一个拟合分段，因采样的频率设置小于10ms以下，再次细分的误差会更小，分段控制如附图8所示，该附图只是示意图。

在变焦过程中，补偿运动的流程主要如附图10所示，该流程图按照启动阶段、中间运动阶段和停止阶段进行了区分，每一个阶段中，补偿运协采用相应的运动策略去适应变焦运动，从而使得变焦运动直线与补偿运动拟合线的合成路径尽可能与连续变焦红外镜头的补偿曲线重合。从而达到大变倍比连续变焦。

其中，根据设定的变焦速度，选取变焦采样频率，本专利中采用10ms采样频率，按给定的变焦速度，将分段拟合直线再次按插值方式分段，用于PID速度和位置闭环控制：针对变焦运动的三段（启动段，中间段和结束段），本专利分别采用匀加速运动方程、匀速运动方程和匀减速运动方程。如果变焦采用随机停止方式，则变焦运动结束段采用电机刹车方式制动，该方式下，变焦停止的时间和惯性前冲的路径较短，运动方程无法精确确定，如采用电位器采样，一般前冲10～30个码左右，延时时间少于30ms以内。可以根据变焦设定的速度进行一个中间点插值，再在终止点进行一次位置采样来进行静止方式补偿完成。

变焦PID采用速度环和位置环双环串联方式进行控制，在匀加速运动方式下，位置环在终点处通过位置调控，可以有效减小变焦的振动和冲击，在匀速运动与匀减速运动接合处也采用相同的处理方式，在运动的采样点位置，通过累积位置比较，调节直流电机PWM输出来调控电机的速度，使变焦运动严格按上述要求的运动方式运动。

在变焦的运动过程中，另一个定时器同步启动，采用分时控制方式，控制补偿电机a15协同运动。补偿运动采样频率选择3ms，运动控制算法同样采用PID速度环与位置环串联方式。

选择补偿运动的采样时间与变焦运动的采样时间不能是倍数关系，这样不会因为两个定时器不会同时启动，从而不会产生不需要的延进误差。根据采样的频率，可以计算出对焦的变焦位置时的对应补偿值，将该补偿值与当前的反馈值比较，有来实时调整直流电机的PWM驱动占空比，从而能精确合成补偿的路径。

在连续变焦红外镜头连续定焦工作时，由于红外热像仪工作温度累积及红外热像仪安装空间限制，红外镜头会有一个温度升高到热平衡的过程，如果温度升高大于2.5度，也导致连续变焦红外镜头产生热应力变形，使目标图像变模糊，在该情况下，温度自动周期检测循环会实时监控当前的环境温度，如果当前环境温度大于设定的值，会在静止变焦的情况下，自动启动当前位置的温度自适应齐焦性补偿，将当前的齐焦性误差实时修正完成。

由于空间凸轮加工的误差，同一段补偿拟合曲线，正向转动与反向转动的补偿值是不同的，有一定的系统误差存在，因此在设定补偿拟合曲线时，同时要提取两个方向的补偿曲线。同样将拟合曲线变化成拟合直线，也应该产生两打拳拟合直线。然后根据变焦的方向，调用不同的链表数据。

按上述要求，在两个方向上设置数据结构如下所示：

typedef struct

{ int16_t bianj_v1[2][30]；//补偿拟合曲线最多可分成31段

int16_t tiaoj_v1[2][30]；//每一段节点的补偿值

int8_t num2_mark[2]；//每一段实际存储的数据数量

int16_t tiaoj_zd；//每段最大焦距补偿值

int16_t tiaoj_zx；//每段最小焦距补偿值

int16_t xielu[2][30];//每段拟合直线斜率乘1000

int16_t jieju[2][30]; //每段拟合直线截距乘1000

int8_t num2_mark[2]；//每一段实际存储的数据数量

}datatype_jgt；

datatype _jgt con_bj[21]；//当温度21个拟合点

datatype _jgt czcon_bj[41]；//拟合点完成，自动增加20个插值点

将温度从-40℃按每间隔5度分段，分成21等份，设置完成后，将上述结构体的数据全部存在Flash中，结构体中设定最大的非齐焦点的值（30）和温度分段的值可以根据连续变焦红外镜头的要求精度来设定。

如果工作温度范围内的设置点设置完成（必须包括工作温度范围内的最大温度值和最小温度值），如上例按5度划分后，共有21个温度点，软件会重生自动生成20个插值点，所以总共会生成一个41个点的数据链表，该链表中将存储所有曲线拟合点的基本参数值，方便软件预处理时，生成软件直接调用的参数值。

补偿预处理数据结构

typedef struct

{ int16_t conpen_v1[2][200]；//每一段插值点的补偿值

int8_t num2_mark[2]；//每一段实际存储的数据数量

int16_t tiaoj_jd1；//每段开始位置补偿值

int16_t tiaoj_jd2；//每段结束位置补偿值

int8_t fd_mark[2]；//每一段实际存储的数据数量

int16_t　speed_v[30];//速度分段值

int16_t acceleration_v[30]; //加速度分段值

}datatype_bc；

datatype _bc conpen_bj[30]；//每个温度点最多30个拟合直线段

根据拟合直线的长度及采样频率，对拟合直线进行分段，并将分段按当前设定的运动速度值，将采样点对应的位置值在预处理中计算出，并存放在数据结构中，每次采样后，直接对比采样值与存储值就可以进行PID速度和位置控制，当位置达到拟合直线端点后，重新加载下一段拟合直线的数据。

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 (9)

1.一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，基于连续变焦红外镜头、齐焦性补偿用红外热像仪机芯组件和电气控制组件组成的连续变焦红外镜头，所述的电气控制组件包括MCU（a5）和由供电防反接模块、过压/过流保护模块以及DC-DC模块组成的电源管理模块（a1），所述的MCU（a5）上分别连接有变焦光电限位开关（a2）、补偿行程限位开关（a3）、测温组件（a22）和通信控制模块（a4），MCU（a5）上还分别通过变焦采样定时器（a6）和补偿采样定时器（a12）连接变焦PID控制器（a7）和补偿PID控制器（a13），变焦PID控制器（a7）和补偿PID控制器（a13）分别连接变焦电机驱动模块（a8）和补偿电机驱动模块（a14），所述的变焦电机驱动模块（a8）和补偿电机驱动模块（a14）分别通过变焦驱动组件（21）和补偿驱动组件（a20）连接变焦电机（a9）和补偿电机（a15），变焦电机（a9）依次连接变焦编码器（a10）、变焦位置反馈模块（a18）和变焦四倍频计数模块（a11）之后与MCU（a5）连接，补偿电机（a15）依次连接补偿编码器（a16）、补偿位置反馈模块（a19）和补偿四倍频计数模块（a17）之后与MCU（a5）连接；包括如下步骤：

（一）变焦启动后，将变焦运动分为匀加速运动的启动段、匀速运动的中间段和匀减速运动的结束段，通过测温组件（a22）获取变焦红外镜头的工作环境温度，按每±2℃、±2.5℃或±3℃的边际温度将环境温度分成多个温度段，按变焦红外镜头正向和负向用直线将每个分段温度的补偿曲线拟合出来，然后提取相应的插值点和端点并存储，生成多个包含运动起点、终点以及匀速运动、匀加速运动、匀减速运动参数的直线段，拟合不同分段直线得到补偿路径；按红外镜头的工作环境温度，对温度拟合曲线进行预处理，将变焦红外镜头正向和负向两个方向的补偿曲线拟合特征值存入MCU（a5）的flash中；

（二）变焦开始时，采用匀加速方式控制变焦，一直到设定的运动速度，定时采样变焦值，采用速度环和位置环双环串联方式进行PID控制，判断是否完成启动段；

补偿运动采用相同的运动方式，通过变焦值与补偿位置的交互采样，保证补偿运动按指定的补偿路径补偿；

变焦运动与补偿运动都是通过PWM+/-信号占空比来实现运动速度的改变；

如果完成开始段的匀加速路径后，则进入下一步；

（三）采用匀速运动控制变焦，定时采样变焦值，进行变焦PID控制，判断是否完成中间段；

否则继续定时采样变焦值，通过PWM+/-信号变焦；同时读取补偿值，驱动补偿电机（a15）匀速运动，周期采样补偿值，调焦补偿PID，如果到达匀速段端点位置则补偿值校准，否则继续周期采样补偿值，通过PWM+/-信号调节补偿运动；

如果选择随机急停，则进行第五步，如果选择固定停止位则进入下一步；

（四）采用匀减速运动控制变焦，定时采样变焦值，进行变焦PID控制，判断是否完成结束段；

否则继续定时采样变焦值，通过PWM+/-信号变焦，同时读取补偿值，补偿运动也采用匀减速运动，周期交互采样补偿值和变焦值，调焦补偿PID，如果到达匀减速段端点位置，则停止补偿，否则继续周期采样补偿值，通过PWM+/-信号驱动补偿电机（a15）；

（五）如果采用急停方式，变焦运动采用刹车方式停止，变焦因惯性前冲误差较小，最多进行两次调焦补偿，其它一次在变焦停止后。

2.根据权利要求1所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤（一）和步骤（二）之间还包括：判断环境温度是否变化超过设定的边际；如果温度变化没在超过边际，则变焦停止后不进行补偿；如是果超过边际，表明红外图像会有一定的模糊，则装载新的温度条件下的补偿特征值，且进行一次变焦终点补偿。

3.根据权利要求1所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤（二）中将变焦运动对应的调焦补偿拟合直线分成两段，开始段拟合直线的前部分用于匀加速，后部分用于匀速。

4.根据权利要求1所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤（二）中采用串联速度环和位置环的双环PID控制，根据实际的运动方程，在开始段、结束段采用位置环作为主控环，而在中间位置，采用速度环作为主控环。

5.根据权利要求1所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤（三）中将变焦运动对应的调焦补偿拟合直线，从第二段开始重新加载新的运动参数；同时在端点位置，根据变焦与补偿运动的实际位置，实现一次位置校准，从而消除补偿累积误差。

6.根据权利要求1所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤（三）中将变焦运动对应的调焦补偿拟合直线分成两段，在每一段开始时通过平滑路径规划来保证补偿精度。

7.根据权利要求1所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤（三）中将变焦运动按采样节拍分段，采用不同变焦采样频率进行整数分段，而对应的补偿拟合直线段无法整数分段时，位置运动参数重新加载。

8.根据权利要求1所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述步骤（四）中匀减速段分成两段，开始段采用匀速运动，第二段采用匀减速运动，并在最终停止终点做一次同步位置校准。

9.根据权利要求1所述的一种大变倍比连续变焦红外镜头同步齐焦性误差补偿方法，其特征在于，所述步骤（五）中的随机急停时，采用刹车方式停止变焦，变焦停止过程长于补偿采样节拍时，根据当前的变焦速度和环境温度，作一次同步预测位置调焦补偿，并在变焦完全停止后，做一次变焦静止条件下的异步调焦补偿，以消除位置补偿误差。

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