CN112904766A - 基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统与方法 - Google Patents

基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统与方法 Download PDF

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CN112904766A CN202110060986.1A CN202110060986A CN112904766A CN 112904766 A CN112904766 A CN 112904766A CN 202110060986 A CN202110060986 A CN 202110060986A CN 112904766 A CN112904766 A CN 112904766A
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Abstract

本发明提出基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统与方法，控制系统包括控制处理器(14)和与之相连的摄像设备(13)、光机电装置，还包括位于摄像设备输入光路上的双棱镜系统；所述双棱镜系统内的棱镜可由光机电装置驱动旋转；所述控制处理器经摄像设备采集目标物(15)的图像，并计算出目标物中心点在摄像设备成像传感器中所成像的中心点像素坐标(ph,pv)，根据给定的摄像设备视场中心点像素坐标(H,V)，将中心点像素坐标(ph,pv)和视场中心点像素坐标(H,V)取差得到像素误差(Δp'h,Δp'v)；控制处理器根据像素误差(Δp'h,Δp'v)控制光机电装置旋转棱镜，调整双棱镜系统的视轴使之指向目标物中心；本发明对双棱镜系统精度要求低，仅通过摄像头反馈像素误差就能达到闭环控制。

Description

基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统与方法
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其是基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统与方法。
背景技术
通过改变视轴的空间方位实现目标指向的系统装置普遍采用万向架和反射镜等机械装置。万向架型目标指向装置是将探测器装在多轴转向器上，通过控制多轴转向器的大角度运动来改变视轴的指向方向，但此类装置体积大、动态响应差。另一种反射镜的装置是改变安装在传感器光路中的反射镜姿态实现视轴的空间运动，但此类装置视轴的偏转角度小，对误差较为敏感。基于旋转双棱镜的目标指向机构，通过控制两块棱镜共轴独立旋转，实现视轴在空间上的大角度偏转，该机构具有尺寸紧凑、大视野、响应快等特点而成为便携移动系统的最佳选择。
自从利用Risley棱镜的组合使用实现光束的偏转以来，利用光束折射原理进行目标搜索、跟踪、指向的应用层出不穷，在自由空间光通信、光电对抗、光电探测搜索、激光武器、机器视觉等领域被广泛应用。运用两块共轴且独立旋转的棱镜形成的光学系统是旋转双棱镜系统的重要组成部分，其通过双棱镜的旋转实现大范围内的光束指向。探讨两棱镜转角和出射光束空间位置之间的关系是目前双棱镜目标指向系统的研究重点之一。在目标指向跟踪应用中，需要根据目标的空间位置推导出其相对坐标原点的方位角和高度角，并逆向求解出棱镜的转角。
基于上述，有必要针对双棱镜系统在目标指向应用中提出一种的视轴偏转新方法，而目标像素又是双棱镜系统目标采集中重要的一个组成部分，因此可提出一种基于像素误差反馈的旋转双棱镜视轴指向控制方法来实现目标实时指向跟踪，快速移动视场，达到视场中心指向目标中心的效果，该方法对双棱镜系统精度要求低，且不需要探测器反馈信息反求棱镜转角，通过摄像头反馈像素误差达到闭环控制。
发明内容
本发明提出基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统与方法，对双棱镜系统精度要求低，通过摄像头反馈像素误差就能达到闭环控制。
本发明采用以下技术方案。
基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，所述控制系统包括控制处理器(14)和与之相连的摄像设备(13)、光机电装置，还包括位于摄像设备输入光路上的双棱镜系统；所述双棱镜系统内的棱镜可由光机电装置驱动旋转；所述控制处理器经摄像设备采集目标物(15)的图像，并计算出目标物中心点在摄像设备成像传感器中所成像的中心点像素坐标(ph,pv)，根据给定的摄像设备视场中心点像素坐标(H,V)，将中心点像素坐标(ph,pv)和视场中心点像素坐标(H,V)取差得到像素误差(Δp'h,Δp'v)；控制处理器根据像素误差(Δp'h,Δp'v)控制光机电装置旋转棱镜，调整双棱镜系统的视轴使之指向目标物中心。
所述双棱镜系统包括楔角相同的第一棱镜(1)、第二棱镜(2)；当双棱镜系统的视轴使之指向目标物中心时，目标物中心点在摄像设备视场中心点处成像。
所述光机电装置的第一电机(7)驱动第一棱镜旋转，光机电装置的第二电机(8)驱动第二棱镜旋转；
所述控制处理器经第一编码器(11)测量第一电机的转子角度α1，经第一驱动器(9)、控制第一电机，控制处理器经第二编码器(12)测量第二电机的转子角度α2，经第二驱动器(10)控制第二电机。
所述第一编码器、第二编码器均为光电式编码器；所述摄像设备为采用单芯片COMS传感器的摄像头；
所述光机电装置的第一电机(7)经第一联轴器(5)、第一减速齿轮组(3)驱动第一棱镜旋转，光机电装置的第二电机(8)经第二联轴器(6)、第二减速齿轮组(4)驱动第二棱镜旋转。
基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，所述控制方法采用以上所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，其方法包括以下步骤；
步骤S1：控制处理器接收摄像设备视场中心点像素坐标(H,V)；
步骤S2：根据采集到的图像数据，依据hough变换的中心提取算法求出目标物中心部位在摄像头传感器中所成像的中心点像素坐标(ph,pv)；
步骤S3：依据步骤S1和步骤S2求得的视场中心点像素坐标(H,V)和目标中心点像素坐标(ph,pv)，将其作差取绝对值得到像素误差(Δp'h,Δp'v)。
Δp'h＝|ph-H|，Δp'v＝|pv-V| (公式1)
其中Δp'h和Δp'v分别代表水平和垂直像素误差；
步骤S4：对比分析步骤S3中的水平及垂直像素误差Δp'h和Δp'v的变化来控制输出脉冲和旋转方向驱动步进电机；当棱镜转动时偏转视轴，目标视场随之改变，像素误差Δp'h和Δp'v也会更新，通过对比相邻两帧图像中像素误差的大小来改变电机的旋转方向，从而使双棱镜系统的视轴指向目标中心；
步骤S5：根据步骤S4中的视轴俯仰角和方位角与两棱镜之间的转角的关系，并依据步骤S3中的像素误差作为Δp'h和Δp'v反馈信号，调整第一电机和第二电机的旋转动作以调整双棱镜系统的视轴俯仰角
Figure BDA0002902582730000031
和调整视轴方位角γ；本步骤的棱镜初始位置定义棱镜薄端正朝上为零位，初始位置两棱镜相对转角为0，即δ0为0；
步骤S6：如目标检测失误或指向跟踪过程中目标物跳出当前视场，则将两棱镜位置归零，然后保持第一棱镜不动，旋转第二棱镜改变两棱镜的夹角至180°，然后同步旋转第一棱镜和第二棱镜进行圆周扫描；之后依次改变夹角为120°、90°、45°、0°，扩大扫描范围以寻找目标物，并检测到目标物后转到步骤S2。
在步骤S2中，具体计算过程如下：
步骤A1、先对图像进行预处理，将获取的RGB图像格式转换成Ycbcr格式，以便后续根据图像亮度信息Y进行二值化；
步骤A2、运用多阈值分割算法，选取合适的阈值将目标从图像中分割出来，分割之后采用sobel算子进行边缘检测，获取目标图像边缘信息；
步骤A3、运用hough变换，计算出目标圆心的坐标。具体计算方法如下：
先为中心点像素坐标(ph,pv)建立一个离散参数空间，再建立一个二维的累加器A[ph][pv]，然后对参数空间里的每一个(ph,pv)，都考虑目标图像中每一个边缘像素点(x，y)，并带入圆方程，若满足(x-ph)2+(y-pv)2-r2＜W成立，则相应的累加器加1；最后找出A[ph][pv]的最大值，对应的(ph,pv)就是目标圆心坐标。
在步骤S4中，垂直像素误差和水平像素误差对应着视轴径向和圆方向上的扫描，即视轴的俯仰角和方位角变化，确定视轴扫描的俯仰角和方位角的具体计算过程如下：
设目标中心点发出的光在摄像头传感器上所成像点的坐标(ph,pv)，且光路是可逆的，则由摄像设备出射的视轴α1经过两个棱镜四个棱镜面之后的出射视轴αf会指向目标中心点；计算公式如下：
αf＝Tri·α1，i＝1,2,3,4 (公式2)
其中Tri为棱镜面的折射过程；
将出射矢量写成余弦形式：αf＝(SK,SL,SM)
其中SK,SL,SM为矢量αf的方向余弦；
定义两个参数ξ和δ0；
Figure BDA0002902582730000041
其中ω1和δ01、ω2和δ02分别对应第一棱镜、第二棱镜的旋转角速度和初始位置角；本系统采用的两棱镜材质规格相同，设ω1＝ω2＝ω，系统离目标面距离为zpf；
则视轴在目标平面上的扫描轨迹为
Figure BDA0002902582730000042
方位角γ
Figure BDA0002902582730000043
方位角γ
Figure BDA0002902582730000051
其中f1，f2，f3是SK,SL,SM的系数，当棱镜的结构参数确定时，f1，f2，f3为定值，所以视轴的方位和俯仰角是关于δ0的函数。
由公式4可知视轴俯仰角只与两棱镜之间的相对转角δ0有关，当δ0确定时，视轴方位角就是时间t的函数，视轴在平面上做圆周扫描。
在步骤S5中，在调整双棱镜系统的视轴俯仰角
Figure BDA0002902582730000052
时，采用以下方法：
根据步骤S4中，俯仰角
Figure BDA0002902582730000053
只与两棱镜之间的相对转角δ0；定义顺时针为正转；
步骤B1：计算第一帧图像中的垂直像素误差Δp'v，控制处理器给出指令让第一电机正转，第二电机反转；
步骤B2：计算第二帧图像中的Δp'v值，并判断第一步和第二步中两帧图像中的Δp'v是否减小；如减小则保持第一步中两电机的旋转方向，反之，如没减小，则第一电机反转，第二电机正转；
步骤B3：判断第三帧图像中的Δp'v值是否达到设定精度，达到精度则进行步骤B2中的流程；如没达到则重复步骤B1中的过程。
在步骤S5中，在调整视轴方位角γ时，采用以下方法：
步骤C1：基于上述步骤B1中，视轴在垂直方向到达设定精度之后，在两棱镜之间的相对转角δ0保持不变的情况下，控制处理器给出指令让第一电机和第二电机同时正转，同时比较目标图像相邻两帧的水平像素误差Δp'h，如减小，则保持两电机的旋转方向，反之，则将两电机的旋转方向反转。
步骤C2：判断Δp'h是否达到设定的精度值，达到精度则转到下一步步骤C3，反之，则重复本步骤C2中的步骤。
步骤C3：定义双棱镜指向控制系统精度Δp，经过上述步骤C1和步骤C2之后，控制系统结束时视场中心与目标中心像素点之间的距离为
Figure BDA0002902582730000061
若Δp'＜Δp。说明到达目标指向精度，视场凝视预设时长后，电机归零位；反之，若没有到达设定精度，则从步骤C1过程重复开始。
在步骤S1至步骤S5中，控制处理器控制第一电机和第二电机的旋转动作，第一电机和第二电机分别带动对应的减速齿轮组运动，齿轮组又带动第一棱镜和第二棱镜旋转，偏转双棱镜系统视轴使其指向目标中心，使目标成像在摄像设备成像画面的中心。
在步骤S6中，棱镜和电机存在减速器，减速比为1/5，第二棱镜旋转90°，电机则要旋转450°，为了缩短电机运行时间，采用梯形加减速算法。具体过程如下：
步骤D1：初始化参数，加速度a1、减速度d1、最大速度speed以及总行程l(电机需转动的角度)。
步骤D2：根据步骤D1中的参数求取加速到最大速度所需步数a1和减速前的步数a3。如果a1<a3，则减速到0所需的步数a2＝-a1*(a1/d1)，反之，则a2＝-(l-a3)。
步骤D3：确定相邻脉冲的时间间隔，计算精确的计数值cn，并执行程序。
步骤D4：在第二电机旋转到指定位置之后，两电机同步旋转带动双棱镜系统扫描，并检测目标图像，如检测到目标，则跳转步骤S2，反之，则电机归零，跳转到步骤D1，重新初始化参数，确定两棱镜的夹角。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明提出了基于像素误差的旋转双棱镜的控制方法对目标进行实时指向，克服了系统装配误差，能够指向位置坐标未知的目标点，降低了系统设计难度。
2.本装置结构尺寸紧凑，适用于便携移动式平台。
本发明提出了一种基于像素误差反馈的旋转双棱镜视轴指向控制方法来实现目标指向跟踪，快速移动视场，达到视场中心指向目标中心的效果视场中心指向目标中心的目的，该方法对双棱镜系统精度要求低，且不需要探测器反馈信息反求棱镜转角，通过摄像头反馈像素误差也能达到闭环控制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明中双棱镜系统的坐标示意图；
附图2是本发明的装置结构示意图；
附图3是本发明基于像素误差反馈的控制策略示意图；
附图4是本发明的电机控制策略示意图；
图中：1-第一棱镜；2-第二棱镜；3-第一减速齿轮组；4-第二减速齿轮组；5-第一联轴器；6-第二联轴器；7-第一电机；8-第二电机；9-第一驱动器；10-第二驱动器；11-第一编码器；12-第二编码器；13-摄像设备；14-控制处理器；
图3中，n2、n3模块分别计算第n和n+1帧图像中目标中心的像素坐标；n4、n5模块分别计算第n和n+1帧图像中像素误差值；n6模块判断第n和n+1帧图像中像素误差是否减小；n7、n8、n9模块属于执行机构，即驱动器输出电压信号给步进电机带动棱镜旋转。
具体实施方式
如图所示，基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，所述控制系统包括控制处理器14和与之相连的摄像设备13、光机电装置，还包括位于摄像设备输入光路上的双棱镜系统；所述双棱镜系统内的棱镜可由光机电装置驱动旋转；所述控制处理器经摄像设备采集目标物15的图像，并计算出目标物中心点在摄像设备成像传感器中所成像的中心点像素坐标(ph,pv)，根据给定的摄像设备视场中心点像素坐标(H,V)，将中心点像素坐标(ph,pv)和视场中心点像素坐标(H,V)取差得到像素误差(Δp'h,Δp'v)；控制处理器根据像素误差(Δp'h,Δp'v)控制光机电装置旋转棱镜，调整双棱镜系统的视轴使之指向目标物中心。
所述双棱镜系统包括楔角相同的第一棱镜1、第二棱镜2；当双棱镜系统的视轴使之指向目标物中心时，目标物中心点在摄像设备视场中心点处成像。
所述光机电装置的第一电机7驱动第一棱镜旋转，光机电装置的第二电机8驱动第二棱镜旋转；
所述控制处理器经第一编码器11测量第一电机的转子角度α1，经第一驱动器9、控制第一电机，控制处理器经第二编码器12测量第二电机的转子角度α2，经第二驱动器10控制第二电机。
所述第一编码器、第二编码器均为光电式编码器；所述摄像设备为采用单芯片COMS传感器的摄像头；
所述光机电装置的第一电机7经第一联轴器5、第一减速齿轮组3驱动第一棱镜旋转，光机电装置的第二电机8经第二联轴器6、第二减速齿轮组4驱动第二棱镜旋转。
基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，所述控制方法采用以上所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，其方法包括以下步骤；
步骤S1：控制处理器接收摄像设备视场中心点像素坐标(H,V)；
步骤S2：根据采集到的图像数据，依据hough变换的中心提取算法求出目标物中心部位在摄像头传感器中所成像的中心点像素坐标(ph,pv)；
步骤S3：依据步骤S1和步骤S2求得的视场中心点像素坐标(H,V)和目标中心点像素坐标(ph,pv)，将其作差取绝对值得到像素误差(Δp'h,Δp'v)。
Δp'h＝|ph-H|，Δp'v＝|pv-V| (公式1)
其中Δp'h和Δp'v分别代表水平和垂直像素误差；
步骤S4：对比分析步骤S3中的水平及垂直像素误差Δp'h和Δp'v的变化来控制输出脉冲和旋转方向驱动步进电机；当棱镜转动时偏转视轴，目标视场随之改变，像素误差Δp'h和Δp'v也会更新，通过对比相邻两帧图像中像素误差的大小来改变电机的旋转方向，从而使双棱镜系统的视轴指向目标中心；
步骤S5：根据步骤S4中的视轴俯仰角和方位角与两棱镜之间的转角的关系，并依据步骤S3中的像素误差作为Δp'h和Δp'v反馈信号，调整第一电机和第二电机的旋转动作以调整双棱镜系统的视轴俯仰角
Figure BDA0002902582730000081
和调整视轴方位角γ；本步骤的棱镜初始位置定义棱镜薄端正朝上为零位，初始位置两棱镜相对转角为0，即δ0为0；
步骤S6：如目标检测失误或指向跟踪过程中目标物跳出当前视场，则将两棱镜位置归零，然后保持第一棱镜不动，旋转第二棱镜改变两棱镜的夹角至180°，然后同步旋转第一棱镜和第二棱镜进行圆周扫描；之后依次改变夹角为120°、90°、45°、0°，扩大扫描范围以寻找目标物，并检测到目标物后转到步骤S2。
在步骤S2中，具体计算过程如下：
步骤A1、先对图像进行预处理，将获取的RGB图像格式转换成Ycbcr格式，以便后续根据图像亮度信息Y进行二值化；
步骤A2、运用多阈值分割算法，选取合适的阈值将目标从图像中分割出来，分割之后采用sobel算子进行边缘检测，获取目标图像边缘信息；
步骤A3、运用hough变换，计算出目标圆心的坐标。具体计算方法如下：
先为中心点像素坐标(ph,pv)建立一个离散参数空间，再建立一个二维的累加器A[ph][pv]，然后对参数空间里的每一个(ph,pv)，都考虑目标图像中每一个边缘像素点(x，y)，并带入圆方程，若满足(x-ph)2+(y-pv)2-r2＜W成立，则相应的累加器加1；最后找出A[ph][pv]的最大值，对应的(ph,pv)就是目标圆心坐标。
在步骤S4中，垂直像素误差和水平像素误差对应着视轴径向和圆方向上的扫描，即视轴的俯仰角和方位角变化，确定视轴扫描的俯仰角和方位角的具体计算过程如下：
设目标中心点发出的光在摄像头传感器上所成像点的坐标(ph,pv)，且光路是可逆的，则由摄像设备出射的视轴α1经过两个棱镜四个棱镜面之后的出射视轴αf会指向目标中心点；计算公式如下：
αf＝Tri·α1，i＝1,2,3,4 (公式2)
其中Tri为棱镜面的折射过程；
将出射矢量写成余弦形式：αf＝(SK,SL,SM)
其中SK,SL,SM为矢量αf的方向余弦；
定义两个参数ξ和δ0；
Figure BDA0002902582730000091
其中ω1和δ01、ω2和δ02分别对应第一棱镜、第二棱镜的旋转角速度和初始位置角；本系统采用的两棱镜材质规格相同，设ω1＝ω2＝ω，系统离目标面距离为zpf；
则视轴在目标平面上的扫描轨迹为
Figure BDA0002902582730000101
方位角γ
Figure BDA0002902582730000102
方位角γ
Figure BDA0002902582730000103
其中f1，f2，f3是SK,SL,SM的系数，当棱镜的结构参数确定时，f1，f2，f3为定值，所以视轴的方位和俯仰角是关于δ0的函数。
由公式4可知视轴俯仰角只与两棱镜之间的相对转角δ0有关，当δ0确定时，视轴方位角就是时间t的函数，视轴在平面上做圆周扫描。
在步骤S5中，在调整双棱镜系统的视轴俯仰角
Figure BDA0002902582730000104
时，采用以下方法：
根据步骤S4中，俯仰角
Figure BDA0002902582730000105
只与两棱镜之间的相对转角δ0；定义顺时针为正转；
步骤B1：计算第一帧图像中的垂直像素误差Δp'v，控制处理器给出指令让第一电机正转，第二电机反转；
步骤B2：计算第二帧图像中的Δp'v值，并判断第一步和第二步中两帧图像中的Δp'v是否减小；如减小则保持第一步中两电机的旋转方向，反之，如没减小，则第一电机反转，第二电机正转；
步骤B3：判断第三帧图像中的Δp'v值是否达到设定精度，达到精度则进行步骤B2中的流程；如没达到则重复步骤B1中的过程。
在步骤S5中，在调整视轴方位角γ时，采用以下方法：
步骤C1：基于上述步骤B1中，视轴在垂直方向到达设定精度之后，在两棱镜之间的相对转角δ0保持不变的情况下，控制处理器给出指令让第一电机和第二电机同时正转，同时比较目标图像相邻两帧的水平像素误差Δp'h，如减小，则保持两电机的旋转方向，反之，则将两电机的旋转方向反转。
步骤C2：判断Δp'h是否达到设定的精度值，达到精度则转到下一步步骤C3，反之，则重复本步骤C2中的步骤。
步骤C3：定义双棱镜指向控制系统精度Δp，经过上述步骤C1和步骤C2之后，控制系统结束时视场中心与目标中心像素点之间的距离为
Figure BDA0002902582730000111
若Δp'＜Δp。说明到达目标指向精度，视场凝视预设时长后，电机归零位；反之，若没有到达设定精度，则从步骤C1过程重复开始。
在步骤S1至步骤S5中，控制处理器控制第一电机和第二电机的旋转动作，第一电机和第二电机分别带动对应的减速齿轮组运动，齿轮组又带动第一棱镜和第二棱镜旋转，偏转双棱镜系统视轴使其指向目标中心，使目标成像在摄像设备成像画面的中心。
在步骤S6中，棱镜和电机存在减速器，减速比为1/5，第二棱镜旋转90°，电机则要旋转450°，为了缩短电机运行时间，采用梯形加减速算法。具体过程如下：
步骤D1：初始化参数，加速度a1、减速度d1、最大速度speed以及总行程l(电机需转动的角度)。
步骤D2：根据步骤D1中的参数求取加速到最大速度所需步数a1和减速前的步数a3。如果a1<a3，则减速到0所需的步数a2＝-a1*(a1/d1)，反之，则a2＝-(l-a3)。
步骤D3：确定相邻脉冲的时间间隔，计算精确的计数值cn，并执行程序。步骤D4：在第二电机旋转到指定位置之后，两电机同步旋转带动双棱镜系统扫描，并检测目标图像，如检测到目标，则跳转步骤S2，反之，则电机归零，跳转到步骤D1，重新初始化参数，确定两棱镜的夹角。
当所述控制方法用于追踪可移动的目标物时，控制处理器在控制双棱镜系统的扫描动作时，使双棱镜系统的扫描死区避开目标物的移动路径。
本例中，第一电机、第二电机均为步进电机。
实施例：
本例中，其中第一棱镜1、第二棱镜2的楔角为14.58°，折射率为1.515；
第一电机7、第二电机8均为两出轴的两相四线混合式步进电机，它们的转子轴分别与第一联轴器5、第二联轴器6连接；
第一编码器11和第二编码器均为光电式编码器，具有分辨率高、稳定性好等优点。第一电机7、第二电机8的另外一轴分别与第一编码器11和第二编码器连接；
第一联轴器5、第二联轴器6分别与第一减速齿轮组3、第二减速齿轮组4相连，第一减速齿轮组3、第二减速齿轮组4则分别带动第一棱镜1、第二棱镜2旋转；
第一编码器11测量第一电机7的转子角度α1，并将α1信号传递到控制处理器14，第二编码器12测量第二电机8的转子角度α2，并将α2信号传递到控制处理器14；
摄像头13采用的是单芯片CMOS传感器，具有低功耗、体积小以及可编程配置等优点，将其图像数据采集并传递到控制处理器14；
控制处理器14连接摄像头13并采集目标图像，计算出目标物在摄像头传感器13中所成像的中心点像素坐标(ph,pv)，根据给定的视场中心点像素坐标(H,V)，将中心点像素坐标(ph,pv)和视场中心点像素坐标(H,V)取差得到像素误差(Δp'h,Δp'v)；判断相邻两帧图像的垂直像素误差Δp'v和水平像素误差Δp'h的大小，从而调整视轴方位角γ和俯仰角
Figure BDA0002902582730000121
实现视轴指向目标中心的效果。
图1所示为视轴扫描的俯仰角和方位角定义坐标图：坐标系为oxyz，矢量αf与z轴正向的夹角为俯仰角
Figure BDA0002902582730000122
其在X'OY'平面上的投影与X轴正向的夹角为方位角γ。
控制器接收像素误差(Δp'h,Δp'v)，输出脉冲信号p1和方向信号dir1给第一驱动器9，进而驱动第一电机7，输出脉冲信号p2和方向信号dir2给第二驱动器10，进而驱动第二电机8。
由于摄像头本身水平视场角50°，垂直视场角41°，在旋转双棱镜的过程中，可以将视场扩大1.3-1.5倍。现设目标15以1cm/s的移动速度经过视场，由于双棱镜系统存在扫描死区，所以目标移动尽量避开。
另外摄像头本身视场有限，所以当目标出现在视场后，具体指向跟踪过程如下：
步骤1：根据采集到的图像数据，依据hough变换的中心提取算法求出目标物中心部位在摄像头传感器中所成像的中心点像素坐标(ph,pv)。具体计算过程如下：
1)先对图像进行预处理，将获取的RGB图像格式转换成Ycbcr格式，以便后续根据图像亮度信息Y进行二值化。
2)运用多阈值分割算法，选取合适的阈值将目标从图像中分割出来，分割之后采用sobel算子进行边缘检测，获取目标图像边缘信息。
3)运用hough变换，计算出目标圆心的坐标。具体计算方法如下：
先为中心点像素坐标(ph,pv)建立一个离散参数空间，再建立一个二维的累加器A[ph][pv]，然后对参数空间里的每一个(ph,pv)，都考虑目标图像中每一个边缘像素点(x，y)，并带入圆方程，若满足(x-ph)2+(y-pv)2-r2＜W成立，则相应的累加器加1；最后找出A[ph][pv]的最大值，对应的(ph,pv)就是目标圆心坐标。
步骤2：依据步骤1和步骤2求得的视场中心点像素坐标(H,V)和目标中心点像素坐标(ph,pv)，将其作差取绝对值得到像素误差(Δp'h,Δp'v)。
Δp'h＝|ph-H|，Δp'v＝|pv-V| (公式1)
其中Δp'h和Δp'v分别代表水平和垂直像素误差。
步骤3：对比分析步骤2中的水平及垂直像素误差Δp'h和Δp'v的变化来控制输出脉冲和旋转方向驱动步进电机；当棱镜转动时偏转视轴，目标视场随之改变，像素误差Δp'h和Δp'v也会更新，通过对比相邻两帧图像中像素误差的大小来改变电机的旋转方向，从而使双棱镜系统的视轴指向目标中心。
进一步垂直像素误差和水平像素误差对应着视轴径向和圆方向上的扫描，即视轴的俯仰角和方位角变化，如何确定视轴扫描的俯仰角和方位角。
具体计算过程如下：
目标中心点发出的光在摄像头传感器上所成像点的坐标(ph,pv)，由于光路是可逆的。所以由摄像头射出的视轴α1经过两个棱镜四个棱镜面之后的出射视轴αf会指向目标中心点。公式如下：
αf＝Tri·α1，i＝1,2,3,4 (公式2)
其中Tri为棱镜面的折射过程。
将出射矢量写成余弦形式：αf＝(SK,SL,SM)
其中SK,SL,SM为矢量αf的方向余弦。
定义两个参数ξ和δ0。
Figure BDA0002902582730000131
其中ω1和δ01、ω2和δ02分别对应第一棱镜、第二棱镜的旋转角速度和初始位置角。本系统采用的两棱镜材质规格相同，设ω1＝ω2＝ω，系统离目标面距离为zpf。
则视轴在目标平面上的扫描轨迹为
Figure BDA0002902582730000141
俯仰角
Figure BDA0002902582730000142
Figure BDA0002902582730000143
方位角γ
Figure BDA0002902582730000144
其中f1，f2，f3是SK,SL,SM的系数，当棱镜的结构参数确定时，f1，f2，f3为定值，所以视轴的方位和俯仰角是关于δ0的函数。
由(4)式可知视轴俯仰角只与两棱镜之间的相对转角δ0有关，当δ0确定时，视轴方位角就是时间t的函数，视轴在平面上做圆周扫描，如图所示。
步骤4：根据步骤3中的视轴俯仰角和方位角与两棱镜之间的转角的关系，并依据步骤3中的像素误差作为Δp'h和Δp'v反馈信号，调整第一电机和第二电机的旋转方向。定义棱镜薄端正朝上为零位，初始位置两棱镜相对转角为0，即δ0为0，如图所示。
具体过程如下：
1)调整视轴俯仰角
Figure BDA0002902582730000145
根据步骤3中，俯仰角
Figure BDA0002902582730000146
只与两棱镜之间的相对转角δ0。定义顺时针为正转
第一步：计算第一帧图像中的垂直像素误差Δp'v，控制器给出指令让第一电机正转，第二电机反转。
第二步：计算第二帧图像中的Δp'v值，并判断第一步和第二步中两帧图像中的Δp'v是否减小；如减小则保持第一步中两电机的旋转方向，反之，如没减小，则第一电机反转，第二电机正转。
第三步：判断第三帧图像中的Δp'v值是否达到设定精度，达到精度则进行2)
中的流程；如没达到则重复1)中的过程。
2)调整视轴方位角γ
两棱镜相对转角δ0保持不变，两棱镜同步旋转进行圆周扫描，根据步骤3，圆周扫描时，俯仰角保持不变，方位角是时间的函数。
具体流程如下：
第一步：基于上述1)中，视轴在垂直方向到达设定精度之后，在两棱镜之间的相对转角δ0保持不变的情况下，控制器给出指令让第一电机和第二电机同时正转，同时比较目标图像相邻两帧的水平像素误差Δp'h，如减小，则保持两电机的旋转方向，反之，则将两电机的旋转方向反转。
第二步：判断Δp'h是否达到设定的精度值，达到精度则转到3)，反之，则重复2)中的步骤。
3)定义双棱镜指向控制系统精度Δp，经过上述1)和2)步之后，控制系统结束时视场中心与目标中心像素点之间的距离为
Figure BDA0002902582730000151
若Δp'＜Δp。说明到达目标指向精度，视场凝视3三秒后，电机归零位。反之，若没有到达设定精度，则从1)过程重复开始。
上述5个步骤里，控制器控制第一电机和第二电机的旋转动作，分别带动对应的减速齿轮运动，齿轮又带动第一棱镜和第二棱镜旋转，偏转视轴，使其指向目标中心，使目标成像在探测器的中心。
步骤5：如目标检测失误或指向跟踪过程中目标物跳出当前视场，则将两棱镜位置归零，然后同步旋转第一电机和第二电机带动第一棱镜和第二棱镜进行大视场扫描，检测到目标，则转到步骤1。
具体过程如下：
第一步：初始化参数，加速度a1、减速度d1、最大速度speed以及总行程l(电机需转动的角度)。
第二步：根据步骤D1中的参数求取加速到最大速度所需步数a1和减速前的步数a3。如果a1<a3，则减速到0所需的步数a2＝-a1*(a1/d1)，反之，则a2＝-(l-a3)。
第三步：确定相邻脉冲的时间间隔，计算精确的计数值cn，并执行程序。
第四步：在第二电机旋转到指定位置之后，两电机同步旋转带动双棱镜系统扫描，并检测目标图像，如检测到目标，则跳转步骤2，反之，则电机归零，跳转到第一步，重新初始化参数，确定两棱镜的夹角。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，其特征在于：所述控制系统包括控制处理器(14)和与之相连的摄像设备(13)、光机电装置，还包括位于摄像设备输入光路上的双棱镜系统；所述双棱镜系统内的棱镜可由光机电装置驱动旋转；所述控制处理器经摄像设备采集目标物(15)的图像，并计算出目标物中心点在摄像设备成像传感器中所成像的中心点像素坐标(ph,pv)，根据给定的摄像设备视场中心点像素坐标(H,V)，将中心点像素坐标(ph,pv)和视场中心点像素坐标(H,V)取差得到像素误差(Δp'h,Δp'v)；控制处理器根据像素误差(Δp'h,Δp'v)控制光机电装置旋转棱镜，调整双棱镜系统的视轴使之指向目标物中心。
2.根据权利要求1所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，其特征在于：所述双棱镜系统包括楔角相同的第一棱镜(1)、第二棱镜(2)；当双棱镜系统的视轴使之指向目标物中心时，目标物中心点在摄像设备视场中心点处成像。
3.根据权利要求2所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，其特征在于：所述光机电装置的第一电机(7)驱动第一棱镜旋转，光机电装置的第二电机(8)驱动第二棱镜旋转；
所述控制处理器经第一编码器(11)测量第一电机的转子角度α1，经第一驱动器(9)、控制第一电机，控制处理器经第二编码器(12)测量第二电机的转子角度α2，经第二驱动器(10)控制第二电机。
4.根据权利要求3所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，其特征在于：所述第一编码器、第二编码器均为光电式编码器；所述摄像设备为采用单芯片COMS传感器的摄像头；
所述光机电装置的第一电机(7)经第一联轴器(5)、第一减速齿轮组(3)驱动第一棱镜旋转，光机电装置的第二电机(8)经第二联轴器(6)、第二减速齿轮组(4)驱动第二棱镜旋转；。
5.基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，其特征在于：所述控制方法采用权利要求3中所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，其方法包括以下步骤；
步骤S1：控制处理器接收摄像设备视场中心点像素坐标(H,V)；
步骤S2：根据采集到的图像数据，依据hough变换的中心提取算法求出目标物中心部位在摄像头传感器中所成像的中心点像素坐标(ph,pv)；
步骤S3：依据步骤S1和步骤S2求得的视场中心点像素坐标(H,V)和目标中心点像素坐标(ph,pv)，将其作差取绝对值得到像素误差(Δp'h,Δp'v)。
Δp'h＝|ph-H|，Δp'v＝|pv-V| (公式1)
其中Δp'h和Δp'v分别代表水平和垂直像素误差；
步骤S4：对比分析步骤S3中的水平及垂直像素误差Δp'h和Δp'v的变化来控制输出脉冲和旋转方向驱动步进电机；当棱镜转动时偏转视轴，目标视场随之改变，像素误差Δp'h和Δp'v也会更新，通过对比相邻两帧图像中像素误差的大小来改变电机的旋转方向，从而使双棱镜系统的视轴指向目标中心；
步骤S5：根据步骤S4中的视轴俯仰角和方位角与两棱镜之间的转角的关系，并依据步骤S3中的像素误差作为Δp'h和Δp'v反馈信号，调整第一电机和第二电机的旋转动作以调整双棱镜系统的视轴俯仰角
Figure FDA0002902582720000021
和调整视轴方位角γ；本步骤的棱镜初始位置定义棱镜薄端正朝上为零位，初始位置两棱镜相对转角为0，即δ0为0；
步骤S6：如目标检测失误或指向跟踪过程中目标物跳出当前视场，则将两棱镜位置归零，然后保持第一棱镜不动，旋转第二棱镜改变两棱镜的夹角至180°，然后同步旋转第一棱镜和第二棱镜进行圆周扫描；之后依次改变夹角扩大扫描范围以寻找目标物，并检测到目标物后转到步骤S2。
6.根握权利要求5所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，其特征在于：在步骤S2中，具体计算过程如下：
步骤A1、先对图像进行预处理，将获取的RGB图像格式转换成Ycbcr格式，以便后续根据图像亮度信息Y进行二值化；
步骤A2、运用多阈值分割算法，选取合适的阈值将目标从图像中分割出来，分割之后采用sobel算子进行边缘检测，获取目标图像边缘信息；
步骤A3、运用hough变换，计算出目标圆心的坐标。具体计算方法如下：
先为中心点像素坐标(ph,pv)建立一个离散参数空间，再建立一个二维的累加器A[ph][pv]，然后对参数空间里的每一个(ph,pv)，都考虑目标图像中每一个边缘像素点(x，y)，并带入圆方程，若满足(x-ph)2+(y-pv)2-r2＜W成立，则相应的累加器加1；最后找出A[ph][pv]的最大值，对应的(ph,pv)就是目标圆心坐标。
7.根握权利要求5所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，其特征在于：在步骤S4中，垂直像素误差和水平像素误差对应着视轴径向和圆方向上的扫描，即视轴的俯仰角和方位角变化，确定视轴扫描的俯仰角和方位角的具体计算过程如下：
设目标中心点发出的光在摄像头传感器上所成像点的坐标(ph,pv)，且光路是可逆的，则由摄像设备出射的视轴α1经过两个棱镜四个棱镜面之后的出射视轴αf会指向目标中心点；计算公式如下：
αf＝Tri·α1，i＝1,2,3,4 (公式2)
其中Tri为棱镜面的折射过程；
将出射矢量写成余弦形式：αf＝(SK,SL,SM)
其中SK,SL,SM为矢量αf的方向余弦；
定义两个参数ξ和δ0；
Figure FDA0002902582720000031
其中ω1和δ01、ω2和δ02分别对应第一棱镜、第二棱镜的旋转角速度和初始位置角；本系统采用的两棱镜材质规格相同，设ω1＝ω2＝ω，系统离目标面距离为zpf；
则视轴在目标平面上的扫描轨迹为
Figure FDA0002902582720000032
方位角γ
Figure FDA0002902582720000033
方位角γ
Figure FDA0002902582720000041
其中f1，f2，f3是SK,SL,SM的系数，当棱镜的结构参数确定时，f1，f2，f3为定值，所以视轴的方位和俯仰角是关于δ0的函数。
由公式4可知视轴俯仰角只与两棱镜之间的相对转角δ0有关，当δ0确定时，视轴方位角就是时间t的函数，视轴在平面上做圆周扫描。
8.根握权利要求5所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，其特征在于：在步骤S5中，在调整双棱镜系统的视轴俯仰角
Figure FDA0002902582720000042
时，采用以下方法：根据步骤S4中，俯仰角
Figure FDA0002902582720000043
只与两棱镜之间的相对转角δ0；定义顺时针为正转；
步骤B1：计算第一帧图像中的垂直像素误差Δp'v，控制处理器给出指令让第一电机正转，第二电机反转；
步骤B2：计算第二帧图像中的Δp'v值，并判断第一步和第二步中两帧图像中的Δp'v是否减小；如减小则保持第一步中两电机的旋转方向，反之，如没减小，则第一电机反转，第二电机正转；
步骤B3：判断第三帧图像中的Δp'v值是否达到设定精度，达到精度则进行步骤B2中的流程；如没达到则重复步骤B1中的过程。
在步骤S5中，在调整视轴方位角γ时，采用以下方法：
步骤C1：基于上述步骤B1中，视轴在垂直方向到达设定精度之后，在两棱镜之间的相对转角δ0保持不变的情况下，控制处理器给出指令让第一电机和第二电机同时正转，同时比较目标图像相邻两帧的水平像素误差Δp'h，如减小，则保持两电机的旋转方向，反之，则将两电机的旋转方向反转。
步骤C2：判断Δp'h是否达到设定的精度值，达到精度则转到下一步步骤C3，反之，则重复本步骤C2中的步骤。
步骤C3：定义双棱镜指向控制系统精度Δp，经过上述步骤C1和步骤C2之后，控制系统结束时视场中心与目标中心像素点之间的距离为
Figure FDA0002902582720000051
若Δp'＜Δp。说明到达目标指向精度，视场凝视预设时长后，电机归零位；反之，若没有到达设定精度，则从步骤C1过程重复开始。
9.根握权利要求5所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，其特征在于：在步骤S1至步骤S5中，控制处理器控制第一电机和第二电机的旋转动作，第一电机和第二电机分别带动对应的减速齿轮组运动，齿轮组又带动第一棱镜和第二棱镜旋转，偏转双棱镜系统视轴使其指向目标中心，使目标成像在摄像设备成像画面的中心。
10.根握权利要求5所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，其特征在于：在步骤S6中，棱镜和电机存在减速器，为了缩短电机运行时间，采用梯形加减速算法；具体过程如下：
步骤D1：初始化参数，加速度a1、减速度d1、最大速度speed以及总行程l，总行程即电机需转动的角度；
步骤D2：根据步骤D1中的参数求取加速到最大速度所需步数a1和减速前的步数a3。如果a1<a3，则减速到0所需的步数a2＝-a1*(a1/d1)，反之，则a2＝-(l-a3)；
步骤D3：确定相邻脉冲的时间间隔，计算精确的计数值cn，并执行程序；
步骤D4：在第二电机旋转到指定位置之后，两电机同步旋转带动双棱镜系统扫描，并检测目标图像，如检测到目标，则跳转步骤S2，反之，则电机归零，跳转到步骤D1，重新初始化参数，确定两棱镜的夹角。
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