CN114047791A - 基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统及其控制方法，包括嵌入式系统、精准时间输出模块、精准电机和相机控制模块、实时操作系统模块等部分；其中，精准时间输出模块包括滤光片颜色查表、曝光时间、电机加速、减速和停止总时间三部分；精准电机和相机控制模块包括串口、步进电机驱动器及步进电机、相机以及编码器四部分；实时操作系统模块包括时间管理、任务切换以及任务调度三部分。本发明有效的对滤光片转轮的到位时间进行精准控制，进而通过相机进行图像输出，实现了基于嵌入式实时操纵系统的滤光片转轮快速成像系统。
Description
技术领域
本发明属于嵌入式控制系统技术领域，尤其涉及一种基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统及其控制方法。
背景技术
滤光片转轮系统可以利用一组滤光片将可见光分解成3个以上的光谱波段，滤光片转轮系统的每一个滤光片对应一个光谱波段，分别让物体在每个光谱波段成像，从而合成为一张多光谱图像，这项技术广泛应用于多个领域，但是由于不同的滤光片所需的曝光时间有所不同，对转轮控制系统的控制性能提出了更高的要求。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统及其控制方法，旨在有效提高转轮成像系统的快速性、实时性和精准性。包括嵌入式系统、精准时间输出模块、精准电机和相机控制模块、实时操作系统模块等部分；其中，精准时间输出模块包括滤光片颜色查表、曝光时间、电机加速、减速和停止总时间三部分；精准电机和相机控制模块包括串口、步进电机驱动器及步进电机、相机以及编码器四部分；实时操作系统模块包括时间管理、任务切换以及任务调度三部分。本发明有效的对滤光片转轮的到位时间进行精准控制，进而通过相机进行图像输出，实现了基于嵌入式实时操纵系统的滤光片转轮快速成像系统。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统，其特征在于，包括相连接的：嵌入式系统、精准时间输出模块、精准电机和相机控制模块、以及实时操作系统模块；
所述精准时间输出模块包括依次连接的：滤光片颜色查表子模块、电机加减速和停止总时间计算子模块；
所述精准电机和相机控制模块包括：串口、步进电机及步进电机驱动器、相机以及编码器；所述嵌入式系统、串口、步进电机及步进电机驱动器、相机依次相连；所述编码器与电机和嵌入式系统相连，将电机位置反馈至嵌入式系统，使转轮滤光片能够精准到达指定的位置；
所述实时操作系统模块包括依次连接的：时间管理子模块、任务切换子模块以及任务调度子模块；
所述实时操作系统模块与精准时间输出模块、精准电机和相机控制模块连接，通过对各任务进行调度、管理，实现对滤光片转轮快速成像控制系统的控制，最终进行图像输出。
进一步地，所述精准时间输出模块的时间输出与嵌入式系统相连，精准时间输出模块所输出的时间在嵌入式系统进行处理，转换为PWM脉冲相关的包括占空比、频率、脉冲数的控制参数，输出至步进电机驱动器及步进电机，从而对不同滤光片完成拍摄的时间进行控制，最后通过相机，进行图像输出。
进一步地，在所述精准时间输出模块中，根据不同的滤光片颜色，通过滤光片颜色查表子模块查表得到该滤光片颜色对应需要的曝光时间，该曝光时间是完成该滤光片拍摄所需要的最短时间，也是电机停止的最短时间，输出至电机加减速和停止总时间计算子模块；通过所述电机加减速和停止总时间计算子模块，将曝光时间与电机加减速运动时间进行相加，得到的总时间输出至嵌入式系统，在嵌入式系统中转换PWM脉冲相关的包括占空比、频率、脉冲数的控制参数。
进一步地，所述精准时间输出模块的工作过程包括以下步骤：
步骤A1：不同滤光片颜色对应的曝光时间不同，通过查表获得不同滤光片颜色对应的曝光时间；
步骤A2：通过所得的曝光时间，计算出转轮运动到对应的滤光片上所需的总时间，所得输出时间经过电机加减速函数的计算，对电机转动进行精准的加减速控制，到达滤光片转轮对应的位置后，进行拍摄；拍摄完成后，回到步骤A1查表得到下一个滤光片所对应的曝光时间，直至完成每一滤光片的拍摄。
进一步地，所述实时操作系统模块的工作过程包括以下步骤：
步骤B1：实时操作系统进行硬件以及系统初始化；
步骤B2：实时操作系统进行任务创建，主要任务包括：串口通讯任务、电机转动任务、相机拍摄任务、编码器位置反馈任务、精准时间输出任务、转轮和相机调度任务；
步骤B3：进入多任务管理阶段，查找任务堆栈中优先级最高的任务，对于不同优先级不同的任务，在主程序循环的基础上，通过中断保证最高优先级的任务优先执行；在任务执行的过程中，如果有更高优先级的任务需要执行，则中断当前任务，转而执行更高优先级的任务，从而保证实时操作系统的实时性；在不同的任务间可进行通讯、挂起、恢复，实现实时操作系统的任务切换调度。
系统的整体控制方法，主要包括以下工作过程：
步骤S1：嵌入式系统接收来自精准时间输出模块所输出的时间，对该时间进行计算、转换，得到步进电机加减速所需的PWM脉冲相关的包括占空比、频率、脉冲数的控制参数；
步骤S2：通过嵌入式系统与步进电机驱动器及步进电机进行串口通讯，嵌入式系统发送转轮转动指令；
步骤S3：步进电机驱动器及步进电机根据嵌入式系统所给的PWM脉冲占空比、脉冲频率、脉冲数等参数，电机开始转动，快速转动到指定的滤光片位置；
步骤S4：编码器实时反馈转轮的位置信号给嵌入式系统，嵌入式系统与步进电机驱动器及步进电机不断进行串口通讯对电机转动进行控制，通过带反馈的闭环控制，保证电机精准转动到位；
步骤S5：电机精准到位后，嵌入式系统发送对应指令给相机进行拍摄任务，完成拍摄后进行图像输出。
步骤S6：完成第一个滤光片的拍摄后，发送指令至嵌入式系统，而后电机继续运动至下一个滤光片位置，返回步骤S1，直至每个滤光片拍摄完成，转轮回到起始位置。
进一步地，在步骤A2中，所述电机加减速函数根据电机运行所需运转步数，运转频率，运转时间，以RC_Sigmoid电机控制函数控制电机先加速运行，在加速的过程中，以S型曲线向上延伸，而后到达一定速度后，电机保持匀速运行，在临近到达位置时，控制电机减速运行，在减速的过程中，速度曲线为加速过程中S型速度曲线的镜像曲线。
与现有技术相比，本发明及其优选方案在现有的转轮滤光片成像系统的基础上，通过嵌入式处理器对转轮滤光片成像系统进行控制，并且移植至实时操作系统当中，通过实时操作系统当中任务管理、任务调度等操作，充分利用实时操作系统的实时性，配合滤光片曝光时间的不同以及电机加减速函数的控制，使转轮滤光片成像系统更具有实时性、精准性、快速性等。
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：
图1为本发明实施例系统结构示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供的基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统包括嵌入式系统、精准时间输出模块、精准电机和相机控制模块、实时操作系统模块、图像输出等部分。
其中，精准时间输出模块包括滤光片颜色查表、曝光时间、电机加减速和停止总时间三部分。精准电机和相机控制模块包括串口、步进电机及步进电机驱动器、相机以及编码器四部分，嵌入式系统、串口、步进电机及步进电机驱动器、相机依次相连，编码器与电机和嵌入式系统相连，将电机位置反馈至嵌入式系统，使转轮滤光片能够精准到达指定的位置。实时操作系统模块包括时间管理、任务切换、以及任务调度三部分。实时操作系统模块与精准时间输出模块和精准电机和相机控制模块相连，实时操作系统模块对精准时间输出模块和精准电机和相机控制模块中的各任务进行调度、管理，实现对滤光片转轮快速成像控制系统的控制，最终进行图像输出。精准时间输出模块的时间输出与嵌入式系统相连，精准时间输出模块所输出的时间在嵌入式系统进行处理，转换为PWM脉冲相关占空比、频率、脉冲数等参数，输出至步进电机驱动器及步进电机，从而对不同滤光片完成拍摄所需的时间进行控制，最后通过相机，进行图像输出。
具体地，在本实施例中，假定滤光片转轮从前一个位置运动到当前位置并完成一次拍摄，这样的一个过程中包含了电机加速减速和电机停止运动。为了最快速度的完成拍摄，需要确定相机拍摄的最短时间，通过不同的滤光片颜色，查表得到该滤光片颜色对应需要的曝光时间，该曝光时间是完成该滤光片拍摄所需要的最短时间，也是电机停止的最短时间；该时间与电机加减速运动时间进行相加，得到的总时间输出是纳秒/毫秒级别的；精准时间输出模块通过输出精准的时间值至嵌入式系统，在嵌入式系统中经过计算后，转换为PWM脉冲相关占空比、频率、脉冲数等参数，将电机运动对应的信号通过串口通讯发送至步进电机驱动器及步进电机，对电机进行控制，实现电机精准快速转动到达指定位置，而后相机拍照进行图像输出；实时操作系统模块对精准时间输出模块以及精准电机、相机控制模块中的各部分进行任务调度、时间管理等，通过对各优先级不同的任务进行挂起、恢复，以及各任务间的通讯，实现滤光片转轮快速成像。
在本实施例中，精准时间输出模块实现精准时间输出包括以下几个步骤：
步骤A1：不同滤光片颜色对应的曝光时间不同，通过查表可得不同滤光片颜色对应的曝光时间；
步骤A2：通过所得的曝光时间，可计算出转轮运动到对应的滤光片上所需的总时间，所得输出时间经过电机加减速函数的计算，对电机转动进行精准的加减速控制，到达滤光片转轮对应的位置后，进行拍摄，拍摄完成后，查表得到下一滤光片所对应的曝光时间，发送指令继续往下一个滤光片位置转动计算得出对应的电机加减速时间，而后电机重新进行加减速，转轮转动到下一个滤光片，重复上述步骤可以控制转轮完成每一滤光片的拍摄。
在本实施例中，实时操作系统模块包括时间管理、任务切换、任务调度三个部分，实现其功能包括以下几个步骤：
步骤B1：实时操作系统进行硬件以及系统初始化；
步骤B2：实时操作系统进行任务创建，主要任务包括：串口通讯任务、电机转动任务、相机拍摄任务、编码器位置反馈任务、精准时间输出任务、转轮和相机调度任务。
步骤B3：进入多任务管理阶段，查找任务堆栈中优先级最高的任务，对于不同优先级不同的任务，在主程序循环的基础上，通过中断保证最高优先级的任务优先执行；在任务执行的过程中，如果有更高优先级的任务需要执行，会中断当前任务，转而执行更高优先级的任务，从而保证实时操作系统的实时性；在不同的任务间可进行通讯、挂起、恢复，实现实时操作系统的任务切换调度。
在本实施例中，整体控制方案主要包括以下几个步骤：
步骤S1：嵌入式系统接收来自精准时间输出模块所输出的时间，对该时间进行计算、转换，得到步进电机加减速所需的PWM脉冲相关的占空比、频率、脉冲数等参数。
步骤S2：通过嵌入式系统与步进电机驱动器及步进电机进行串口通讯，嵌入式系统发送转轮转动指令；
步骤S3：步进电机驱动器及步进电机根据嵌入式系统所给的PWM脉冲占空比、脉冲频率、脉冲数等参数，电机开始转动，快速转动到指定的滤光片位置；
步骤S4：编码器实时反馈转轮的位置信号给嵌入式系统，嵌入式系统与步进电机驱动器及步进电机不断进行串口通讯对电机转动进行控制，通过带反馈的闭环控制，保证了电机精准转动到位；
步骤S5：电机精准到位后，嵌入式系统发送对应指令给相机进行拍摄任务，完成拍摄后进行图像输出。
步骤S6：完成第一个滤光片的拍摄后，发送指令至嵌入式系统，而后电机继续运动至下一个滤光片位置，如此循环，直至每个滤光片拍摄完成，转轮回到起始位置。
在本实施例中，根据电机运行所需运转步数，运转频率，运转时间，以RC_Sigmoid电机控制函数控制电机先加速运行，在加速的过程中，以S型曲线向上延伸，而后到达一定速度后，电机保持匀速运行，在临近到达位置时，控制电机减速运行，在减速的过程中，速度曲线为加速过程中S型速度曲线的镜像曲线。
在本实施例中，嵌入式处理器采用的是ARM处理器，控制转轮运动的电机为42系列步进电机，实时操作系统采用的是μC/OS-II操作系统，串口通讯采用485总线通讯。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统及其控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统，其特征在于，包括相连接的：嵌入式系统、精准时间输出模块、精准电机和相机控制模块、以及实时操作系统模块；
所述精准时间输出模块包括依次连接的：滤光片颜色查表子模块、电机加减速和停止总时间计算子模块；
所述精准电机和相机控制模块包括：串口、步进电机及步进电机驱动器、相机以及编码器；所述嵌入式系统、串口、步进电机及步进电机驱动器、相机依次相连；所述编码器与电机和嵌入式系统相连，将电机位置反馈至嵌入式系统，使转轮滤光片能够精准到达指定的位置；
所述实时操作系统模块包括依次连接的：时间管理子模块、任务切换子模块以及任务调度子模块；
所述实时操作系统模块与精准时间输出模块、精准电机和相机控制模块连接，通过对各任务进行调度、管理，实现对滤光片转轮快速成像控制系统的控制，最终进行图像输出。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统，其特征在于：所述精准时间输出模块的时间输出与嵌入式系统相连，精准时间输出模块所输出的时间在嵌入式系统进行处理，转换为PWM脉冲相关的包括占空比、频率、脉冲数的控制参数，输出至步进电机驱动器及步进电机，从而对不同滤光片完成拍摄的时间进行控制，最后通过相机，进行图像输出。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统，其特征在于：在所述精准时间输出模块中，根据不同的滤光片颜色，通过滤光片颜色查表子模块查表得到该滤光片颜色对应需要的曝光时间，该曝光时间是完成该滤光片拍摄所需要的最短时间，也是电机停止的最短时间，输出至电机加减速和停止总时间计算子模块；通过所述电机加减速和停止总时间计算子模块，将曝光时间与电机加减速运动时间进行相加，得到的总时间输出至嵌入式系统，在嵌入式系统中转换PWM脉冲相关的包括占空比、频率、脉冲数的控制参数。
4.根据权利要求3所述的基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统的控制方法，其特征在于：所述精准时间输出模块的工作过程包括以下步骤：
步骤A1：不同滤光片颜色对应的曝光时间不同，通过查表获得不同滤光片颜色对应的曝光时间；
步骤A2：通过所得的曝光时间，计算出转轮运动到对应的滤光片上所需的总时间，所得输出时间经过电机加减速函数的计算，对电机转动进行精准的加减速控制，到达滤光片转轮对应的位置后，进行拍摄；拍摄完成后，回到步骤A1查表得到下一个滤光片所对应的曝光时间，直至完成每一滤光片的拍摄。
5.根据权利要求3所述的基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统的控制方法，其特征在于：所述实时操作系统模块的工作过程包括以下步骤：
步骤B1：实时操作系统进行硬件以及系统初始化；
步骤B2：实时操作系统进行任务创建，主要任务包括：串口通讯任务、电机转动任务、相机拍摄任务、编码器位置反馈任务、精准时间输出任务、转轮和相机调度任务；
步骤B3：进入多任务管理阶段，查找任务堆栈中优先级最高的任务，对于不同优先级不同的任务，在主程序循环的基础上，通过中断保证最高优先级的任务优先执行；在任务执行的过程中，如果有更高优先级的任务需要执行，则中断当前任务，转而执行更高优先级的任务，从而保证实时操作系统的实时性；在不同的任务间可进行通讯、挂起、恢复，实现实时操作系统的任务切换调度。
6.根据权利要求3所述的基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下工作过程：
步骤S1：嵌入式系统接收来自精准时间输出模块所输出的时间，对该时间进行计算、转换，得到步进电机加减速所需的PWM脉冲相关的包括占空比、频率、脉冲数的控制参数；
步骤S2：通过嵌入式系统与步进电机驱动器及步进电机进行串口通讯，嵌入式系统发送转轮转动指令；
步骤S3：步进电机驱动器及步进电机根据嵌入式系统所给的PWM脉冲占空比、脉冲频率、脉冲数等参数，电机开始转动，快速转动到指定的滤光片位置；
步骤S4：编码器实时反馈转轮的位置信号给嵌入式系统，嵌入式系统与步进电机驱动器及步进电机不断进行串口通讯对电机转动进行控制，通过带反馈的闭环控制，保证电机精准转动到位；
步骤S5：电机精准到位后，嵌入式系统发送对应指令给相机进行拍摄任务，完成拍摄后进行图像输出；
步骤S6：完成第一个滤光片的拍摄后，发送指令至嵌入式系统，而后电机继续运动至下一个滤光片位置，返回步骤S1，直至每个滤光片拍摄完成，转轮回到起始位置。
7.根据权利要求4所述的基于嵌入式实时操作系统的滤光片转轮快速成像控制系统的控制方法，其特征在于：在步骤A2中，所述电机加减速函数根据电机运行所需运转步数，运转频率，运转时间，以RC_Sigmoid电机控制函数控制电机先加速运行，在加速的过程中，以S型曲线向上延伸，而后到达一定速度后，电机保持匀速运行，在临近到达位置时，控制电机减速运行，在减速的过程中，速度曲线为加速过程中S型速度曲线的镜像曲线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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