CN117596462A - Sma马达、摄像头以及摄像头的防抖控制方法 - Google Patents

Sma马达、摄像头以及摄像头的防抖控制方法 Download PDF

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CN117596462A CN202311555345.9A CN202311555345A CN117596462A CN 117596462 A CN117596462 A CN 117596462A CN 202311555345 A CN202311555345 A CN 202311555345A CN 117596462 A CN117596462 A CN 117596462A
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刘伟文
李鑫渭
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Abstract

本发明公开了一种SMA马达、摄像头以及摄像头的防抖控制方法。其中，SMA马达，包括：底板、固定板、移动板、弹片、SMA丝和外壳，其中底板位于最底部，固定板在底板上部固定连接，移动板通过弹片与固定板相连，并位于固定板的上面，SMA丝一端固定在移动板上，另一端连接在固定板上，当通电时，SMA丝收缩使得移动板偏移补偿镜头抖动，外壳与底板相连。

Description

SMA马达、摄像头以及摄像头的防抖控制方法
技术领域
本发明涉及光学防抖技术领域，并且更具体地，涉及一种SMA马达、摄像头以及摄像头的防抖控制方法。
背景技术
摄像头是一种图片、视频采集装置，已经被运用于各个数码设备。而光学防抖(Optical Image Stabilizer，OIS)逐渐成为了手机、平板等装有摄像头的电子设备的主要卖点与竞争力之一。光学防抖是利用模组内的陀螺仪和加速度计等检测到的抖动信号，经过微处理器计算出镜组需要补偿的位移量，然后利用驱动马达根据镜头的抖动方向以及抖动方向的位移大小或偏转角度大小加以补偿，从而有效地克服因为移动设备的抖动产生的图像模糊，实现图像稳定的目的。较之用软件算法提升增益而言，在画质上的损失非常小，所以能够很好地保证图像质量。
当前智能手机的摄像头模组中，带动镜头运动的马达主要为音圈马达(VoiceCoil Motor，VCM)，是一种结构简单的微型直线电机。VCM马达的原理为通电线圈在永磁石的磁场中受到安培力的作用而沿轴向前后运动，从而带动镜头运动到控制算法所给出的位置处。但传统VCM马达的问题是镜头模组是直接放在CMOS图像传感器上的，所以一旦镜头组变大，重力变大，压力变大，摩擦力就变大，所以会对CMOS产生一定程度的损坏。而小米是使用滚珠放在镜头模组和CMOS之间以减小摩擦力，但是占用体积会变大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种SMA马达、摄像头以及摄像头的防抖控制方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种SMA马达，包括：底板、固定板、移动板、弹片、SMA丝和外壳，其中
底板位于最底部，固定板在底板上部固定连接，移动板通过弹片与固定板相连，并位于固定板的上面，SMA丝一端固定在移动板上，另一端连接在固定板上，当通电时，SMA丝收缩使得移动板偏移补偿镜头抖动，外壳与底板相连。
可选地，底板中间设置有通光孔，底板上的圆柱凸起，用于与固定板上的圆孔配合，以及与移动板活动连接，使得移动板相对于固定板移动；
底板的四个角设置有支架，用于卡住固定板；
通光孔周围设置有四个凸台，用于连接底板与固定板；
底板的底部设置有支座，用于与固定板的支架配合；
底板的四个角设置有凹槽，用于连接底板与外壳。
可选地，固定板设置有与圆柱凸起配合使用的圆孔；
固定板中间通光孔的周围设置有四个通孔，用于与凸台配合使用；
固定板相对的两个分别设置有夹爪，用于固定四根SMA丝
固定板的底部设置有支架，用于与底板的支座配合使用。
可选地，弹片一端固定在移动板的侧面，一端固定在固定板的上面，通过弹片将固定板和移动板连接，使得移动板在沿光轴方向上固定。
可选地，四根SMA丝与固定板和移动板连接，一端固定在固定板的夹爪上，另一端则固定在移动板的夹爪上。
根据本发明的另一个方面，提供了一种摄像头，包括：上述的任意SMA马达、设置在SMA马达中间部位的镜头以及设置在SMA马达壳体的抖动检测装置。
据本发明的又一个方面，提供了一种摄像头的防抖控制方法，包括：
通过摄像头上的抖动检测装置采集摄像头的抖动信号；
将抖动信号输入至微处理器中，经过分数阶PID控制器，输出为抖动信号相对应PWM占空比；
根据PWM占空比，通过微处理器发出对应的PWM波并通过导线传输至摄像头SMA马达的SMA丝，控制SMA丝的收缩量，其中SMA丝的收缩量用于对摄像头的抖动进行补偿，减小抖动误差。
可选地，分数阶PID控制器的传递函数为：
式中，Kp为比例增益系数，Ki是积分增益系数，Kd是微分增益系数，s是Laplace变量，λ是积分阶数，μ是微分阶数。
可选地，还包括：通过三层BP神经网络结构整定传递函数的参数。
可选地，三层BO神经网络结构包括输入层、隐含层以及输出层，其中
输入层到隐含层的激活函数为：f1(x)＝(ex-e-x)/(ex+e-x)；
隐含层到输出层的激活函数为：f2(x)＝1/(1+e-x)。
从而，本申请提供的SMA马达，四根SMA丝5与固定板2和移动板3连接，一端固定在固定板2的夹爪203上，另一端则固定在移动板3的夹爪301上。SMA丝连接电源，当电流流入SMA丝5中时，SMA丝5通电加热收缩，拉动移动板3进行移动，移动板3与镜头相连，最终实现补偿镜头抖动的目的。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1是本发明实施例第一个方面提供的SMA马达的爆炸图；
图2是本发明实施例第一个方面提供的SMA马达的示意图；
图3是本发明实施例第一个方面提供的SMA马达的底板的示意图；
图4是本发明实施例第一个方面提供的SMA马达的固定板的示意图；
图5是本发明实施例第一个方面提供的SMA马达的底板和固定板的示意图；
图6是本发明实施例第一个方面提供的SMA马达的底板和固定板的三视图；
图7是本发明实施例第一个方面提供的SMA马达的部分结构的示意图；
图8是本发明实施例第一个方面提供的SMA马达的部分结构在A-A平面的剖面图；
图9是本发明实施例第一个方面提供的SMA马达的部分结构的示意图；
图10是本发明实施例第三个方面提供的摄像头的防抖控制方法的流程示意图；
图11是本发明实施例第三个方面提供的分数阶PID的原理图；
图12是本发明实施例第三个方面提供的BP神经网络整定分数阶PID参数的原理图；
图13是本发明实施例第三个方面提供的在simlink中对BP-FOPID的仿真示意图；
图14是图13中BP-FOPID输入信号为阶跃信号时示波器1的图像；
图15是图13中BP-FOPID输入信号为阶跃信号时示波器2的图像；
图16是图13中BP-FOPID输入信号为阶跃信号时示波器3的图像；
图17是图13中BP-FOPID输入信号为阶跃信号时示波器4的图像；
图18是图13中BP-FOPID输入信号为正弦信号时示波器1的图像；
图19是图13中BP-FOPID输入信号为正弦信号时示波器2的图像；
图20是图13中BP-FOPID输入信号为正弦信号时示波器3的图像；
图21是图13中BP-FOPID输入信号为正弦信号时示波器4的图像。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。
应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
本领域技术人员可以理解，本发明实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。
还应理解，在本发明实施例中，“多个”可以指两个或两个以上，“至少一个”可以指一个、两个或两个以上。
还应理解，对于本发明实施例中提及的任一部件、数据或结构，在没有明确限定或者在前后文给出相反启示的情况下，一般可以理解为一个或多个。
另外，本发明中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本发明中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
还应理解，本发明对各个实施例的描述着重强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以相互参考，为了简洁，不再一一赘述。
同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1是本申请实施例第一个方面所述的SMA马达的结构示意图，参考图1所示，SMA马达包括：底板1、固定板2、移动板3、弹片4、SMA丝5和外壳6，其中
底板1位于最底部，固定板2在底板1上部固定连接，移动板3通过弹片4与固定板2相连，并位于固定板2的上面，SMA丝5一端固定在移动板3上，另一端连接在固定板2上，当通电时，SMA丝5收缩使得移动板3偏移补偿镜头抖动，外壳6与底板1相连。
具体地，本申请实施例提供了一种用于光学防抖的SMA马达。SMA马达来进行OIS相比于传统VCM马达来说，重量相对较轻，且具有更高的精度、更高的推力以及更少的能耗。现如今SMA马达主要应用于手机、平板上，但是这项技术在智能眼镜、智能手表、智能小车等设备上也有广泛的应用前景。
参考图1和图2，图1是SMA马达的爆炸图，图2是本申请实施例提供的一种SMA马达的示意图，SMA马达包括底板1、固定板2、移动板3、弹片4、SMA丝5和外壳6。底板1位于最底部，固定板2在底板1上部固定连接，移动板3则通过弹片4与固定板2相连，SMA丝5一端固定在移动板3上，另一端连接在固定板2上，当通电时，SMA丝5收缩使得移动板3偏移补偿镜头抖动，外壳6与底板1相连。
图3是图1所示SMA马达底板1的示意图，参考图3所示，SMA马达底板1中间为通光孔，101为底板上的圆柱凸起，不仅可以与固定板2上的圆孔配合，还可以与移动板3活动连接，即圆柱凸起101上方与移动板相接触，但没有固定连接，使得移动板3可以相对于固定板2移动。102是便于卡住固定板2两边的两个支架。103是中间通光孔周围的四个凸台，也是用于连接底板1与固定板2。104是底板的支座，与固定板2的支架配合。105则是凹槽，用于连接底板1与外壳6，外壳6会与凹槽105相配合。
图4是图1所示SMA马达的固定板2的示意图，参考图4所示，圆孔201是与底板上的圆柱凸起101相配合，中间通光孔周围的四个通孔202与四个凸台103相配合，四个夹爪203分布于固定板的两个角，用于固定四根SMA丝5，支架204与底板1支座104配合。
图5是图1所示SMA马达的底板和固定板的示意图，图6是图1所示SMA马达的底板和固定板的三视图，参考图5和图6，可以看到底板1和固定板2具体的配合情况。
图7是SMA马达底板1、固定板2和移动板3的示意图，图8是图7在A-A平面上的剖面图。参考图7和图8，可以看出，移动板3位于固定板2的上面，与底板1的圆柱凸起103相接触，活动连接，使移动板3在沿光轴方向上与底板1和固定板2相对固定。
图9是图1所示SMA马达的部分结构的示意图，参考图9，展示了弹片4和SMA丝5与其他部分的配合情况。弹片4一端固定在移动板3的侧面，一端固定在固定板2的上面，通过弹片4将固定板2和移动板3连接，使得移动板3在沿光轴方向上固定。在其他一些实施例中，在SMA马达沿光轴方向还要会设置有自动对焦马达来调整镜头在沿光轴方向上的移动。
从而，本申请提供的SMA马达，四根SMA丝5与固定板2和移动板3连接，一端固定在固定板2的夹爪203上，另一端则固定在移动板3的夹爪301上。SMA丝5通过导线连接电源，当电流流入SMA丝5中时，SMA丝5通电加热收缩，拉动移动板3进行移动，移动板3与镜头相连，最终实现补偿镜头抖动的目的。
此外，本申请实施例第二个方面提供了一种摄像头，包括：本申请实施例第一个方面所述的任意SMA马达、设置在SMA马达中间部位的镜头以及设置在SMA马达壳体的抖动检测装置。
具体地，SMA马达结构请参考本申请实施例第一个方面所述的内容，此处不再一一赘述。
此外，图10提供了本申请实施例第三个方面所述的摄像头的防抖控制方法，如图10所示，摄像头的防抖控制方法100包括以下步骤：
步骤1001，通过摄像头上的抖动检测装置采集摄像头的抖动信号；
步骤1002，将抖动信号输入至微处理器中，经过分数阶PID控制器，输出为抖动信号相对应PWM占空比；
步骤1003，根据PWM占空比，通过微处理器发出对应的PWM波并通过导线传输至摄像头SMA马达的SMA丝，控制SMA丝的收缩量，其中SMA丝的收缩量用于对摄像头的抖动进行补偿，减小抖动误差。
具体地，在SMA马达外壳6处加装抖动检测装置(如陀螺仪MPU6050)，检测出抖动后，抖动信号作为控制系统的输入，输入信号进入BP-FOPID后，经过计算，输出为PWM波的占空比，由不同占空比的PWM控制SMA丝5收缩量的大小，之后在进行反馈(如电阻反馈)，使控制更加精确；SMA丝5两端连接固定板2和移动板3，移动板3与摄像头固定，固定板2不动，SMA丝5收缩则拉动移动板3，从而移动摄像头，用摄像头和固定板2的相对位移补偿摄像头的绝对位移，实现防抖的效果。
SMA马达形状记忆合金高温生产是预设为短的样子，在低温冷却后再拉长，再想办法让SMA丝受热使得其变短，就可以拉着镜头模组实现控制镜头移动来作为OIS。本申请提供的摄像头的防抖控制方法中，通过四路PWM波控制四根记忆合金，控制方法为分数阶PID，并通过BP神经网络来整定分数阶PID的五个参数。通过电阻进行反馈，通电使得SMA丝5发热收缩后电阻产生变化，就可以通过电阻变化知道SMA丝的收缩情况，实现对其的控制。
图10为PIλDμ控制器的结构图。参考图10，分数阶微积分的阶次不是取整的，可以是分数的、小数，甚至是虚数的，通常形如的形式表示其基本算子，其中t0和t分别表示为上下限，α可以取任意值，当α>0时，代表分数阶微分算子；当α＝0时，/>当α<0时，代表分数阶积分算子。数阶PID控制器的一般形式为PIλDμ控制器，包括一个积分阶次λ和微分阶次μ，其中λ和μ可以是任意实数。其传递函数为
图11为本申请实施例通过三层BP神经网络结构，来整定分数阶PID的五个参数。本申请BP神经网络分为三层，输入层，隐含层和输出层，隐含层选用一层。在本申请中，输入层为五个神经元，即Xi＝[e(k-2)，e(k-1)，rin(k)，yout(k)，e(k)]，而输出则是分数阶PID的五个参数Kp、Ki、Kd、λ、μ，而隐含层则是通过黄金分割法，并且通过试验确定为8个神经元。输入层的元素与输入层到隐含层的权值相乘得到输入层的输出I，同时也是隐含层的输入，输入层到隐含层的激活函数为f1(x)＝(ex-e-x)/(ex+e-x)，输入层的元素通过激活函数f1(x)，得到隐含层输出Oh，输出到输出层。隐含层到输出层的激活函数为f2(x)＝1/(1+e-x)，隐含层的输出Oh，同时也是输出层的输入，通过激活函数f2(x)得到输出层输出O。
上述是BP神经网络的前向传播过程，在前向传播过程之后进行误差反向传播。利用梯度下降的方法，通过输出值的差值计算误差，沿着权重方向减少，最终使误差降低。
图12是利用simlink对BP-FOPID进行的仿真。参考图12，首先用一个信号源模块对系统发射一组信号，信号经过控制器，控制器对被控对象进行控制，在进行反馈，示波器1-4分别显示跟踪信号和输入信号、跟踪信号、跟踪信号和输入信号中间的误差、控制器的输出。
图13-图16是当输入信号为阶跃信号时，示波器1-4的显示情况，图13和图14显示，在两秒之后与输入信号重合，图15显示误差2秒后变为0，图16表示控制器的输出在2秒后渐渐稳定。
图17-图20是当输入信号为正弦信号时，示波器1-4的显示情况，图17和图18显示，在两秒之后与输入信号重合，图19显示误差3秒后变为0，图20表示控制器的输出在3秒后渐渐稳定。由于SMA丝收缩量与加热功率成正比，所以PWM波占空比越大，相对应SMA丝收缩量越大，而这种BP-FOPID控制方法可以精确的控制PWM波的占空比，进而使输出的四路PWM波更加精确的控制SMA丝的收缩量，使SMA马达达到精确补偿摄像头抖动量的目的。
从而，在本申请中，需要用BP神经网络来对分数阶PID的五个参数来进行整定。BP神经网络分为三层，输入层，隐含层和输出层。而在本申请中，输入层为五个神经元，即Xi＝[e(k-2),e(k-1),r(k),y(k),e(k)]，而输出则是分数阶PID的五个参数Kp、Ki、Kd、λ、μ，而隐含层则是通过黄金分割法，并且通过试验确定为8个神经元。输入层到隐含层的激活函数为f1(x)＝(ex-e-x)/(ex+e-x)，隐含层到输出层的激活函数为f2(x)＝1/(1+e-x)，并且运用simlink对BP-FOPID进行建模。本申请通过对比BP-FOPID和BP-PID对正弦信号和阶跃信号的跟踪情况来判断哪一个更好。
以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种SMA马达，其特征在于，底板(1)、固定板(2)、移动板(3)、弹片(4)、SMA丝(5)和外壳(6)，其中
所述底板(1)位于最底部，所述固定板(2)在所述底板(1)上部固定连接，所述移动板(3)通过所述弹片(4)与所述固定板(2)相连，并位于所述固定板(2)的上面，所述SMA丝(5)一端固定在所述移动板(3)上，另一端连接在所述固定板(2)上，当通电时，所述SMA丝(5)收缩使得所述移动板(3)偏移补偿镜头抖动，所述外壳(6)与所述底板(1)相连。
2.根据权利要求1所述的SMA马达，其特征在于，所述底板(1)中间设置有通光孔，所述底板(1)上的圆柱凸起(101)，用于与所述固定板(2)上的圆孔(201)配合，以及与所述移动板(3)活动连接，使得所述移动板(3)相对于所述固定板(2)移动；
所述底板(1)的四个角设置有支架(102)，用于卡住所述固定板(2)；
所述通光孔周围设置有四个凸台(103)，用于连接所述底板(1)与所述固定板(2)；
所述底板(1)的底部设置有支座(104)，用于与所述固定板(2)的支架(204)配合；
所述底板(1)的四个角设置有凹槽(105)，用于连接所述底板(1)与所述外壳(6)。
3.根据权利要求2所述的SMA马达，其特征在于，所述固定板(2)设置有与所述圆柱凸起(101)配合使用的圆孔(201)；
所述固定板(2)中间通光孔的周围设置有四个通孔(202)，用于与所述凸台(103)配合使用；
所述固定板(2)相对的两个分别设置有夹爪(203)，用于固定四根所述SMA丝(5)
所述固定板(2)的底部设置有支架(204)，用于与所述底板(1)的所述支座(104)配合使用。
4.根据权利要求1所述的SMA马达，其特征在于，所述弹片(4)一端固定在所述移动板(3)的侧面，一端固定在所述固定板(2)的上面，通过所述弹片(4)将所述固定板(2)和所述移动板(3)连接，使得所述移动板(3)在沿光轴方向上固定。
5.根据权利要求3所述的SMA马达，其特征在于，四根所述SMA丝(5)与所述固定板(2)和所述移动板(3)连接，一端固定在所述固定板(2)的所述夹爪(203)上，另一端则固定在所述移动板(3)的夹爪(301)上。
6.一种摄像头，其特征在于，包括权利要求1和5任意一项所述的SMA马达、设置在所述SMA马达中间部位的镜头以及设置在所述SMA马达壳体的抖动检测装置。
7.一种权利要求6所述的摄像头的防抖控制方法，其特征在于，包括：
通过摄像头上的抖动检测装置采集摄像头的抖动信号；
将所述抖动信号输入至微处理器中，经过分数阶PID控制器，输出为所述抖动信号相对应PWM占空比；
根据所述PWM占空比，通过所述微处理器发出对应的PWM波并通过导线传输至所述摄像头SMA马达的SMA丝，控制所述SMA丝的收缩量，其中所述SMA丝的收缩量用于对所述摄像头的抖动进行补偿，减小抖动误差。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述分数阶PID控制器的传递函数为：
式中，Kp为比例增益系数，Ki是积分增益系数，Kd是微分增益系数，s是Laplace变量，λ是积分阶数，μ是微分阶数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过三层BP神经网络结构整定所述传递函数的参数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述三层BP神经网络结构包括输入层、隐含层以及输出层，其中
所述输入层到所述隐含层的激活函数为：f1(x)＝(ex-e-x)/(ex+e-x)；
所述隐含层到所述输出层的激活函数为：f2(x)＝1/(1+e-x)。
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