基于DSP的光电成像跟踪系统研究_硕士学位论文.doc

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1、基于 DSP 的光电成像跟踪系统研究 STUDY ON OPTOELECTRONIC IMAGING AND TRACKING SYSTEM BASED ON DSP 学位授予单位及代码：长春理工大学(10186) 学科专业名称及代码： 测试计量技术及仪器（080402） 研究方向： 精密测控技术与仪器 申请学位级别： 硕 士 2 摘 要 本论文旨在研制一套光电成像跟踪系统，该系统能在实验室条件下实现对动目标 的实时跟踪，为理解光电成像跟踪系统的构成和实际应用提供实验平台和原理演示平 台。 本文阐述了光电成像跟踪系统原理与组成，论述了光电成像跟踪系统的设计和实 现。 针对跟踪系统设备和系统指标

2、要求，确定了跟踪控制系统结构：控制系统由上 位机和下位机两级控制系统组成，上位 PC 机对 CCD 相机采集的图像进行光电图像处 理并提供人机界面，下位机采用基于 DSP 芯片的实验系统实现二维转台的实时控制， 二者之间通过 RS232 通信协议进行命令和数据的通讯。结合转台驱动元件步进电 机的矩频特性，对转台采用自适应控制策略，使二维转台的水平速度和垂直速度动态 地改变，使得转台实时的跟踪目标，实现了高精度跟踪控制。 关键词：光电成像跟踪 DSP 自适应控制 变速控制 串行通信 步进电机 Abstract This thesis aims at developing an photoelec

3、tric imaging and tracking system. This system can achieve real-time tracking to moving object in laboratory. Finally a experiment platform and principle demo platform can be provided for the reserach of the structure and practical application of optoelectronic imaging and tracking system. The theory

4、 and technique of engineering application is expounded in this paper.The designer and implementer of optoelectronic imaging and tracking system is discussed in this paper. In accordance with the researching tracking equipments and requirement of system index, the tracking control structure is confir

5、med: the master-slave control structure. The master-slave control structure based PC and DSP experiment system. The PC accomplish the processing of optoelectronic image collected by CCD camera and implement the human- computer interface. The real time control of two-dimensional numerical turntable i

6、s achieved by DSP experiment system. The communication of command and data between PC and DSP experiment system is accomplished through RS232 communication protocol. According to pulse-torque characteristics of stepper motor of two-dimensional numerical turntable, the adaptive control algorithm is a

7、dopted which can achieve high precision tracking control through dynamic changes of the velocity of horizontal axis and the velocity of elevation axis of the two-dimensional numerical turntable. Key words: optoelectronic imaging and tracking DSP adaptive control variable speed control serial communi

8、cation stepper motor 目 录 摘摘 要要 ABSTRACTABSTRACT 目目 录录 第一章 绪论.1 1.1 课题研究背景、目的及意义.1 1.2 光电成像跟踪系统国内外现状.1 1.3 论文主要研究内容.3 1.4 论文结构安排.3 第二章 光电成像跟踪系统总体设计方案.5 2.1 光电成像跟踪系统工作原理 5 2.2 光电成像跟踪系统组成.5 2.3 光电成像跟踪系统总体设计10 2.4 PC 机与 DSP 的通信设计.12 2.5 转台的控制方案设计12 第三章 系统硬件设计16 3.1 DSP 选型及 TMS320LF2407 简介.16 3.2 基于 DSP

9、的转台控制系统功能分析 .19 3.3 步进电机及其工作原理22 3.4 光电隔离模块27 第四章 系统的软件设计与实现28 4.1 主程序设计28 4.2 系统初始化设置28 4.3 SCI 串口通信模块设置29 4.4 脉冲输出子程序32 4.5 转台控制算法及其实现34 4.6 光电编码器测角信号处理子程序39 4.7 上位机（PC 机）人机界面设计 .40 第五章 实验结果及控制系统的改进意见45 5.1 DSP 仿真开发环境及 DSP 软件开发流程45 5.2 DSP 硬件仿真器47 5.3 实验系统介绍48 5.4 实验结果分析48 5.5 总结与展望50 致谢 51 参 考 文

10、献52 1 第一章 绪 论 1.11.1 课题研究背景、目的及意义课题研究背景、目的及意义 1.1.1 课题研究背景课题研究背景 光电成像技术是适应信息社会的需要而迅速发展的一门新技术分支学科。这一先 进的技术为人类有效地扩展了自身的视觉能力。利用光电成像技术，可在全黑的夜空 不用照明能像白天一样看清周围景物；可利用景物本身在常温下的辐射能获得可见的 图像信息；可通过视频信号的转换来完成图像的传输、存贮以及处理等功能。由于光 电成像技术首先在军事领域中得到了应用，因此这一技术已成为国防科技中至关重要 的专业技术。 随着光电编码技术、电视摄像技术、热成像技术、红外技术、数字图像处理技术 的不断进

11、步，光电成像跟踪技术自二十世纪六十年代以来 , 得到了极大的发展, 在 导弹制导、火炮控制、天文观测（空间飞行体和星体跟踪）、靶场测量、武器控制、 航天航空等领域有着极其广泛的应用1。此外，光电成像跟踪技术在工业及科学研究 中也有很多用途，如印刷包装中目标定位，工业检测、安防监控等。 1.1.2 课题研究目的课题研究目的 本课题来源于实验室学科建设项目，旨在研制一套光电成像跟踪系统， 该系统能 在实验室条件下实现对动目标的实时跟踪。该系统的设计主要是为了研究光电成像 跟踪装置如何能快速、准确的跟踪目标，并且为各种跟踪算法提供知识积累以及为理 论的实践提供实验平台。 1.1.3 课题研究意义课题

12、研究意义 光电成像跟踪系统是集光学技术、激光技术、计算机技术、信息处理、控制技术 等多学科为一体的现代高精跟踪系统2 。近年来，光电成像跟踪系统在许多领域获得 日益广泛和重要的应用，为国家现代化建设发挥着重要的作用。随着科学技术的迅速 发展, 光电跟踪技术无论是在军事领域还是在工业和科学研究领域都开始有了更加广 泛的应用。 1.2 光电成像跟踪系统国内外现状光电成像跟踪系统国内外现状 光电成像跟踪系统的研制始于 50 年代，是一种集光、机、电、算于一体的涉及到 微电子技术、计算机技术、光电子成像技术、信号处理、光学设计、光纤技术等领域 的综合系统。早在 50 年代初期，GAC 公司就为美国海军

13、开发研制了自动的识别跟踪系 统(ATRAN)。图像信息的获取和处理是成像跟踪的基础。进入 70 年代以来，随着相关 2 理论与技术的不断发展，成像跟踪技术无论从理论研究、还是从应用研究上都取得了 巨大的进展。在学术方面：自 W.Meger 和 G.Drius 报道了有关二维相关计算以来， Hef,Anuta,Blom,Batnea,Mauter 等人对成像跟踪研究领域的新思想、新方法、新进展 作了系统而全面的论述3。70 年代初期，自适应跟踪、智能跟踪的思想方法相继提出。 许多国际性刊物，如 IEEE on AES，IEEE on PAMI，IEEE on AC，Pattern ecognit

14、ion,Proceedings of SPIE 等成了许多专家、学者学术交流的重要园地。成像 跟踪是国内外研究的热门课题，国内的国防科技大学、西安电子科技大学、中国科学 院光电技术研究所、华中理工大学图像识别与人工智能研究所等，也都在成像跟踪领 域做了大量的工作，例如在目标与背景红外图像特征处理研究中，创造性地提出了算 法融合的思想，提出了基于背景预测的弱小目标检测算法，在线多目标处理技术及分 段控制随动系统策略等。近年来，一些专家、学者通过各种手段，如模式识别、人工 智能、图像信息智能融合等对智能成像跟踪技术的研究进行了尝试。近几年来，我国 的成像跟踪技术得到突飞猛进的发展，与国外的差距正在

15、逐步缩小，有些设备的先进 性也可同国外同步，相信国内和国外的差距会进一步缩小，尤其在可见光成像跟踪的 应用方面更可以独树一帜。 光电成像跟踪系统要具有较短的响应时间和较高的跟踪精度，因此要对光电成像 跟踪系统的控制子系统采用某种合理的控制算法，近些年来一些新型的控制方法不断 应用到光电成像跟踪伺服控制系统中来，提高了目标跟踪的稳定性。这些新型的控制 方法包括广义预测控制(GPC)、复合控制、共轴跟踪、智能控制、模糊控制、多模控 制、自适应控制、变结构控制、鲁棒控制、神经网络控制以及它们之间相互渗透形成 的混合控制。总而言之，随着自动控制理论的不断发展，光电跟踪中伺服控制系统新 的控制方法也随之

16、涌现，特别是自适应滤波和预测方法、数据融合技术的逐渐引入， 提高了目标发生机动时的跟踪的稳定性。而且计算机的离线应用，实现了对控制系统 的分析、设计和建模等的数字仿真，缩短了设计周期，提高了设计质量，减小了研制 风险。 如何在现有设备上不断提高光电跟踪精度有多种技术途径，如提高机械系统谐振 频率，提高探测系统采样频率，组成复合轴系统（二级或多级跟踪系统）等方案；这 些方案中提高机械系统谐振频率会受限于设计的极限，提高探测系统采样频率受限于 单元技术水平，组成复合轴系统（二级或多级跟踪系统）是一个很好的方案，而且精 度可达到很高，但有些系统要求在不组成复合轴的情况下对跟踪精度要求很高。因此， 研

17、究提高光电跟踪精度的控制方法是有重要价值的。 实时成像跟踪是一个有着重要研究意义的课题，同时又富有一定的挑战性，随着 科学技术的进步和现代战略技术的发展，人们发现提出新的目标跟踪概念和体制是完 全可能的。 3 1.3 论文主要论文主要研究内容研究内容 本文的主要工作如下： （1）本文采用 DSP 实验系统、PC 机、CCD 摄像头、图像采集卡、二维精密电 控旋转台、两相混合式步进电机驱动器 MA335B、绝对式光电编码器、RS232 无源转 换器、光电耦合器等硬件，构建基于 DSP 的光电成像跟踪系统的试验平台。在构建 的硬件平台上进行系统软件程序开发与调试。 （2）本文光电成像跟踪系统采用上

18、位 PC 机和基于 DSP 的下位机两级式系统【4】。 上位 PC 机主要完成图像采集、处理和管理功能，为操作者提供良好的人机接口，采 用基于 DSP 的下位机完成转台实时控制功能，上下位机之间通过并行接口或串行接 口进行通信。 （3）在实验室现有 CCD 摄像机和图像采集卡的基础上，视频图像采集与处理由 上位 PC 机进行，针对本系统所采集图像的特点，在环境条件改变较小的情况下(如室 内)，可以采用简单的当前图像与背景图像相减或连续的帧间相减的方法来检测出被 跟踪目标。上位 PC 机除完成对 CCD 采集的视频图像的存储、处理外，还要完成和下 位机 DSP 的实时通信和系统状态监测等。 （4

19、）结合 DSP 的 C 语言开发环境特点，采用 C 语言和汇编语言混合编程的方法 完成对二维转台的实时控制，使得整个系统调试相当方便。对转台的控制过程中，根 据自适应控制原理，采取变速控制方案，大大提高了转台实时跟踪的快速性和稳定性。 1.4 论文结构安排论文结构安排 第一章介绍了本文研究的背景、意义、目前该领域研究现状与发展以及成像跟踪 系统的构成，最后说明了本文的主要工作和论文的总体安排。 第二章介绍了光电成像跟踪系统总体设计方案。首先论述了光电成像跟踪系统的 工作原理，介绍光电成像跟踪系统组成，并详细分析了各组成部分的功能，在分析论 述各组成部分功能的基础上确定本系统的总体设计方案。并详

20、细阐述分析了光电成像 跟踪系统通信方案以及转台变速控制方案。 第三章给出整个系统的硬件设计方案。首先在确立转台核心控制器件 （TMS320LF2407）的基础上对 DSP 实验系统（该实验系统的 CPU 板为 C2000 系列 的 TMS320LF2407ADSP 微处理器）做了详细的描述与分析。之后对基于 DSP 的转台 控制系统的功能和转台驱动元件步进电机的工作原理、特点、及其运动控制方法 做了具体的分析。 第四章系统软件设计与实现。本章重点分析了基于 DSP 的转台变速控制算法及 其实现，同时对系统初始化程序、DSP 与上位 PC 机串口通信子程序、脉冲输出子程 4 序、光电编码器测角信

21、号处理子程序、上位机人机控制界面的设计等做了详细阐述。 第五章实验结果及控制系统的改进意见。本章首先介绍了 DSP 的软件开发环境 CCS(Code Composer studio)的整体特点以及 CCS 内所集成的开发工具。给出系统实验 结果，并对试验结果进行分析与讨论。最后总结本论文的主要工作，提出对本系统的 改进方案，同时对整个光电成像跟踪系统做出展望。 5 第二章 光电成像跟踪系统总体设计方案 实时光电成像跟踪系统的主要任务是从目标的图像序列中检测运动信息，估计运 动及参数并给出伺服机构控制算法，从而使光电成像跟踪系统准确跟踪目标或目标特 征的运动轨迹。 2.1 光电成像跟踪系统工作原

22、理光电成像跟踪系统工作原理 光电成像跟踪系统通常是由探测系统及伺服机构联合组成的。探测系统提供测量 信息，伺服机构完成对目标的跟踪，如图 2.1 所示： 探测系统 伺 服 机 构 探测器 图像采集、 处理设备 运动控制设备承载转台 监视器 图 2.1 光电成像跟踪系统架构 探测器安装在承载转台上，探测器输出的电视制式的信号(含有图像和同步、行 场消隐信号)一路送到监视器上进行实时监视，另一路经过视频预处理，A/D 变换后送 入图像处理单元进行图像处理，图像处理单元首先形成一个检测(波门)窗口，然后在 窗口中检测、识别、提取出目标图像信号，进行目标跟踪处理，确定出目标在当前帧 观测图像中的精确坐

23、标，送至承载转台控制模块，经过控制模块的转换计算得到目标 相对于探测器瞄准线的偏差量，控制模块根据偏差量输出相应控制信号使承载转台转 动，带动转台上的探测器转动，使目标始终处于探测器视场中心。 2.2 光电成像跟踪系统组成光电成像跟踪系统组成 作为一个自成体系的测量跟踪系统，光电成像跟踪系统应能探测并跟踪近距离运 动目标（如：低空或超低空飞行的无人侦察机、巡航导弹、高速战斗机、武装直升机 等） ，提供有效的作战信息目标方位角度、目标俯仰角度和目标斜径(距离)等，此 外还要提供当前角跟踪误差，目标方位、俯仰角速度等辅助信息以提高实时跟踪精度。 对光电成像跟踪系统的功能要求，决定了系统的构成。典型

24、光电成像跟踪系统主 要由以下几个设备组成，每个设备有若干单元，见图 2.2： 6 光 电 成 像 跟 踪 系 统 转台跟踪设备 转台控制设备 目标探测设备 （红外/电视/CCD） 垂直轴系单元 水平轴系单元 测角单元 信号处理单元 功率电源单元 信号采集单元 功率驱动单元 数字控制单元 图 2.2 光电成像跟踪系统组成框图 2.2.1 目标探测设备目标探测设备 目标探测设备是光电成像跟踪系统的重要组成部分，其任务是对目标进行光电 探测，监视和记录。可由 CCD 成像设备、电视跟踪测量设备或红外跟踪测量设备组 成。 目前，常用的光电成像系统的探测器有两种：一种是 CCD（电荷耦合）器件； 另一种

25、是 CMOS（互补金属氧化物导体）为代表的固体成像器件。 考虑到 CCD 成像设备无扫描畸变、信息处理容易，并且便于与计算机接口的突 出特点【5】，本系统采用 CCD 成像设备完成光信号采集、并通过视频采集卡将数字化 信号送往计算机的重要工作。Windows 提供的 Video for Windows(VFW)为系统的设计 提供了一个方便的编程接口，通过这个接口，既可以直接观测整个视频采集的动态过 程，又能够有效的控制视频数据的采集过程。该接口可以被大多数的视频采集卡（采 集卡可以支持摄像头、TV 等多种输入）支持，并有多种视频驱动供选择。因而，只要 为 CCD 电视摄像头辅以合理完善的软件平

26、台，充分利用计算机强大的数据处理能力， 即可构成 CCD 图像识别系统，为实验者提供一个直观、可操作性好的用户操作平台。 CCD 图像系统组成原理图如图 2.3 所示： 光学物镜CCD 摄像机图像采集卡计算机系统 专用电源驱动软件 探测器单元 7 图 2.3 图像识别系统组成原理框图 本系统 CCD 摄像机的专用电源须采用 12V 直流电源接入 DC IN(+12V)，并且同轴 电缆接在 CCD 摄像机的 VIDEO OUT，将视频信号输入到计算机的视频采集卡上。 2.2.2 转台跟踪设备转台跟踪设备 跟踪转台设备是光电成像跟踪系统中最核心的重要基础设备，可在其上安装用于 目标探测的 CCD/

27、红外跟踪测量头、激光测距测量头等重要设备，完成对目标的跟踪 探测。 1）转台系统的功能【6】 （1）转角位置伺服控制 转台工作在位置伺服控制方式，可以按给定位置指令要求伺服调节各轴位置。 （2）转角速度伺服控制 转台工作在速度伺服控制方式，可以按给定速度指令要求伺服调节各轴速度。 （3）转台限位告警 转台限位有软限位和硬限位两种：转台的软限位是在控制器面板上任意设定限位 值，当转台转角大于软限位值时，由软件程序处理发出限位告警指示和指令；转台硬 限位由安装在台体的限位开关实现，当转台的转角大于硬限位，限位开关闭合，接通 转台的保护与告警电路，转台转入保护动作。 （4）转台保护告警 转台的保护指

28、：功率放大器故障、转台越位、手动应急等。当出现转台保护告警 时，转台控制器响应动作为：转台伺服电机与功率放大器脱离。 （5）转角的实时显示 转台控制器能提供转台转角的实时数值显示(一般转角指示分辨角为)。0.1 （6）微机监控 转台数字控制器采用微机数字控制，转台控制具有与上位微机接口的能力，转台 控制器可以接受监控器的指令或上位微机的指令，并可将转台的位置传上位微机。 2）转台总体结构设计的研究 转台框架的主要结构有封闭的 O 型，敞开式的 U 型和 T 型 3 种：O 型结构对称 性好、整体刚度大、易于实现整圈旋转、结构简单、紧凑、体积小、结构频率高，适 于高速旋转，一般用于内框架和中框架

29、；U 型和 T 型结构对称性差、整体刚度差、用 于低速摆动运动、应考虑配重问题、结构复杂、体积大、要实现较高的结构频率时， 结构笨拙，一般用于外框架和中框架。 本文在实验室现有 O 型精密电控旋转台 RSA200（用于水平 X 轴）的台体上固定 一个 U 型外框架，用于俯仰轴。U 型的外框架结构简单，转动惯最小，并可相应缩 小台体总体尺寸。两轴转台的轴系均采用精密机械轴承支撑、步进电机驱动、绝对式 8 光电编码器作为角度测量和反馈元件。图 2.4 为二维电控旋转台示意图： 图 2.4 二维电控旋转台示意图 二维转台原理框图如图 2.5 所示： 俯仰/方位 运动控制器 图 2.5 二维转台原理框

30、图 3）二维转台技术指标 根据系统的要求，二维转台的技术指标如下： （a）跟踪角度转动范围： 方位：无限制，n360 俯仰：-70+80 （b）跟踪角速度： 方位： 020/S 俯仰： 010/S （c）重复定位精度： 方位：0.1 俯仰：0.1 （d）转台负重：10Kg 2.2.3 转台控制设备转台控制设备 转台跟踪控制设备是实现对转台随动控制的核心部件。它的主要任务是接收上位 机（PC 计算机）的方位和俯仰的位置指令，实时读取方位和俯仰两个光电编码器的 测角读数，按一定的控制算法进行运算，得出方位和俯仰电机的控制指令值，送到驱 俯仰/方位测角信号 脉冲信号 方向信号 俯仰/方位 步进电机

31、俯仰/方位 驱动器 光电 编码器 9 动器，由驱动器驱动电机转动，从而实现方位和俯仰电机的位置随动控制；另外，跟 踪控制设备还接受并执行上位机（PC 计算机）的指令，对方位和俯仰驱动器的状态 进行监控，并将监控结果发送给上位机。 目前，国内高精度转台跟踪控制设备的硬件实现主要有三种方式7： （1）基于单片机的伺服控制卡 这类卡一般以 8031、8051、8096 等单片机作为微处理器，加上存储器、编码器 信号处理电路、D/A 转换电路、通信接口电路等构成一块插卡直接插入 PC 机的总线 扩展槽中，以一个外部设备的方式被 PC 访问。 基于单片机的伺服控制卡采用元件较多，尺寸较大，可靠性较差，控

32、制参数不易 改变。受单片机输入、输出通道数和运算速度的限制，这类控制卡一般只能控制 12 轴，而且由于卡上 ROM 容量的限制，控制程序不能太大，不能采用较为复杂的 控制算法，不适用于高精度、高速度控制场合。目前在国内主要用于经济型数控系统。 （2）基于专用运动控制芯片的伺服控制卡 80 年代后，国外半导体厂商推出了直接面对伺服控制任务的专用运动控制芯片， 如美国国家半导体公司的 LM628 运动控制芯片、Galimotion 公司的 GL1000、GL2000 等。它们均可从硬件一级完成对电机的位置和速度控制，控制精度高，性能可靠。 基于专用运动控制芯片的伺服控制卡使用户能方便灵活地构造伺服

33、控制系统，减 轻了用户花在伺服控制上的时间，同时也提高了伺服系统的可靠性。但这类卡也存在 控制算法简单、板卡集成元件较多等不足之处。 （3）基于数字信号处理器(DSP)的伺服控制卡 数字信号处理器(DSP)专为信号处理而设计，是解决实时处理要求的单片可编程 处理芯片。它使用灵活，在用于实现数据量大、计算复杂、实时性要求高的信号处理 任务时，与一般微处理器相比，其速度更快、效率更高。DSP 强大的运算功能，使其 在伺服控制中得到了越来越广泛的应用。许多公司研制了以 DSP 为微处理器的伺服 控制卡，这些卡一般以 PC 机为硬件平台，以 DOS 或 WINDOWS 为软件平台，使用 很方便。 无论

34、是基于单片机的伺服控制卡、基于专用运动控制芯片的伺服控制卡、还是基 于 DSP 的伺服控制卡，它的一般构成都不外乎以下几部分，如图 2.6 所示： 10 总线接口 MCU 或 DSP 最小系统 I/O 接口 反馈 输入 调频脉 冲发生 模块 步进电机 驱动器 图 2.6 运动控制器的一般构成 总线接口用于与上位机连接，实现上下位机的通信；MCU 或 DSP 实现对执行 机构的实时控制；脉冲发生器用于产生控制步进电机驱动器的脉冲信号；反馈输入是 指实现闭环控制时，检测装置的输出；I/O 接口用于限位开关、原点开关等信号的输 入以及外部使能等信号的输出。 2.2.4 测角单元测角单元 测角单元作为

35、转台角位置的测量及反馈是转台随动控制系统中最重要的环节，它 在某种程度上决定了系统的性能8。测角单元可将检测到的实际位移反馈给控制设备， 控制设备根据检测到的运动部件的实际位移和速度状态，来调整输入控制量，使转台 稳定在正常运行状态，并使运动部件的实际位移与指令要求一致，从而满足光电成像 跟踪系统的精度和可靠性的要求。 目前，角位置传感器种类很多。最常用的是按其工作原理来进行分类，例如电位 器式角度传感器，光栅式角度传感器，磁栅式角度传感器9等等。比较光栅、感应同 步器和码盘这三种传感器，其共同特点是：易数字化，适用于静、动态测角，精度较 高，信号转换与处理电路复杂。但综合考虑分辨率、精度、元

36、件稳定性及对环境的要 求、成本等诸多因素，本测角系统采用光电轴角编码器。 光电轴角编码器是一种应用广泛的编码式数字传感器，它利用光电转换原理直接 将位移或角度的模拟信号转换成相应的电脉冲或数字量，具有分辨率高、体积小、精 度高、工作可靠和接口数字化等优点，所以在各类运动控制系统中，常常采用光电编 码器作为角度反馈检测元件。 根据形成代码的方式不同，光电轴角编码器分为增量式和绝对式两大类：增量式 编码器的码盘，其码盘的刻线均一，对应每一个分辨率区间，可输出一个增量脉冲， 计数器相对于基准位置(零位)对输出脉冲进行累加计数，正转则加，反转则减。增量 式编码器的优点是易于实现小型化，响应迅速，结构简

37、单，其缺点是掉电后容易造成 数据损失，且有误差累积现象；绝对式光电轴角编码器一般使用二进制码盘，码盘上 的码道按一定规律排列，对应每一分辩串区间有唯一的二进制数，因此在不同的位置， 11 可输出不同的数字代码。绝对式光电轴角编码器同增量式相比，具有固定零点，输出 代码是轴角的单值函数，抗干扰能力强，掉电后再启动无须重新标定，无累积误差等 优点，因此越多地应用于工控定位中，其中最主要的就是应用于高精度的数控机床和 伺服系统。绝对式光电轴角编码器的缺点是制造工艺复杂，不易实现小型化。 本系统采用整装绝对式光电轴角编码器，方位和俯仰各一个，通过精密联轴节将 光电轴角编码器分别安装在二维转台的俯仰轴和

38、水平轴上。在选择轴角编码器时，要 考虑被测元件的精度，要使它能与被测元件的精度相匹配，一般编码器的精度要高于 被测元件的精度。 2.3 光电成像跟踪系统总体设计方案光电成像跟踪系统总体设计方案 基于 DSP 的光电成像跟踪系统选用上位 PC 机加基于 DSP 的控制系统的两级控 制模式，上位机除了负责系统的光电图像处理之外，还要完成系统的综合管理、人机 交换和 DSP 的通信等。 本系统采用 CCD 光电探测器作为光电成像元件，CCD 摄像头安装在二维跟踪 转台上，CCD 摄像头输出的电视制式的图像信号传给计算机（PC 机） ，由 PC 机图像 处理单元完成图像预处理、目标检测，提取出被跟踪目

39、标，确定出目标在当前帧观测 图像中的精确坐标，经过串行口下传给下位机 DSP 控制系统，DSP 控制系统计算得 到目标相对于摄像头瞄准线的偏差量，输出控制信号控制转台步进电机转动以带动转 台上的 CCD 摄像头转动，使目标始终处于视场中心。光电成像跟踪系统总体结构方 案如图 2.7 所示： PC 机图像处理单元 CCD 光电 探测器 光电 图像采集 光电图像 预处理 光电 目标检测 二维 电控旋转台 DSP 处理器 驱动器 光电编码器 图 2.7 光电成像跟踪系统总体结构框图 PC 机图像处理单元在光电成像跟踪系统中主要实现图像数据采集、存储与实时 处理，主要完成以下任务： （a）采集、存储光

40、电图像，并进行校正； （b）实现光电目标的实时检测； 12 （c）输出目标与探测器光轴的偏差； （d）实时录取侦察过程的视频录像，采集重要的光电图像； （e）完成系统故障自检。 上位机采用可视化语言（如 VB、VC+）容易建立良好的人机界面，便于用户 实现向下位机发送自检信息，并在检测到故障时进行故障处理，设置转台的工作状态 和工作参数，向下位机发送命令，接收下位机送回的信息，对出现的异常情况进行报 警，以及数据的采集与处理等工作；基于 DSP 处理器的下位机是二维转台的实时控 制系统，它接受上位机传送过来的指令和数据并对转台电机的驱动电源进行具体的控 制，实现复杂的运动控制算法，比如变速控制

41、、插补（用于两轴或多轴转台步进电机 控制）等【11】，此外下位机还要根据上位机的命令完成对转台各种运动状态的实时控 制，主要实现对转台测角系统（如：光电编码器、旋转变压器、感应同步器等）的实 时监控和测角数据的读取、处理以及转台数据的及时回传等工作【10】。 2.4 PC 机与机与 DSP 的通信设计的通信设计 上位 PC 机与下位机 DSP 控制系统之间的数据传递是整个系统中很重要的环节， 根据控制要求的不同可以采用不同的总线连接方式： （1）ISA 总线。早期电机控制与 PC 机的结合是通过 ISA 总线实现的。ISA 总线 是一种 8 位或 16 位非同步数据总线，工作频率为 8MHz，

42、数据传输率在 8 位时为 1MB/S，16 位时为 2MB/S。但是 ISA 总线的响应速度较慢，并且在多任务的操作环 境下占用太多的系统资源，这成为限制 ISA 总线发展的瓶颈。 （2）PCI 总线。PCI 总线是一种同步的独立于 CPU 的 32 位或 64 位局部总线，最 高工作频率 33MHZ，数据传输率为 132MB/S。并且 PCI 总线上的外围设备可与 CPU 并发工作，提高了系统的整体性，但是其协议规范较为复杂。 （3）USB 总线。USB 总线支持即插即用，可扩充至 127 个外部设备，因此可以 实现多台电机同时的多自由度的复杂运动，12MBPS 的高速传送速度，已能满足大部

43、 分外围设备的传输使用(在 USB2.0 规范中的高速模式已能达到 480M/S)。 （4）串行总线。最常用的 PC 机外围扩展接口，规范协议较为简单，但是由于是 串行通信，收发数据各自只通过一条线完成，其传输速率较低，适用于对传输速率要 求不是很高的系统中。 根据不同的系统要求，可以选用不同的总线扩展下位机控制系统，以达到实时控 制的目的。在选择采用什么总线进行通讯时，首先要考虑的是可靠性，其次是传输速 度和开发周期。ISA 总线传输速率慢，并且开发周期也比较长，现在已经基本上被 PCI 总线所取代了。PCI 总线可靠性高、传输速度快，但是其开发周期长，它的总线 规范也相当复杂，不适合在短期

44、开发里采 13 用。剩下的 USB 总线和 RS-232 串行总线，USB 总线的传输速率在 2.0 规范中可以和 PCI 总线相比，其开发周期也相对较短；RS-232 串行总线的传输速率较低，但是它的 开发是最容易的。所以现在考虑当适当提高 RS-232 串行总线的传输速度时，能否满 足电机连续运行的要求，如果可以就选择 RS-232 串行总线，如果不行就采用 USB 总 线。 在串行通信中，系统选用了异步通信，其特点是通信双方以一个字符作为数据传 输单位，且发送方传送字符的间隔时间是不定的，在传输一个字符时总是以起始位开 始，以停止位结束12。采用这种通信方式，硬件电气连接简单，且在 PC

45、 机上针对 串口编程接口方便，通常最高波特率设定在 9600bps 左右。如果用串行同步方式可 提高传输率，但需在 PC 机上扩展设备。故本系统采用的通信方式为串行异步通信方 式。串行接口标准采用 RS-232 接口标准。 2.5 转台的控制方案转台的控制方案设计设计 光电成像跟踪系统视野的平移是通过对转台的控制来实现的，而转台的控制是通 过选择合理的水平和垂直旋转角度和来实现的13。 2.5.1 转台控制参数的计算转台控制参数的计算 在跟踪系统中，图像处理单元送出目标形心与图像中心的位移偏差（、），xy 先将其转换成转台控制参数(、)，其中为转台水平方位角移动量，为转 台俯仰角移动量。假设视

46、野水平视角和垂直视角分别为和，成像时的摄像头焦距 为。设图像水平方向长度为，垂直方向长度为。其中，、为己知，fwhwh 由于没有标定，是未知量，见图 2.8。f 现以水平方向为例，说明图像坐标系平移与转台旋转角度的对应关系。图像x 成像在焦平面上，所以有 （2.1）tan( /2)/2fw （2.2）ftgx 解之得 （2.3） 2 arctan( /2) x tg w 同理得 （2.4） 2 tantan( /2) y arc h 14 一般情况下，和都比较小，所以有 （2.5） x w （2.6） y h 上位 PC 机把经图像处理得出的坐标偏差通过串口协议下传给 DSP 控制系统， DS

47、P 控制系统经过运算得到偏差角数据(、)，并发出相应方向脉冲和 PWM 控 制脉冲信号给二维转台的步进电机驱动器，直接调整两个电机的转向和转速。 图 2.8 图像坐标系平移与转台旋转角度的对应关系图x 2.5.2 转台变速控制的提出转台变速控制的提出 在基于 DSP 的转台控制算法中，主要实现二维转台的水平轴和俯仰轴电机速度 和方向的控制。若采用水平轴和俯仰轴电机速度不可变的控制算法，这样存在着一定 的缺陷。 下面以水平方向为例来说明： （2.7）/ xx tw 式中，是水平方位角移动量，是水平旋转角速度，是目标在水平方向回到视 x w x t 场中心所需要的时间，由上式可知，根据水平方位角移

48、动量和水平旋转角速度得出其 相应转台电机运行时间，当过大、相对过小时，电机在水平方向运行时间过长， x w 灵敏度差，反应太慢，跟不上目标；当过大、相对过大，这样得出的时间很小， x w 造成转台反应过于灵敏，抖动性过大，目标就不能准确的回到视场中心。为了改善这 种情况，根据自适应控制原理，提出了变速控制方案。 2.5.3 变速控制的原理依据变速控制的原理依据 自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓“不确定性” 15 是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知的因素和 随机因数。在本系统的设计中，由于被跟踪目标在运动，所以其所在环境也在变化， 适合采

49、用自适应控制方法。本文转台自适应控制系统结构图如图 2.9 所示。 u 速度给定 偏差角给定 _ 功率放大执行机构转台 信号反馈 图 2.9 转台自适应控制系统结构图 转台控制系统的自适应变速算法的设计是基于模型参考自适应控制的原理来实现 的。模型参考自适应控制系统由以下几部分组成，即参考模型、被控对象、反馈控制 器和调整控制器参数的自适应结构等几部分【14】。在系统中，给定了一个参考速度和 参考偏差角，控制器参数的自适应调整过程是这样的：当经 DSP 处理后得到的偏差 角与给定偏差角的比值绝对值大于 1 时，自适应控制的输入信号 u 将随着改变，调节 偏差角与给定偏差角的比值绝对值小于等于 1，转台摄像头将以参考速度动作，直到 目标形心中心与图像形心的坐标重合。即：当目标形心坐标与视场中心坐标之差在某 一设定值之内时，此时，控制转台只需微调，使得形心坐标和视场中心坐标重合，转 台以水平旋转初速度和垂直初速度向视场中心移动。当目标形心坐标与视场中 0x w 0y w 心坐标之差在某一设定值