西安武警工程大學信息工程系 楊尚東

西安武警工程大學裝備工程學院 鄧春澤

1 鏡頭控制器

機載攝像鏡頭控制器需要具備良好的實時性、可靠性、嵌入性和低功耗等特點。實時性要求指令或信令能夠以最快的速度完成處理并輸出控制信號；可靠性要求具備較強的抗干擾能力；嵌入性要求重量輕、體積小。由于采用同步快速聚焦設計，對控制器的CPU資源占用會變得非常小，結合微小型無人機攝像鏡頭控制系統(tǒng)的設計需求，本文的設計完全可以利用微小型無人機飛控處理器的剩余運算能力來實現(xiàn)。因此本文采用STM32F103RB ARM處理器的富余I/O資源，以接口函數(shù)的形式加入原有飛控程序中，既減少了系統(tǒng)耗電，又省去了處理器之間的數(shù)據(jù)通信。STM32F103RB ARM處理器是ST公司生產的一款功能強大的微控制器產品，廣泛用于家用電器、應用控制、醫(yī)療、手持設備、PC游戲外設、GPS平臺、可編程控制器、變頻器、打印機、警報系統(tǒng)等領域，該芯片作為微小型無人機飛行控制與導航的CPU，具有高性能、低成本、低功耗的特點。

本文的設計采用STM32F103RB處理器定時功能產生控制信號，主要完成以下工作：（1）通過16位的定時器，控制步進電機的周期和步長，實現(xiàn)步進電機周期在幾微秒到幾毫秒之間的調整。（2）通過驅動器MD127芯片將處理器4個富余I/O口輸出的時序方波轉變成2個步進電機的驅動信號，當定時器溢出位時，產生內部中斷，進行單步驅動，通過調整定時長度控制步進電機的速度。

2 鏡頭控制系統(tǒng)硬件設計

鏡頭控制主要由ARM處理器、步進電機驅動器、步進電機、地面控制端、數(shù)傳電臺等部分組成。步進電機驅動電路完成的主要功能為：步進電機的正反轉、速度控制，對步長的精確控制，按照CPU計算結果實現(xiàn)鏡頭的變倍同步聚焦；地面控制端對微小型無人機攝像鏡頭進行實時變焦，確保圖像信息的清晰采集，同時完成對鏡頭的實時控制。飛控系統(tǒng)中的ARM處理器除完成姿態(tài)測量、飛行控制和遙控遙測通信外，其富余的資源還可用于鏡頭的控制；數(shù)傳電臺的任務是實現(xiàn)地面控制端與微小型無人機之間的通信，將地面控制端的指令、信令按照要求快速、準確地傳到無人機飛行控制器上，同時機載數(shù)傳電臺將無人機的姿態(tài)、GPS坐標、速度和壓縮處理后的圖像信息等實時傳送到地面控制端。

步進電機安裝在鏡頭上方，鏡頭通過卡槽與CCD傳感器芯片相連，步進電機轉軸與減速齒輪嚙合，步進電機轉動時，通過減速齒輪推動固定在鏡頭內側凹槽上的兩組鏡片。驅動電路的驅動器采用SiTI公司的MD127，它是一個低電壓操作，高效率MOS控制驅動器，芯片具有小型化、輕量化的特點，并具有熱關斷保護功能。驅動器芯片的四個輸入引腳連接單片機的四個I/O口，通過驅動器的兩組對稱輸出引腳來控制步進電機，如圖1所示。

圖1 電機驅動硬件電路

3 鏡頭控制系統(tǒng)軟件設計

鏡頭控制系統(tǒng)的軟件程序根據(jù)設定的模式對鏡頭發(fā)出各種控制信號，驅動鏡頭完成該模式下的各種動作，并根據(jù)所獲得的參數(shù)來判斷鏡頭是否正常工作，并且與外圍電路以及地面控制端進行數(shù)據(jù)傳輸。鏡頭控制系統(tǒng)軟件主要由主控制程序、定時中斷服務程序、步進電機位置控制程序、步進電機加減速控制程序等構成。

主控制程序通過對指令或信令的解析，判斷步進電機的停止和正反轉等狀態(tài)，其流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

定時中斷服務程序將脈沖信號傳送到MD127驅動器中，完成步進電機的方向和速度變換，實現(xiàn)變倍同步聚焦，本文設計的系統(tǒng)采用定時中斷實現(xiàn)單步步長，定時中斷服務程序如圖3所示。

圖3 定時中斷服務程序實現(xiàn)步進電機單步運行

步進電機位置控制程序的工作方法為：步進電機每走一步，步數(shù)減1，當執(zhí)行機構到達目標位置時，如果沒有失步存在，步數(shù)正好減到0，因此，用步數(shù)等于0來判斷是否移動到目標位，作為步進電機停止運行的信號。絕對位置參數(shù)可作為人機對話的顯示參數(shù)，它與步進電機的轉向有關，當步進電機正轉時，絕對位置隨每次步進加1；當步進電機反轉時，絕對位置隨每次步進減1。每次定時器周期中斷都表示步進電機已經走了一步，因此，需要對相對位置進行加減1操作，根據(jù)轉向對絕對位置進行加1或減1操作，并且還要判斷絕對位置是否越界，相對位置是否為0。絕對位置在處理器內存中實際的物理意義就是當前鏡頭對應的焦距（變焦倍數(shù)），這一參數(shù)配合高度信息可以為地面站判斷目標景物大小提供參考依據(jù)。步進電機位置控制子程序在每次定時器周期中斷時調用一次，其流程圖如圖4所示。

圖4 位置控制程序流程圖

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