魏 雅

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 咸陽 712000)

【信息科學(xué)與控制工程】

基于云臺的無線視頻監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏 雅

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 咸陽 712000)

針對消防危險(xiǎn)火場畫面實(shí)時采集、海上監(jiān)視畫面采集、道路實(shí)時監(jiān)控、 密集環(huán)境視頻勘察、自我識別、宣傳等方面的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于云臺的無線視頻監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)通過姿態(tài)的融合算法及穩(wěn)定云臺的控制算法，采用無線網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定云臺、單片機(jī)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定視頻采集、實(shí)時畫面無線傳輸、智能避障、自動語音播報(bào)等功能。

無線圖傳；穩(wěn)定云臺；語音播報(bào)；微處理器；PID算法

隨著科技的發(fā)展和生活水平的提高，圖像監(jiān)控越來越被廣泛地應(yīng)用于航拍、安防監(jiān)管、交通監(jiān)控等領(lǐng)域[1]，極大地提高了人們在娛樂、生活和工作中的安全系數(shù)。近年來被監(jiān)控對象的種類日益豐富，目標(biāo)移動軌跡更加不確定，工作環(huán)境更加復(fù)雜，使得原先固定不動的監(jiān)控設(shè)備已不能很好地滿足人們對動態(tài)監(jiān)控的需求。因此，可移動的設(shè)備如何解決運(yùn)動過程中振動帶來的不良影響，始終保持移動過程中的畫質(zhì)清晰和準(zhǔn)確對焦，這是一項(xiàng)需要克服的難題。

就上面的問題，運(yùn)用穩(wěn)定云臺、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，設(shè)計(jì)一套無線視頻監(jiān)管系統(tǒng)，具備穩(wěn)定視頻采集、實(shí)時畫面顯示、無線傳輸、智能避障、自動語音提醒等功能，以滿足不同用戶、不同環(huán)境的需求。

1 研究進(jìn)展

在前期的課題研究中，已經(jīng)設(shè)計(jì)了一款能自動控制并且可遙控的智能小車?；诒狙芯康囊?，在智能小車上掛載一個高清運(yùn)動相機(jī)，并將攝像頭采集到的視頻實(shí)時傳輸?shù)斤@示終端上，模擬實(shí)現(xiàn)FPV(第一人稱駕駛)；在智能小車上增加距離檢測傳感器，可根據(jù)傳感器測量值進(jìn)行簡單避障；在智能小車上增加語音功能模塊，可在一定情況下發(fā)出特定語音提示；在智能小車上增加穩(wěn)定云臺，穩(wěn)定云臺掛載高清運(yùn)動相機(jī)，可使攝像頭在車輛顛簸的時候，始終保持穩(wěn)定，確保采集的圖像穩(wěn)定，無抖動。

2 主要硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展功能要求，系統(tǒng)由無線圖傳發(fā)射模塊、無線圖傳接收模塊、無線圖傳顯示終端、高清運(yùn)動相機(jī)、避障模塊、語音模塊、穩(wěn)定云臺和云臺控制模塊組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1。

圖1 硬件框圖

無線圖傳發(fā)射模塊主要功能是接收高清運(yùn)動相機(jī)的圖像采集數(shù)據(jù)[2]，通過5.8G無線射頻發(fā)射出去；無線圖傳接收模塊接收到發(fā)射模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)后，顯示在無線圖傳終端顯示器上。當(dāng)車體出現(xiàn)傾斜、顛簸時，云臺控制模塊通過一個ARM單片機(jī)控制兩軸云臺電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，保持云臺掛載的相機(jī)始終相對于大地平穩(wěn)，確保相機(jī)拍攝的圖像平穩(wěn)。同時，云臺控制模塊還不斷檢測避障模塊的信息，一旦檢測到車體與前方障礙物達(dá)到一定距離時，控制語音模塊發(fā)出特定的聲音提醒。整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，使采集到的畫面清晰可見。

2.1 系統(tǒng)主控部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控部分使用ST公司生產(chǎn)的STM32系列ARM微處理器，它具有高性能、低功耗的特點(diǎn)[3]，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成兩個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/計(jì)數(shù)器和一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計(jì)數(shù)器。圖2所示為控制器部分的MCU最小系統(tǒng)電路原理圖。

2.2 云臺控制模塊的設(shè)計(jì)

如圖1所示，云臺控制模塊由云臺電機(jī)的驅(qū)動電路[4-5]、姿態(tài)解算電路、超聲波信息采集電路和語音發(fā)聲模塊控制電路組成。

本系統(tǒng)使用了一個能夠?qū)崿F(xiàn)被控物體主動消除振動和自適應(yīng)定向跟蹤的增穩(wěn)螺旋儀[6]。云臺結(jié)構(gòu)根據(jù)在立體空間中自由度的數(shù)目可分為單軸、雙軸或三軸結(jié)構(gòu)，其中三軸云臺能實(shí)現(xiàn)三維空間中任意方向的轉(zhuǎn)動[4]，具有更高的靈活性，應(yīng)用領(lǐng)域也更廣，所以系統(tǒng)選用三軸云臺。

增穩(wěn)云臺上安裝姿態(tài)測量傳感器(MPU-6050)，在車體顛簸過程中通過傳感器測量相機(jī)相對大地的偏角，根據(jù)此轉(zhuǎn)角來驅(qū)動云臺相應(yīng)軸系的電機(jī)轉(zhuǎn)動，可達(dá)到始終保持相機(jī)相對大地穩(wěn)定[7-9]。無刷直流電機(jī)驅(qū)動電路采用PWM開關(guān)管驅(qū)動方式，這種方式具有體積小，效率高，熱量小等特點(diǎn)，適合小體積的安裝空間要求[10]。電機(jī)實(shí)物如圖3所示。云臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理

圖3 云臺電機(jī)實(shí)物

圖4 云臺結(jié)構(gòu)模型

避障模塊采用超聲波測距模塊，通過云臺控制模塊的單片機(jī)采集超聲波模塊的距離測量值，并在車體與障礙物達(dá)到一定距離時，通過語音模塊進(jìn)行避障提示。同時，車體在單片機(jī)的控制下避開障礙物。超聲波實(shí)物如圖5所示。語音模塊選擇ISD4004語音模塊，其特點(diǎn)可進(jìn)行錄音、放音，小巧、輕便。語音模塊實(shí)物如圖6所示。

圖5 超聲波模塊實(shí)物

圖6 語音模塊實(shí)物

3 軟件設(shè)計(jì)

ARM單片機(jī)主要完成姿態(tài)傳感器的信息采集，姿態(tài)的融合算法，無刷云臺電機(jī)的驅(qū)動，穩(wěn)定云臺的控制算法，超聲波信息采集，語音模塊的語音控制等。

穩(wěn)定云臺的控制算法主要采用PID控制算法。模擬PID控制系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器[7]，它將給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制。

PID調(diào)節(jié)器的微分方程為

式中e(t)=r(t)-c(t)。

PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)為

PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用：比例環(huán)節(jié)，即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。積分環(huán)節(jié)，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)，能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。

數(shù)字PID控制器的差分方程

PID控制算法流程如圖8所示。

圖8 PID算法流程

4 結(jié)束語

此無線視頻監(jiān)管系統(tǒng)，具備穩(wěn)定視頻采集、實(shí)時畫面顯示、無線傳輸、智能避障、自動語音提醒等功能，能滿足不同用戶、不同環(huán)境對視頻采集的需求。系統(tǒng)穩(wěn)定性好，應(yīng)用范圍廣，具有實(shí)用價(jià)值。

[1] 杜瑞.基于云臺的視頻無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013 (23):273-274.

[2] 李洋,陳剛,楊樹峰.一種便攜式無線云臺音視頻交互設(shè)備[P].中國專利：CN203942578U，2014.

[3] 楊靈峰.基于ARM9的監(jiān)獄無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：中山大學(xué)，2014.

[4] 王川,王亞龍.一種基于前置三軸式云臺的小型電動無人直升機(jī)航拍系統(tǒng)[P].中國專利： CN202953178，2013-04-10.

[5] 趙書朵 諶海云.視頻監(jiān)控系統(tǒng)中云臺控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,12(1):144-146.

[6] 李陽，李楊.基于虛擬儀器的分布式云臺無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2013,21(5):1217-1219.

[7] 李亞康，謝志遠(yuǎn)，聶盛陽，等.基于虛擬儀器的分布式直流電機(jī)PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,35(4):432-437.

[8] 葉晨，任秀梅.高清云臺攝像機(jī)視頻信號的傳輸系統(tǒng)[P].中國專利:CN202818498U,2013-03-20.

[9] 陳強(qiáng),郎躍東,張巍.一種索道攝像機(jī)系統(tǒng)及其控制及視頻信號傳輸方法[P].中國專利:CN104994271A,2015-05-28.

[10]萊安科技.如何將無線視頻傳輸和云臺無線控制同時進(jìn)行[EB/OL].[2016-10-20].http://www.szlaian.com/newsitem/272709267.

[11]王越，龐振營，王帥，等．嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2015(4)：67-72．

(責(zé)任編輯 楊繼森)

Design of Wireless Video Monitoring System Based on Pan-Tilt

WEI Ya

(Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China)

Using the attitude fusion algorithm and stable Pan-tilt control algorithm, the wireless video monitoring management system is designed by wireless network, stable Pan-tilt and single chip microcomputer control. It can realize the function of stable video acquisition, real-time image wireless transmission, intelligent automatic obstacle avoidance, speech and others. This system has been widely used in the real-time collection of the dangerous fire image in the fire control, the acquisition of maritime surveillance footage, the road real-time monitoring, the video survey of the dense environments, self-recognition, publicity and so on.

wireless transmission; stable ptz; voice broadcast; microprocessor; PID algorithm

2016-12-20；

2017-01-25 基金項(xiàng)目：陜西省咸陽市科技局項(xiàng)目“基于單片機(jī)的電動智能小車設(shè)計(jì)制作與應(yīng)用”(2014KT-25)

魏雅(1973—)，女，碩士，副教授,主要從事電子信息技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.05.023

format:WEI Ya.Design of Wireless Video Monitoring System Based on Pan-Tilt[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):102-105.

TN946.1

A

2096-2304(2017)05-0102-04

本文引用格式：魏雅.基于云臺的無線視頻監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(5):102-105.