Система стабилизации линии визирования тепловизионного прибора

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Система стабилизации линии визирования тепловизионного прибора

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

«Информатика и вычислительная техника»



Оглавление

Список аббревиатур

Введение

Глава 1.Обзор современного состаяния систем стабилизации линии визирования

1.1Описание стабилизации изображения

1.2Система стабилизации линии визирования с точки зрения теория управления

1.3Аппаратное обеспечение системы стабилизации линии визирования

1.4Програмное обеспечение системы стабилизации линии визироввния

1.5Анализ и классификация существующих систем стабилизации изобажения

1.6Противоречивые требования, предъявляемые к системе стабилизации линии визирования

Глава 2.Разработка и исследовние модели работы алгоритма восстановления ограниченного сигнала угловой скорости гироскопа на основе предложенного решения

2.1Обоснование структурной схемы системы стабилизации линии визирования

2.2Исследуемая область системы стабилизации линии визирования с точки зрения предъявляемых требований

2.3Задача эффективного преобразования сигнала угловой скорости гироскопа в цифровую форму

2.4Существующие стандартные решения оцифровки сигналов, имеющих широкий динамический диапазон

2.5Теоретические основы предлогаемого решения и вывод аналитических выражений

2.6Разработка алгоритма восстановления сигнала на основе полученных аналитических выражений

2.7Разработка модели работы алгоритма в пакете Matlab

2.8Результаты моделирования

2.9Выводы

Глава 3.Аппаратныя реализиаци восстановления сигнала угловой скорости

3.1Выбор элементной базы для аппаратной реализации на основе поставленных требований

3.2Разработка структурной и принципиальной схем

Заключение

Список используемой литературы

Приложения

стабилизация гироскоп визирование тепловизионный



Список аббревиатур

ИУС -- Интелектуальная Управляющая Система.

ОКР -- Опытно-Конструкторские Работы

ОСИ -- Оптическая Стабилизация Изображения

ЦСИ -- Цифровая Стабилизация Изображения

АЦП -- Аналого-Цифровой Преобразователь

ЦАП -- Цифро-Аналоговый Преобразователь

ШИМ -- Широтно-Импульсная Модуляция

ССИ -- Система Стабилизации Изображения

МК -- Микроконтроллер



Введение

Даная дипломная работа лежит в направлении исследований систем управления. Это направление было продиктованно современным развитием техники, к которой предъявляются всё более жёсткие требования с целью ёе улучщения. В следствии чего, происходит усложнение технических решений и во многих ситуациях возникают проблемы, для решения которых невозможно обойтись без исследований.

Исследование, проведённое в дипломной работе, относится к области элементов и устройств ИУС. Объектом исследования является микропроцессорная система автоматизированного управления реального времени. Конкрентно, это система стабилизации линии визирования. Предметами исследования являются принципы обработки информации, методы обеспечения требуемых технических характеристик и моделирование ИУС с целью обеспечения требований, возникших в результате эвалюционного развития систем управления в сторону усложнения задач управления, повышения требований к массогабаритным и техническим характеристикам, энергопотреблению, стоимости надежности, производительности и точности.

Актуальность исследований в области систем стабилизации линии визирования обусловленна широким распространением оптичемских систем, таких как фото и видео камеры, системы видео наблюдения, оптические и тепловизионные прицелы, бинокли, телескопы и т.д., и т.п. Необходимость стабилизации линии визирования или дугими словами стабилизации изображения встаёт при использовании оптических систем на подвижных основаниях. Такая ситуация возникает довально часто, особенно в следствии мощного развития мобильной техники. Когда фото и видео камера являются встроееными в практически каждый мобильный телефон. Система стабилизации линии визирования компенсирует движения подвижной платформы таким образом, что линия визирования остаётся неподвижной в пространстве относительно инерциальной системы координат.

Современные системы стабилизации линии визирования обладают высокой динамической и статической точностью для применения в задачах, где не большое оптическое увеличение или его нет совсем. Но бывают задачи, когда точность ситемы стабилизации не достаточна высока. Например, при сильном оптическом увеличении в несколько раз. Поэтому, задача повышения точности системы стабилизации является актуальной. При этом, уменьшение массогабаритных характеристик является необходимым условием при разработки системы стабилизации, что связано с тенденциями к мобильности устройств.

Таким образом, можно утверждать, что исследование в области элементов и устройтв ИУС, с целью повышения точности системы стабилизации изображения и уменьшения массогабаритных характеристик, которому посвящена данная работа является актуальной научно-технической задачей.

Цель данной работы заключается в выполнении требований, предъявляемых к системе стабилизации. Оснвные требования -- это обеспечение чочности системы и уменьшение массогабариных характеристик.

Сформулированная цель предопределила следующую совокупность решаемых задач:

Обеспечение точности системы стабилизации за счёт корректного преобразования в цифровую форму сигнала угловой скорости, имеющего широкий динамический диапазон. Этот диапазон, выраженный в вольтах, больше чем максимальновозможное значение, определяемое напряжением опоры, которое может быть воспринято аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Поиск решения проблемы корректного преобразования сигнала угловой скорости с гироскопа в цифровую форму.

Исследование этого решения применительно к системе стабилизации. Исследование провести с использованием моделирования.

Решение должно приводить к уменьшение аппаратных затрат. Что влечёт за собой уменьшение массогабаритных характеристик, энергопотребления и стоимости устройства.

Разработка структурных и принципиальных схем аппаратного обеспечения для реализации данного решения. Выбор элементной базы.

Необходимо рассмотреть методологию или другими словами совокупность методов, используемых в данной работе. Метод представляет собой способ движения к цели. И для более быстрого достижения цели был разработан план-график. Где описывалось что и когда необходимо сделать. Это помоглпо правильно организовать работу и представить весь объём работы.

Для понимания того, как выполнять работу и что вообще делать был применён аппарат системного анализа. Анализ является одним из методов познания. Это метод подразумевает, движение от общего к частному, или, другими словами, это метод "разрушения" объекта исследования. В данном случае объектом исследования является система стабилизации изображения. Которая была разобрана по частям при ёе изучении. По результатам анализа сисемы была обнаружена проблема, которая обусловленна требованиями, предъявляемыми к системе. Эта проблема сосредоточена в конкретной части системы.

Так же был применён аппарат системного синтеза. Работа состоит из двух основных частей. Это практическая часть и отчет. Практическая часть включает в себя создание интеллектуального продукта, например, алгоритм, модель, готовый и рабочий код или все вместе. Эта часть работы показывает навыки в разработке программного обеспечения, в выборе языка программирования, среды разработки или среды моделирования. Умение разрабатывать структурные и принципиальные схемы. Но и отчёт является не менее важной частью работы. Также к понятию синтеза относится поиск решения, что является творческой деятельностью. Конечно, бывают и готовые решения. Но если они не подходят, то приходится придумывать собственное решение. Предложенное решение пока есть только идея. И её нужно оформить в удобный и привычный вид. Это может быть блок схема алгоритма или математические формулы. Далее необходимо проверить работоспособность идеи путём моделирования. Для чего необходимо разработать модель. Но, В конечном итоге, алгоритм должен быть запущен на микроконтроллере, поскольку система стабилизации изображения является системой реального времени, построенной на микроконтроллере. И необходимо оценить, какие тебуются характеристики микроконтроллера для реализации данного решения. А после чего уже выбирать конкретный микроконтроллер, разрабатывать структурные и принципиальные схемы аппаратного обеспечения. Всё выше сказанное в какой-то мере относится к понятию синтеза, поскольку всё это созданые части конечного интелектуального продукта в виде дипломной работы.

Научная новизна работы заключается в нахождении нового решения преобразованя в цифровой вид сигнала угловой скорости, имеющего широкий динамический диапазон. Такое решение позволяет увеличить крутизну аналогового сигнала, что влечёт за собой уменьшение цены младшего разряда АЦП, выраженной в еденицах угловой скорости. Таким образом увеличивается тосность ситемы за счёт её правильной реакции на меньшую угловую скорость. При этом, всё это выполняется одновременно с тем, что данное решение обеспечивает и получение информации о сигнале на максимальных угловый скоростях. Таким образом ситеме стабилизации известна информация о сигнале угловой скорости из всего диапазона. Вдобавок ко всему, данное решение уменьшает аппаратные затраты.

Достоверность полученных результатов следует из фундаментальных основ математики. Решение, предлагаемое в данной работе, основанно на правилах тригонометрии. Так же, работоспособность и правильность данного решения проверялась с помощью моделировани и экспериментов на практике. В результате чего были полученны положительные результаты.

Практическая значимость обусловленна тем, что работа выполнена в рамках ОКР по теме «Разработка электронной аппаратуры системы стабилизации и наведения».

Личный вклад в разработку электронной аппаратуры системы стабилизации и наведения представляет собой идею и решение восстановления, реконструирования сигнала с уелью его коррректного преобразования в цифровую форму. И последующие моделирование и реализация этого решения.

На защиту выносятся следующие положения:

Решение, в виде аналитических формул, для нахождения амплитуды и фазы синусоидального сигнала угловай скорости

Алгоритм восстановления, реконструирования сигнала угловой скорости из узкого в широкий динамический диапазон в ограниченной, срезанной области.

Компьютерная модель работы разработанного алгоритма с целью проверки его работоспособности и правильности.

Аппаратная реализация разработанного решения.

Работа состоит из трёх глав. В первой главе проводится обзор современных система стабилизации изображения. И производится постановка требований, предъявляемых к системе. Во второй главе анализируется система и ставится задач по восстановленю ограниченного сигнала. После чаего разрабатывается алгоритм решения и производится верификация решения с помощью моделирования. Третья глава описывает аппаратную реализацибю решения. Итоги работы подведены и сделанны выводы в последней главе.

Глава 1.Обзор современного состаяния систем стабилизации линии визирования

В этой главе будет рассмотренно современное состояние систем стабилизации. Так же, будет обсуждаться важность и необходимость всей работы. Выводы будут сделаны на основе последних работ в области систем стабилизации линии визирования теории управления, фильтрации, обработки и оцифровки данных.

1.1 Описание стабилизации изображения

Система линии визирования позволяет выполнять стабилизацию изображения. Стабилизация изображения -- это технология, применяемая в оптических системах, с помощью которой компенсируются собственное угловое перемещение оптической системы, чтобы предотвратить смазывание изображения или дрожание видео [1]. Система стабилизации не предназначена для компенсации движения объекта.

Технологии стабилизации изображения используются в фотографии, видеосъемке, телескопах, биноклях и прицелах. Возможности системы стабилизации изображения ограничены. Тем не менее, во многих случаях, автоматическая стабилизация является чрезвычайно полезной. В фото техники стабилизация изображнения особенно важна во время дрожания камеры при съемке на длинных выдержках и значительном фокусном расстоянии объектива. Она позволяет увеличить время экспозиции в 3-4 раза. Таким образом, можно спокойно снимать с рук в условиях освещения и при таком фокусном расстоянии объектива, когда не обойтись без штатива. Кроме того, иногда стабилизация позволяет избежать вынужденого увеличения светочувствительности матрицы, что приводит к увеличению уровня шума. Стабилизация изображения предотвращает дрожание изображения при съёмке с рук. Такая ситуация часто возникает при использовании мобильного телефона в качестве фото камеры. Также, оптические приборы которые имеют сильное увеличение нуждаются в системе стабилизации. Например, наличие такой системы у бинокля позволяет реализовывать большое увеличение и при этом эффективно применять такой бинокль при наблюдении без использования опоры. Система стабилизации линии визирования применяется в киноаппаратуре и позволяет снимать динамичные сценыы в движении [2]. Они могут крипеться на автомобиле, вертолёте, лодке и других средствах перемещения. Такой же принцип применяется в гиростабилизаторах установленных на военной технике [2]. Например, система стабилизации позволяет сохранять линию прицеливания не изменной, не смотря на любые колебания танка или самолёта [3].

Линия визирования подразумевает собой прямую по направлению которой происходит наблюдение или другими словами, лучи света, которые попадают в оптическую систему. В свою очередь, свет имеет различный спектр, в том числе и инфрокрасный, который излучают объекты с повышенной температурой. Для детектирования инфрокраного диапазона применяются оптические прибора со светочувствительной матрицей, которая реагирует на инфрокрасное излучение. По сравнению с оптическими приборами видимой части спектра, инфрокрасные или тепловизионные приборы сложнее, но имеют одинаковый принцип построения оптики. Таким образом, не существует разници, с точки зрения системы стабилизации, лучи какой части спектра стабилизировать.

В основном, существуют два метода стабилизации изображения: оптическая стабилизация изображения (ОСИ) и цифровая стабилизация изображения (ЦСИ) [4, 5]. Оптическая стабилизация изображения механически компенсирует дрожание оптической системы, тем самым стабилизирует линию визирования. Цифровая стабилизация изображения представляет собой цифровую обработку изображений, в результате чего изображение поворачивается на расчитанный угол. Также возможные гибриды двух типов, различные комбинации и реализации [6].

Оптическая стабилизация изображения может осуществлятся двумя способами основаясь на использовании механической компенсации [4, 5]. В первом случае, механическое смещение компенсации применяется к линии визирования стабилизации. Смещение компенсации может быть достигнуто различными способами, например, движением линзы, зеркала или платформы на которой установленна система.

Во втором случае, это смещение светочувствительной матрици [7]. Эта система компенсирует движения камеры с помощью движения светочувствительной матрици установленной на подвижной платформе. Таким образом, объективы дешевле, проще и надежнее. Вдобавок, стабилизации изображения работает с любой оптикой. В то же время, считается, что такая стабилизация менее эффективена, чем стабилизация оптического элемента. Это связанно с тем, что с увеличением фокусного расстояния объектива эффективность данной технологии падает. Чем больше фокусное расстояние, тем быстрее и с большей амплитудой необходимо передвигать подвижную платформу со светочувствительной матрицей. Кроме того, для высокой точности системы необходимо знать точное значение фокусного расстояния объектива.

Первая камера со стабилизацией изображения появились на рынке в 1995 году от фирмы Canon. И в 1976 году она опубликовала патент на эту идею [4]. Камера была с оптической стабилизацией. Стабилизирующий элемент объектива движется в вертикальном и горизонтальном направлении. По команде от датчика он отклоняется с помощью электропривода, так что проекция изображения на пленке (или светочувствительной матрице) остаётся не подвижной во время экспозиции. В настоящее время существует много оптических систем которые используют различные методы стабилизации изображения.

Система стабилизации линии визирования с точки зрения теория управления

Теория управления является научной дисциплиной, которая изучает процессы автоматического управления объектами различной физической природы [8, 9]. Если рассматривать систему стабилизации изображения с точки зрения теории управления, то она имеет гироскоп, двигатель, контроллер и оптику. Это показанно на рисунке 1. В этом случае объект управления это гирорама на которой находится гироскоп и оптический блок, который представляет собой прилмляющее зеркало. Цель стабилизации -- это поддержание постоянного положение в пространстве гироскопа и оптикого блока относительно инерциальной системы отсчета по двум осям, курс и тангаж. В общем, гироскоп должн сохранять свое положение в пространстве неизменным, но он имеет малый крутящий момент, и сила трения оказывается больше. Что бы гироскоп сохранил своё положение в пространстве под действием силы трения, он должен иметь огромных размеров. Стабилизация, основанная на таком гироскопе, называется силовой стабилизацией. Но в данном случае индикаторная стабилизация, кога гироскоп служит в качестве датчика угловой скорости. Поэтому, чтобы компенсировать силы трения необходима силовая установка или, другими словами, двигатель. Следует отметить, что сигнал с гироскопа -- это угловая скорость оптического блока. Это связанно, с тем, что гироскоп механически связанн с оптическим блоком. Таким образом, сигнал с гироскопа это есть ошибка рассогласования системы. И система стабилизации должна свести эту ошибку к нулю.

Рисунок 1 -- Блок схема системы стабилизации изображения с точки зрения теории управления

Контроллер преобразует ошибку в управляющее воздействие. Контроллер состоит из вычислительного и блока управления. Блок управления -- это двигатель, который приводит в движение гирораму.

Вычислительный блок -- это микроконтроллер. Микроконтроллер принимает сигнал от гироскопа. Обрабатывает этот сигнал и на его основе формирует сигнал, подаваемый на двигатель. Для реализиции основного алгоритма стабилизации используется теория управления и теория цифровой обработки сигналов. Конкретно, это могут быть фильтры для предварительной обработки сигналов, ПИД регулятор и другие математические и статистические решения для обеспечения наилучшей стабилизации.

1.2 Аппаратное обеспечение системы стабилизации линии визирования

Состав и структура системы стабилизации изображения являются очень полезными знаниями в разработке алгоритмов управления. Потому что понимание работы механических и электронных частей вместе помогают писать хороший код. Далее будут рассмотренны детали и особенности оборудования, такие как температурная зависимость физических характеристик, способы считывания информации с датчиков и управление двигателем.

Наиболее важной частью системы стабилизации изображения представляет собой гироскоп. Гироскоп является источником сигнала, который содержит информацию о положении в пространстве. Поэтому, если известно на сколько изменилось положение системы, то возможно компенсировать это изменение и повернуть систему в исходное положение.

Гироскоп был известен в Древней Греции, Китае и Риме в качестве игрушки [10]. В в середине 19 века французский ученый Леон Фуко с помощью большого маятника доказал вращение Земли. Маятник сохранял своё положение в пространстве, а Земля вращалась под ним. Затем, используя тот же самый эффект, но с помощью гироскопа, он показал, что земля вращается в течение 24 часов. Фуко назвал своё вращяющееся колесо "гироскопом", от греческого слова " gyros " (революция) и "skopein" (видеть); он видел революцию в понимании Земли с появлением его гироскопа.

Существует несколько типов гироскопов, используемые в качестве измерительного прибора. Первый тип это самый простой и самый старый вид гироскопа. Он состоит из массивного маховика в твердом корпусе [11]. Следующий тип гироскопа это вибрационный гироскоп Кориолиса. Вибрационный объект обычно колеблется в одной плоскости в результате чего возникает сила Кореолиса, которая стремится сохранить не изменным положение этой плоскости в пространстве. Ткже, существуют виды гироскопов, такие как волоконноптический гироскоп и квантовой гироскоп. Последний имеет очень высокую точность и стабильность. В течение года, его ошибка составляет до 1,5 угловых миллисекунд.

Существуют различные технологии для реализации гироскопов. И технология микроэлектромеханических систем (МЭМС) является наиболее распространенной и доступной. Инерциальные датчики, выполненые по этой технологии, выглядят как обычные чипы и просты в применении [12]. Этот чип имеет подвижный элемент внутри. В большинстве случаев этот элемент выполнен из кремния, как и многие другие части такого чипа. В случае гироскопа, элемент вибрирует и отклоняется при воздействии внешней силы также как маятник Фуко. Вибрирующий элемент образует конденсатор, ёмкость которого изменяется при изменении положение. Значение емкости конденсатора пропорционально изменению положения в пространстве чипа. Существует множество электрических схем для измерения емкости и оцифровки этого значение. Таким образом, получается информация об изменении положения в пространстве в цифровой форме. МЭМС гироскопы являются наиболее массовами и дешевами, поэтому точность этих гироскопов не велика [13]. Но этого вполне достаточно для простых проектов. Кроме того, в некоторых случаях, точность может быть улучшена с помощью алгоритмов программного обеспечения.

Кроме гироскопа необходим двигатель для создания системы стабилизации изображения. Без привода не могут быть компенсированы вращение и перемещение системы в пространстве. Что касается стабилизации изображения они могут быть разделены на два основных типа: линейные и поворотные механизмы для перемещения. Линейное перемещение осуществляется с помощью линейного двигателя постоянного тока [14]. Вращательное движение обеспечивается с помощью электродвигателья. Основные требования к приводам -- это малый размер, низкое энергопотребление и приемлемая точность. Для управления двигателем необхадимо знать информацию о местоположении ротора или катушки. Таким образом осуществляется обратная связь управления двигателем. Эта информация поступает от датчиков положения, таких как датчик Холла и многие другие. Вычислительное устройство генерирует управляющее воздействие на двигатель в соответствии с сигналом от гироскопа, которое преобразуется из цифрового в аналоговый вид, с помощью различных ЦАП или ШИМ модулей. Затем этот сигнал поступает в драйвер управления двигателем для усиления, поскольку микроконтроллер формирует слаботочный сигнал, которого не достаочно для управления двигателем.

Как упоминалось ранее вычислительное устройство необходимо для генерации управляющего воздействия. Вычислительное устройство может быть микроконтроллером или ПЛИС. Оно должено иметь возможность рассчитать алгоритм с частотой от 500 Гц до 10 кГц [5]. Разрядность устройства может быть различной такой, как 8, 16, 32 бита, это зависит от сложности алгоритма.

1.3 Програмное обеспечение системы стабилизации линии визирования

Точного гироскопа, производительного микроконтроллера и хорошего двигателя не достаточно для создания точной системы стабилизации. Также необходимо правильное программное обеспечение для реализации системы стабилизации изображения. Конечно, программное обеспечение не является решением всех проблем. Но оно позволяет использовать оборудование максимально эффективно и приблизиться к наилучшей точности очень близоко. Но, к сожалению, не получится превысить максимально возможную точность, которая огранченна характеристиками оборкдования. Например, если сигнал от гироскопа будет оцифровываться шагом в одну угловую минуту, то невозможно получить стабилизацию с ошибкой в несколько угловых секунды. Существуют решения, чтобы попытаться предположить или предсказать значение угловых секунд с помощью алгоритма, но все же это не действительное значение. Хотя, в некоторых случаях, такое решение помогает добится необходимой точности.

С другой стороны, может возникнуть противоположная ситуация. Оборудование имеет достаточную точность, но система не работает как надо. В этом случае проблема, скорее всего, в программном обеспечении. Например, алгоритм системы включает в себя обычный ПИД-регулятор, но не содержит блоки, которые учитывают физические характеристики системы. Или не настроенны коэффициенты ПИД-регулятора. И так, и программное, и аппаратное обеспечения очень важны для правильной работы системы.

Программное обеспечение для системы управления в основном представляет собой реализацию замкнутого контура с определенными характеристиками. Русунок 3 показывае пример замкнутого контура. Сигнал гироскопа проходит через фильтры после оцифровки. Это необходимо для фильтрации нежелательных компонент сигнала [15, 16]. Когда камера находится в руках, то сигнал от гироскопа может иметь различные частотные компоненты [17]. Известено, что частота дрожания рук находится в диапазоне от 2 до 20 Гц. Для борьбы с ними ставят фильтр пробку, который пропускает только эти частоты. Или, если необходимо компенсировать другие частоты, то необходимо настроить фильтр на эти частоты. Диапазон от 0 до 2 Гц соответствует постоянному движению камеры. И эти частоты не должны участвовать в расчёте интегрального звена. Кроме того, сигнал может включать в себя высокочастотный шум который также необходимо отфильтровать. Другими словами, необходимо реализовать такой фильтр, который режет постоянную составляющую сигнала и высокочастотный шум. А пропускает частоты, на которых происходит стабилизация изображения.

Рисунок 2 -- Пример блок схемы системы стабилизации изображения на основе микроконтроллера

После фильтрации сигнал необходимо проинтегрировать. Потому, что сигнал с гироскопа показывает угловую скорость, а для управления двигателем необходимо знать угол. Также частотные характеристики двигателя нужно учесть во время разработки корректирующих звеньев [15]. Они влияют на точность системы или другими словами, как система реагируен на возмущающее воздействие. Корректирующие звенья могут быть реализованы с использованием БИХ или КИХ-фильтров.

Для реализации системы стабилизации изображения могут использовать особенные алгоритмы. В большинстве случаев это относится к реализации фильтра. Например, это использование фильтра Калмана [18] или нейронной сети [19] для системы стабилизации изображения. Кроме того, есть возможность использовать дополнительный датчик ускорения для повышения точности и уменьшения дрейфа гироскопа [20].

1.4 Анализ и классификация существующих систем стабилизации изобажения

Существует множество видов систем стабилизации изображения. В данной части работы они классифицируются и рассматриваются более подробно. Также рассматриваются их плюсы и минусы.

Как было упомянуто ранне, стабилизация изображения может быть разделена на два основных типа по способу реализации. Первый это оптическая стабилизация изображения (ОСИ) и второй это цифровая или электронная стабилизация изображения (ЦСИ) [5, 6]. Разделение типов показано на рисунке 3.

Рисунок 3 -- Классифкация типов стабилизации изображения

Цифровая стабилизация изображения основывается на цифровой обработке изображений. Другими словами, уже сдвинутое или смазанное изображение, или кадр подвергаются обработке. При этом около 40% пикселей затрачиваются на осуществление стабилизации и не участвуют в формировании изображения. Цифровую стабилизацию можно объяснить следующим образом, при сотрясении камеры изображение «плавает» на светочувствительной матрице. Процессор фиксирует эти колебания и производит коррекцию с помощью резервных пикселей, тем самым компенсирует дрожание изображения. Для того чтобы ввести поправку необходимо определить направление и скорость движения изображения. Это может быть сделано двумя способами.

Первый метод основан на анализе кадров с целью распознования объектов или контрольных точек, и последующего поворота каждого кадра так, чтобы контрольные точки сохраняли неизменное положение относительно всех кадров. Это сопровождается большими вычислительными затратами. Отсюда следует, что способ осуществить в режиме реального времени очень трудно. В большинстве случаев, этот метод используется для коррекции уже отснятого видео. Следует отметить, что этот способ применим только к видеосъемке и с его помощью невозможно предотвратить смазывание на фото.

Второй способ состоит в дополнительном использовании датчиков, таких как гироскоп или акселерометр. Это позволяет не вычислять путь кадров. Например, есть разработка от Microsoft [21]. Преимущество этой технологии заключается в том, что можно стабилизировать не только видео, но и фотографии, в отличие от цифровой стабилизации без датчика. Кроме того, этот метод можно легко реализовать в режиме реального времени. Но, все же манипуляции проводятся с пикселями изображения, следовательно, качество изображения теряется, по сравнению, например, со съёмкой с использованием штатива.

Система оптической стабилизации изображения представляет собой систему автоматизированного управления. В своем составе, она обязательно имеет датчик движения, например, гироскоп или акселерометр, аналоговое или цифровое вычислительное устройство и исполнительный механизм для компенсации движения, в основном это этоэлектродвигатель. Целью такой системы управления является сохранение фиксированного положения, по отношению к инерциальной системе координат, линии визирования или светового луча, который проходит через объектив камеры и попадает на светочувствительную матрицу. Реализовать это возможно с помощью электродвигателя на основе информации от датчиков. Электродвигатель вращает некий стабилизированный оптический блок, который в свою очередь преломляет луч света. Этот блок выполнен с возможностью врщения вокркг вертикальной и горизонтальной осей или осей курса и тангажа. Оптический блок вращается так, что проекция изображения на пленке или светочувствительной матрице полностью компенсирует колебания камеры во время экспозиции. В результате проекция всегда остается неподвижной по отношению к светочувствительной матрице для малых амплитуд колебаний камеры, это обеспечивает необходимую четкость изображения.

В свою очередь, оптическую систему стабилизации изображения можно разделить на два типа в зависимости от конструкции. Первый тип, когда луч света преломляется с помощью подвижного оптического блока и второй, когда перемещается светочувствительная матрица. Существуют также смешанные типы, с использованием этих двух технологий, что позволяет компенсировать и линейные, и угловые перемещения одновременно.

Итак, были расссмотренны виды стабилизации изображения. Каждый вид имеет свои особенности, преимущества и недостатки. Существует возможность использовать несколько типов стабилизации одновременно. Это позволяет добиться определенных свойств. Рисунок 4 показывает сравнение цифровой и оптической стабилизациии изображения.

Характеристики	ЦСИ	ОСИ
Датчики	Возможно	Необходим
Исполнительный механизм	Нет	Необходим
Массогабаритные характеристики	Меньше	Больше
Энергопотребление	Меньше	Больше
Стоимость	Меньше	Больше
Вычислительные затраты	Больше	Меньше
Точность стабилизации	Меньше	Больше

Рисунок 4 -- Сравнение цифровой и оптической стабилизации изображения

Таким образомо, для обеспечения высокой точности стабилизации в 10 угловых секунд может быть применена только оптическая система стабилизации, основанная на стабилизации линии визирования. Она может быть применена фото и видео техники, и даже в таких системах как бинокли и прицелы. Именно система стабилизации линии визирования является предметом моего исследования.

1.5 Противоречивые требования предъявляемые к системе стабилизации линии визирования

В предыдущем разделе были рассмотрены существующие виды системы стабилизации изображения. Система, которая разрабатывается и рассматривается в данной работе, относятся к оптической системе стабилизации изображения. Она представляет собой систему управления реального времени [22]. Система называется системой реального времени, если её правильное функционирование зависит не только от логической правильности расчетов, но и от времени, за которое эти расчеты сделаны. То есть для событий, происходящих в такой системе то, когда эти события происходят, так же важно, как логическая правильность самих событий. Одни из основных характеристик систем реального времени, это время выполнения, время реакции и джиттер. Всё это временные характеристики. Время выполнения какой-либо операции, время реакции или время отклика системы на внешнее событие, разброс значений времени отклика являются важнейшими параметрами. Кроме того, так же существуют точностные характеристики системы. Они связаны с переходными процессами. Другими словами, система должна реагировать на внешние воздействие не только быстро, но и точно или правильно. Все характеристики системы должны удовлетворять современным требованиям.

Многие области человеческой деятельности развиваются. И система стабилизации изображения не является исключением. Эти системы подвергнуты эволюционным изменений в сторону усложнения задач управления, повышеня требований к их точности, производительности, надежности, уменьшению массогабаритных характеристик, энергопотребления и стоимости. Ужесточение требований часто приводит к их противоречивости. Например, повышение точности системы часто приводит к ухудшению её динамических характеристик или увеличению аппаратных затрат, которые влекут за собой увеличение стоимости, размера и энергопотребления. В нашем случае, такое свойство систем может быть представлено в виде диаграммы, показаной на рисунке 5.

Рисунок 5 -- Диаграмма взаимосвязей между требованиями

Эта диаграмма показывает, что основные требования к системам управления реального времени можно разделить на три основные части -- это точность, производительность и аппарвтные затраты. Кроме того, каждая часть находится в обратной зависимости к другой части. Например, если необходимо повысить точность, то это может быть сделано за счет увеличения аппаратных затрат, например, увеличением количества разрядов АЦП. Или за счёт произвоительности и вычисления сложных алгоритмов работы. Обратная связь также имеет место. В какой-то степени это можно описать следующей фразой: Не существует бесплатных обедов. Другими словами, приходится платить ухудшением одного для улучшения другого. В данном случае повышение точности происходит за счет сложного алгоритма, тем самым занимается часть производительности микроконтроллера, или высокоразрядного АЦП.

Сказанное относится и к разрабатываемой системе. Она также имеет противоречивые требования. И это проблема, без решения которой невозможно осуществить дальнейшую разраотку. Решение этой проблемы позволит выполнить все требования, предъявляемые к системе. Чтобы найти это решение необходимо провести исследование.

Делле будут перечисленны все требования, предъявляемые к системе стабилизации линии визирования.

Во-первых, это высокая точность системы или, другими словами, малая ошибка стабилизации. Она должна быть не более 5 угловых секунд. Что является на уравне современных систем. Для этого необходимо выбрать АЦП не менее 18 разрядов. И возможность изменения крутизны сигнала гироскопа, путём его усиления от 1 до 10 раз. Это необходимо для обеспечения чувствительности системы.

Во-вторых, система должна отрабатывать максимальную скорость в 40 град/с. Или другими словами, необходимо обеспечить высокуюю динамику системы стабилизации. Для этого, в первую очередь, необходимо эффективно отцифровать сигнал угловаой скорости. Не должна быть потеренна информация о высокой угловой скорости и полученна информация из всего динамического диапазона сигнала. Что сложно сделать, если сигнал будет усилен в 10 раз. Таким образом, данное требование, в некоторой степени, противоречит предыдущему.

Третье требование -- это минимизация аппаратных затрат. Что влечёт за соой уменьшение стоимости, массогабаритных характеристик и энергопотребления системы. Данное требование связанно с тем, что система будет применяться на борту передвижного носителя, где важно уменьшение аппаратных затрат.

Подводя итоги, предъявляемые требования находятся в противоречии друг к другу. Что касается первых двух, то для обеспечения точности на малых угловых скоростях, тяжело получить информацию о больших угловых скоростях и наоборот. Конечно, и первое и второе требование, в какойто степени, являются точностью системы потому, что необхдимо уменьшить ошибку стабилизации и на малых, и на больших угловых скоростях. Для обеспечения этих требований одновременно нужны решения. А как было показанно ранее, эти решения могут быть как аппаратными, так и программными. Повышение производительности приводит к тому, что можно применять более сложные алгоритмы или программные решения, что показанно на рисунке 5. Но, существует требование по уменьшению аппаратных затрат. Следователно, повышение точности и динамики системы за счет схемотехнических решений не удовлетворяет поставленнуму требовонию минимизации аппаратных затра. Тогда, логично предположить, что решение должно быть на программном уровне. Такое решение было найденно и исследованоо, и оно рассматривается в следущем разделе.



Глава 2.Разработка и исследовние модели работы алгоритма восстановления ограниченного сигнала угловой скорости гироскопа на основе предложенного решения

Данная глава расскрывает такие части работы, как поиск решений для эффективного преобразования сигнала в цифровую форму. Существующие стандартные решения и их преимущества и недостатки рассматриваются в данной главе и приводятся причины, по которым эти решения не удовлетворяют поставленным требованиям. После чего предлогается решение, и создаётся модель на которой проверяется и исследуется предлогаемое решение.

2.1 Обоснование структурной схемы системы стабилизации линии визирования

Необходимо рассмотреть структуру системы стабилизации, что позволит лучше понять задачу. Система стабилизации линии визирования представляет собой систему автоматического управления. И она имеет стандартные блоки в собственной структуре. Их можно разделить на три основные части -- это датчики, вычислительное устройство и испольнительный механизм. Структурная схема системы стабилизации изображения показан на рисунке 6.



Рисунок 6 -- Структурная схема системы стабилизации линии визирования

Гироскоп является основным датчиком системы. Стабилизация происходит на основе сигнала от гироскопа. Этот сигнал имеет размерность угловой скорости. В данном случае это угловая скорость оптического блока вокруг одной или двух осей (курса или тангажа) потому, что гироскоп соединён механически с оптическим блоком. Такое расположение гироскопа приводит к тому, что сигнал угловой скорости это есть производная по времени от ошибки стабилизации. В отличие от конструкции, когда гироскоп соединен с корпусом системы. В таком случае сигнал гироскопа есть угловая скорость вращения корпуса, или, другими словами это производная по времени возмущающего воздействия . ?. Где точка обозначает производную по времени.

Следует отметить, что гироскоп устроен таким образом, что показавает угловую скорость. И это есть производная по времени от ошибки системы (), она показанна на структурной схеме. Её необходимо проинтегрировать для того, чтобы получить угол отклонения оптического блока от начального положения. Это нужно, если угол используется в алгоритме стабилизации. Но так же, для управления возможно использовать только угловую скорость. Для вычисления интеграла и алгоритма стабилизации применяется вычислительное устройство. В разрабатываемой системе это микроконтроллер.

Форма сигнала с гироскопа представляет собой синусоиду. И максимальная амплитуда равна 12 В. АЦП не может принять такое напряжение, поскольку напряжение опоры меньше, чем 12 В. Блок предворительного преобразования сигнала предназначен для того, чтобы сигнал мог быть оцифрованы без проблем. Структура и функциональность этого блока зависит от выбранного решения задачи. Решения могут быть реализованы на аппаратном или программном уровне. Если программное решение будет реализовано, основная часть блока предворительного преобразования сигнала будет расположена в вычислительном устройстве, что позволит снизить аппаратные затраты.

АЦП необходим для преобразования сигнала из аналогового в цифровой вид. АЦП сопоставляет цифровой код входному напряжению. Это происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. Таким образом, определяется частота дискретизации. После того, как данные готовы АЦП выставляет на линии спадающий или нарастающий фрон, по которому микроконтролер определяет время, когда данные были подготовлены. Это сделанно потому, что данные могут быть переданы с задержкой от АЦП к микроконтроллеру, а сигнал готовности передается практически мгновенно. Счетчик и обработчик прерываний, встроенные в микроконтроллер, используются для получения точного времени готовности. Это время необходимо для правильной работы алгоритма стабилизации. Блок-схема показывает соединение АЦП с микроконтроллером или, другими словами, АЦП передает данные и время, когда были получены эти данные.

Микроконтроллер принимает данные и выполняет вычисления на основе этих данных. Микроконтроллер может принимать различные данные, такие как частота дискретизации АЦП, опорную частоту и сигналы от вспомогательных датчиков, таких как датчики температуры и так далее. Что касается сигнала опорной частоты, то этот сигнал нужен, чтобы определить фазу сигнала угловой скорости гироскопа. Более подробно это раскроется в следущем разделе. Сигнал опорной частоты аналогичен сигналу частоты дискретизации. И оба они обрабатываются с помощью микроконтроллереа похожим образом, с помощью встроенного счетчика и аппарата прерываний. Микроконтроллер можно представить в виде черного ящика, который имеет несколько входов и выходов.

Результ вычислений основного алгоритма стабилизации -- это управляющее воздействие на двигатель, которое необходимо преобразовать из цифрового вида в аналоговый вид, что осуществляется с помощью различных цифро-аналоговых преобразователей. Например, это может быть устройство широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Устройство ШИМ обеспечивает возможность контролировать среднюю величину напряжения на нагрузке. Таким образом, можно контролировать скорость вращения двигателя.

Электродвигатель потребляет большое количество энергии. Следовательно, драйвер или усилитель необходим для управления двигателем. Драйвер усиливает слабый сигнал от микроконтроллера. Чаще всего усиление происходит и по току, и по напряжению.

Расчитаное значение или результат вычисления преобразуется в напряжение, как уже упоминалось ранее. И, как правило, напряжение, подаваемое на двигатель пропорционально крутящему моменту. Таким образом, можно регулировать вращение электродвигателя путем изменения напряжения. В свою очередь, электродвигатель вращает оптический блок. Это вращение направлено на удержание позиции оптического блока неизменной в пространстве. Таким образом замыкается обратная связь в автоматической системе управления. Итак, целью управления является поддержание фиксированного положения оптического блока в пространстве вокруг двух осей вращения, курс и тангаж. Линейные перемещения оптического блока не компенсируются.

Были рассмотренны структурная схема системы стабилизации линии визирования в целом и каждый блок был рассмотрен в отдельности. Точность и динамика всей системы зависит от правильной работы каждого блока и корректной передачи информации между ними, но данная работа не покрывает всю систему, а только некоторую её часть. Основываясь на структурной схеме, можно показать область или часть системы, в которой проводится исследование, в основном, это блок преобразования сигнала, АЦП и микроконтроллер. Другими словами, область исследования, данной работы, это преобразование сигнала угловой скорости гироскопа в цифровой вид, с целью удовлетворя всем требованим. Для этого преобразование необходимо выполнить максимално эффетивно.

2.2 Исследуемая область системы стабилизации линии визирования с точки зрения предъявляемых требований

Система стабилизации должна выполнять компенсацию вращения в двух направлениях, курс и тангаж. Это углы поворота относительно вертикальной и относительно главной (горизонтальной) поперечной оси инерции, соответственно. На крен, что есть угол поворота относительно продольной оси, система не должна. Вращение относительно одной оси будет рассмотрено далее для простоты изложения, пусть это будет курс. Вращение относительно оси тангажа аналогично.

В общем случае, система может имеет как линейное, так и угловое перемещение. Такая траектория может быть разбита на множество дуг с некоторыми радиусоми. Это показано на рисунке 7а.



Рисунок 7 -- Обобщённое (а) и упращённое (б) движение системы стабилизации линии визирования и ошибка стабилизации б

Фигура, изображённая на русунке, показывает вид сверху схематически изображённой системы стабилизации, представленна в виде двух основных частей: корпус и оптический блок. Эта абстракция сделанна для облегчения рассмотрения работы. Оптический блок -- это светопреломляющее тело (линза или зеркало), которое остается неподвижным в пространстве относительно инерциальной системы координат, за счет чего достигается стабилизация линии визирования. В свою очередь, корпус движется в пространстве и может совершать как угловые вращения, так и линейные перемешения. Другими словами, траектория корпуса может быть любой, и он может иметь любую угловую скорость в определённом диапазоне. Следовательно, оптический блок вынужден совершать линейные перемещения. И оставаться полностью неподвижным в пространстве он не может. Но он может, и более того, он должен совершать только поступательное движение и оставаться неподвижным в плане углового вращения. Поступательное движение -- это такое движение, при котором любой отрезок прямой, связанный с движущимся телом, форма и размеры которого во время движения не меняются, остается параллельным своему положению в любой предыдущий момент времени. Это достигается за счет работы системы стабилизации. Другими словами, цель работы системы стабилизации -- это осуществление точного поступательного движения оптического блока.

Далее, линейные перемещения, рассматриваться не будут, потому что система не реагирует на них. Она не можен на них реагировать из-за своей конструкции. Но она реагирует и отрабатывает угловые перемещения. Это обстаятельство упрощает схему функционирования системы, которая показана на рисунке 7 (б). В этом случае и корпус, и оптический блок совершают только угловые перемещения относительно центра масс. Когда корпус отклоняется на угол в, оптический блок должн оставаться в состоянии покоя. Это идеальная работа системы стабилизации. Но в действительности, оптический блок поворачивается на определенный угол б. В сущности, этот угол есть ошибка работы системы или ошибка стабилизации, которая существует всегда, но важна её величина. Чем она меньше, тем лучше. В основном, она связанна с трением между корпусом и оптическим блоком и неточной работой электронной аппаратуры, которая должна компенсировать трение на основе сигналов с датчиков используя двигатели. Другими словами, цель системы состоит в сведении к нулю угла б. Когда система работает, то угол б всегда меньше угла в, но если система выключена, угол б может быть любым, даже больше чем в.

Таким образом, система должна минимизировать угол б. Это делается на основе сигнала угловой скорости гироскопа. Гироскоп соединён механической связью с оптическим блоком. Когда он начинает менять положение в пространстве, система реагирует на это. И оптический блок возвращается в исходное положение с помощью электродвигателя.

Обобщая вышесказанное, в реальности, оптический блок, отклоняется на небольшой угол б от исходного положения, когда корпус врящается. Угол б это ошибка стабилизации. Угол в это угол отклонения корпуса от начального положения или это возмущение воздействие на систему.

Реакция системы на возмущающее воздействие не является мгновенной. Тоесть, существуют переходные процессы. Примееры таких переходных процессов показаны на рисунке 8. Возмущающее воздействие показанно красной линией. Это угол поворота корпуса (в). Реакция системы или ошибка стабилизации показана зеленой линией. Это угол отклонения оптического блока от начального положения (б).

Рисунок 8 -- Примеры реакции системы на различные возмущающие воздействия



Эти графики показывают ошибку стабилизации при различных возмущающих воздействиях. Это только пример, и не обязательно, что на практике будут такиеже графики. Но русунок 9 показывает общий смысл работы системы. То есть, ошибка система не постоянна с течением времени. Она зависит от возмущающего воздействия и конфигурации системы.

Существует два главных момента в работе системы стабилизации. Первое, система стабилизации должна уменьшать максимальную ошибку системы при различных возмущающих воздействиях во времени. При этом, это должно происходить с максимальной точностью, тоесть ошибка стабилизации должна стремится к нулю. И второе, система должна правильно реагировать на быстрые или резкие возмущающие воздействия. Первое можно назвать точностью, а второе динамикой. Конечно, в общем смысле динамика и точность являются примерно похожими понятиями в конкретном случае. То есть и то, и другое есть минимизации ошибки стабилизации. Но главное отличие в том, насколько большое возмущающее воздействие в каждом случае. В первом случае ошибку системы необходимо свести к нулю с высокой степенью точности. В другом случае, достаточно среагировать правильно на возмущающее воздействие. Потому что, в конце концов, все сводится к первому случаю. Большая угловая скорость постепенно уменьшается за счёт работы системы стабилизации. И поэтому, важно, чтобы система в полной мере среагировала на ранней стадии возникновения большой угловой скорости, а затем достаточно быстро и точно довела ошибку к нулю. И так, точность реакции системы не важна на больших угловах скоростях, а важна правильность реакции. А на малых угловых скоростя важна и правильность и самое главное точноность.