微型无人侦察机变倍同步聚焦镜头控制

罗卫兵，迟晓鹏，丁 影

(武警工程学院，西安 710086)

0 引言

微型无人侦察机以其布置迅速、方便灵活的特点，在各个领域得到广泛应用［1－3］。但由于微型无人侦察机载荷小，在实际应用中，选用商品化的变焦摄像存在体积大、重量大等问题，制约其功能扩展。在高速飞行过程中，变焦完成后一般通过DSP算法进行聚焦，但其响应时间长，无法满足无人侦察机高机动的应用要求，而普通微型镜头无变焦功能。本文运用微型无人侦察机飞控内部STM32F103RB ARM处理器的富余I/O资源，设计了一款重量轻、变焦快，且同步聚焦的小型摄像系统，可通过飞控的遥控指令实现连续快速变倍与同步聚焦功能。

1 硬件系统工作原理及结构设计

传统的摄像机或照相机在变焦过程结束后，通常要通过 DSP进行算法聚焦［4－5］，导致时间延迟增大;而微型无人侦察机在进行侦察过程时，飞行速度快、景物动态范围大，搭载传统的摄像机或照相机要实现快速聚焦，且满足清晰拍摄就变得非常困难，为解决这一难题，设计了一个变倍同步聚焦镜头。

1.1 同步聚焦原理

微型无人侦察机飞行高度通常大于10 m，在100～1000 m之间，摄像系统焦距与无人机飞行高度之比可达到1:100000，因此侦察目标可近似为无穷远。这样就可以计算出目标在无穷远处，系统焦距每增减0.01mm，在保证目标清晰时，镜片组之间的距离和各镜片到CCD传感器靶面的距离。将这些距离点位进行拟合后可得到两条聚焦曲线，如图1所示。其中:A1D1为镜头在变倍同步聚焦过程中变倍组运动曲线;A2D2为补偿组运动曲线。变倍组由A1→B1与B1→C1用时相等且运动距离相同，而补偿组为保证图像清晰，在A2→B2与B2→C2中用时相等但距离不同，这相当于一个物理二维距离表，将此表加工到镜筒内壳，用步进电机驱动输出，在变焦的同时同步完成快速聚焦。

图1 变倍同步聚焦曲线Fig.1 Curve of zooming and focusing

1.2 硬件结构

地面控制站要求对微小型无人机机载镜头进行实时变焦:1)要确保图像信息的清晰采集;2)要完成对镜头的实时控制。镜头光学部分如图2所示。

图2 镜头光学系统简图Fig.2 Diagram of lens optical system

飞控系统中的ARM芯片除完成姿态测量、飞行控制和遥控遥测通信外，其富余的资源还可用于镜头的控制。系统结构框图如图3所示。镜头控制主要由ARM单片机、步进电机驱动器、步进电机、CCD镜头、地面控制站、数传电台等几部分组成。

图3 系统结构框图Fig.3 Diagram of system architecture

其中，微处理器选用了意法半导体公司的STM32F103RB系列ARM单片机芯片［6］。该芯片作为微型无人机飞行控制与导航的CPU，具有高性能、低成本、低功耗的特点。在镜头控制系统中，它的主要作用是:1)通过程序实现飞行过程中的自动拍摄功能;2)检测变焦过程中的系统故障和错误;3)根据地面控制站指令，完成步进电机控制，实现镜头变焦;4)记录当前镜头倍率及GPS坐标与时间。

步进电机驱动电路完成的主要功能为［7］:步进电机的正反转、速度控制，对步长精确控制，按照CPU计算结果，实现镜头的变倍同步聚焦。

2 步进电机驱动电路设计

系统硬件电路设计主要由ARM处理器和驱动电路组成。

2.1 ARM处理器I/O接口

系统利用STM32F103RB处理器定时功能产生控制信号［8］。针对现有资源完成以下设计:1)通过16位的定时器，控制步进电机的周期和步长，使步进电机周期在几微秒到几毫秒间调整;2)处理器引脚PC6、PC7、PC8和PC94个口输出的时序方波经驱动器MD127芯片转变成步进电机的驱动信号。步进电机有3种状态:前进、后退、停止，对应地面控制站的3条指令。当16位定时器溢出位时，产生内部中断，完成单步驱动，通过调整定时长度可以实现灵活控制步进电机速度的目的［9］。

2.2 驱动电路

步进电机使用Faulhaber公司的AM1220－V3－ee，为两相四线微型步进电机，步矩角为18°，直径为12mm，重量仅为9 g。步进电机安装于镜筒上方，镜筒通过卡槽与CCD传感器芯片相连，步进电机转轴与减速齿轮啮合。步进电机转动时，通过减速齿轮推动固定在镜筒内侧凹槽上的两组镜片。驱动电路的驱动器采用了SiTI公司的MD127，考虑到微型无人机进行侦察时大气温度通常在－40～+80℃，为保证镜头能够正常工作，工作电压为5 V时，步进电机最大驱动电流可以达到500 mA。MD127是一个低电压操作，高效率MOS控制驱动器，芯片超小、超轻，并具有热关断保护功能。驱动器芯片的4个输入引脚连接单片机的4个I/O口，通过驱动器的两组对称输出引脚来控制步进电机，见图4。

图4 电机驱动硬件电路Fig.4 Motor driving circuit

3 系统软件设计

镜头控制系统的系统软件主要由主控制程序、串口通信程序、定时中断服务程序等构成。主控制程序是通过对指令或信令解析出步进电机的停止、正转和反转等状态标识。定时中断服务程序将脉冲信号送入MD127驱动器中，按要求实现步进电机的方向和速度变换，实现变倍同步聚焦。该系统采用定时中断实现单步步长，定时中断服务程序如图5所示。图6为两相步进电机工作时序波形。

图5 定时中断服务程序流程图Fig.5 The flow chart of timer interrupting service routine

图6 双四拍两相步进电机驱动时序Fig.6 Sequence diagram of bi-directional，four-step and two-phase stepper motor driver

4 成像试验

微型无人侦察机载荷小，难以搭载市售数码摄像机，变倍同步聚焦镜头性能测试为通过车载运动对车外100 m目标进行试验。试验条件为:30万像素、汽车速度15 m/s、曝光时间1/100 s。试验分为两组:第1组在系统为3.8mm焦距时拍摄目标，成像如图7所示。

图7 3.8mm变焦距系统截图Fig.7 Screenshot of 3.8mm zoom system

第2组进行2倍变焦后拍摄，成像如图8所示。

图8 2x变焦距系统截图Fig.8 Sreenshot of 2x zoom system

实验还对镜头最小焦距到最大焦距响应时间进行测试，实验结果为:所设计镜头3倍变焦时间为0.4 s，优于普通30万像素数码摄像机0.6 s的响应时间，实验达到预期要求。

5 结论

本文介绍了一种步进电机驱动实现的快速同步聚焦UAV机载镜头控制系统，并对系统电路进行了设计。系统电路简单、轻巧灵活，已用于微型无人机系统。经试飞表明，该控制系统能可靠地驱动CCD镜头快速变倍同步聚焦，图像连贯性好，有很好的实用价值。

［1］李南翔.微型无人机飞控系统的设计与实现［D］.西安:武警工程学院，2008.

［2］冯琦，周德云.军用无人机发展趋势［J］.电光与控制，2003，10(1):9-13.

［3］王重秋，李锋，张靖.无人作战飞机系统综述［J］.电光与控制，2004，11(4):41-45.

［4］冯华君.一种用于数字成像的自动对焦系统［J］.光电工程，2004，31(10):69-72.

［5］梁翠萍，李清安，乔彦峰，等.简析光学系统自动调焦的方法［J］.电光与控制，2006，13(6):93-96.

［6］STM32F103RB microcontrollers［EB/OL］.http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/13587/stm32f103rb.p df.2008.

［7］郑春阳，李胜利，徐敏.采用步进电机的CCD自动聚焦控制系统［J］.微特电机，2004(2):29-30.

［8］Driving bipolar stepper motors using a medium-densitySTM32F103xx microcontroller［EB/OL］.http: //www. st.com/stonline/products/literature/an/14946.pdf. 2009.

［9］彭旭昀.机电控制系统原理及工程应用［M］.北京:机械工业出版社，2007.