迟晓鹏，罗卫兵，刘广斌 （工程大学信息工程系，陕西西安７１００８６） 摘要：机载摄像机是微型无人机实施战术侦察的关键设备。本文突破传统机载摄像机采用定焦或基于ＤＳＰ聚焦的思路，在特 定飞行高度，提出变倍同步聚焦技术，并对变倍同步聚焦的基本原理、台阶拟合法等技术进行了研究，对镜头凸轮曲线进行了设 计，并利用ＺＥＭＡＸ软件对凸轮曲线进行了拟合和优化，设计了相应的驱动控制电路和视频采集系统。经过飞行测试验证。所设 计的快速变倍同步聚焦摄像机的性能达到了空中侦察要求。 中图分类号：ＴＮ９４７ 文献标识码：Ａ 关键词：微型无人机；变焦摄像机；变倍同步聚焦镜头；步进电机驱动 ＤＯＩ：１０．１９３５８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４．７７２０．２０１６．０９．０２８ 引用格式：迟晓鹏，罗卫兵，刘广斌．微型无人机变焦摄像机设计［Ｊ］．微型机与应用，２０１６，３５（９）：９７．１００． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｎｉ—ＵＡＶ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｚｏｏｍ ｃａｍｅｒａ Ｃｈｉ Ｘｉａｏｐｅｎｇ，Ｌｕｏ Ｗｅｉｂｉｎｇ，Ｌｉｕ Ｇｕａｎｇｂｉｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＰＡＰ，Ｘｉ’ａｎ ７１００８６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｒｂｏｒｎｅ ｃａｍｅｒａ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｔａｃｔｉｃａｌ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ ｏｆ ｍｉｎｉ—ＵＡＶＴｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｒｅａｋｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｒａｄｉｔｉ０ｎ． ．ａｌ ｗａｙ ｆｏｒ ＤＳＰ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｒ ｆｉｘｅｄ ｆｏｃｕｓ ｏｆ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｃａｍｅｒａｓ．Ｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ａｌｔｉｔｕｄｅｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｅｎｓ ｃａｍ ｃｕｒｖｅ，ｆｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃａｍ ｃｕｒｖｅ ｕｓｉｎｇ ＺＥＭＡＸiol，ｖｉｄｅｏ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｆｏｃｕｓ ｚｏｏｍ ｃａｍｅｒａ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｅｒｉａｌ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ． zzzPsg０ 引言 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉ ＵＡＶ；ｚｏｏｍ ｃａｍｅｒａ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｆｏｃｕｓ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓ；ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ 微型无人机在低空侦察过程中，视野变化较快，动态 范围较大，现有的机要么无变焦功能，只能进行 大范围侦察，对具体目标重点侦察时，需要进一步降低无 人机的飞行高度来实现，增加了行动风险…；要么采用常 规技术的变焦摄像机，因ＤＳＰ芯片运用聚焦算法致使响 间长、反应迟钝等现象 。国内微型无人机机载摄像机 为货架商品，无法达到战术侦察要求。美军微型无人机搭 应速度慢、图像高频分量捕获不准确，出现摄像机变焦时 载的变焦摄像机，对中国禁售且实行技术封锁，无法在市 场购买其成品。本文研发的适用于微型无人机的快速变 焦摄像机，能够满足相关战术侦察需求。 １ 关键技术研究 １．１ 变倍同步聚焦原理 微型无人机在高空侦察过程中，离地高度通常在１００ ～１ ０００ ｎｌ之间，在日常的模拟训练和实际的作战侦察中， 无人机飞行高度通常在１００ ｍ以上。假设物距在１００ ｍ 以外，而摄像机的焦距在３～６０ ｍｍ，透镜成像公式为： ÷－一一＝一 “ ｐ－÷：÷ ， （Ｉ １ｌ ）ｌ 《微型机与应用）２０１６年第３５卷第９期 ePfr，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｆｏｃｕｓ ｚｏｏｍ ａｎｄ ｓｔｅｐ ｆｉｔｔｉｎｇ ｗａｓ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ 其中，“为物距， 为像距，，为焦距。与焦距相比，物 距可以近似看成无穷远的距离，所以在摄像机镜头设计过 程中，可将物距看作无穷远，将变焦的连续过程分解成一 个连续的微分过程。在变焦过程中，步进电机每推动变倍 镜元组向前移动一定距离，通过实验和软件仿真计算的方 法，使相应的补偿组元进行微小的移动，找到一个像面达 到最清晰时的点位。相对于焦平面，所有镜片组元的点位 可以在计算机内存储，将透镜组的变焦与聚焦步长通过提 前运算和修正，固化到两条不同的螺旋曲线运动轨迹上， 变焦步长可以分解为若干个足够精细的连续点，螺距每前 进或后退一个步长，在另一条螺旋曲线上对应一个聚焦补 偿组的输出位置，将所有步长提前计算和实际校准后，形 成一个固化的透镜组距离“表”，利用步进电机驱动，每个 步长对应一个螺距，步进电机通过减速组很容易达到０． １．２台阶拟合法 Ｏ１。／ｓｔｅｐ的精度，如此就实现了连续变焦时的同步聚焦。 台阶拟合法是通过多段的频率跳跃逐渐达到比较高 的频率 。其原理如图ｌ所示。该方法程序设计简单，负 载力矩较小。在升速过程中，开始频率跳跃可以比较大， 每一频率段持续时间较短，随着频率的升高，频率跳跃逐 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ ９７ p微型无人机变焦摄像机设计 zzzPsgiolePfrpＣａｓｅｓ ｏｆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 图４主程序流程图 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。本系统采用定时中断实现单步步长。定时中断 服务程序流程如图５所示。 loig图５定时中断服务程序实现步进电机单步运行 ４视频采集处理系统 ４．１ 视频采集处理硬件设计 s系统视频采集处理系统主要由ＣＭＯＳ图像传感器芯 片、处理器、变倍同步聚焦镜头、数传电台等部分组成，如 P图６所示。视频信号源来自变倍同步聚焦镜头，光信号经 镜片照射到数字图像传感器的ＣＭＯＳ感光元件上，图像传 感器采集视频信号，经内部集成的解码电路完成模／数转 换，输出符合ＣＣＩzＲ６０１标准的ＹＵＶ４２２数字视频信号、行 同步信号、场同步信号及奇偶场指示信号，通过处理器内 z图６视频采集系统框图 《微型机与应用））２０１６年第３５卷第９期 置的压缩电路对采集到的图像数据进行ＭＰＥＧ一４压缩， 将数据暂存，由处理器通过数传电台将图像数据传到地面 控制站的计算机中。 ４．２ 软件实现 视频采集及处理系统的软件部分主要包括：图像传感 器初始化、处理器初始化、存储器切换、读取并发送压缩数 据等。主要程序流程图如图７所示。p rfP图７视频采集处理主程序流程图 ５ 图像测试结果及分析 为检验产品性能，更直观地观测实验结果，利用某型 处理器芯片将视频信息以数字形式通过ＭＰＥＧ－４压缩后 送到数传电台输出，地面控制站通过数传电台接收数字信 息再经视频采集盒编码传至显示器上。此视频输出设计 有利于观察和记录图像处理的各个阶段，便于程序调试。 将变焦摄像机安装到微型无人机下方，将无人机置于 空中巡航模式，设定速度为５０ ｋｍ／ｈ，图８所示为无人机瞬 时速度ｌ４．２ ｍ／ｓ、距地面１３２．８ ｍ高度时采集的视频信息。 （ａ）焦距为４ ｍｍ成像场景 （ｂ）焦距为９ ｍｍ成像场景 图８无人机载视频采集 实验还对镜头从最小焦距到最大焦距变化时的响应 时间进行测试，采用本文设计的摄像机与普通数码摄像机 分别进行连续变焦实验，通过录像，由编辑软件计时，得到 ｌ０组数据再取平均值。 实验结果表明，所设计的４～９ ｍｍ镜头在用模板测 试过程中，无“虚点”导致的图像模糊现象；进行２．５倍变 焦时间为０．３６ ｓ，优于普通数码摄像机０．８３ ｓ的响应时 间；改进的３．７～ｌ４．８ ｍｍ镜头进行４倍变焦时间为 ０．５７ ｓ，具有更好的变倍同步聚焦功能。图９所示为３．７ ｍｍ和１４．８ ｍｍ焦距时的黑白检测板图像。经过一系列 的测试实验，摄像机各项参数基本达到了预期设计要求， 在变焦过程中，步进电机沿着凸轮曲线的路径推动镜头各 组元快速运动，保持了像面平稳，基本无抖动。 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ ９９ zeＣａｓｅｓ ｏｆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ［６］宁成军，史忠科．一种小型无人机地空跟踪监视系统设计与 （ａ）焦距３．７ ｍｍ检验模板 （ｂ）焦距１４．８ ｍｍ检验模板 图９ ３．７—１４．８ ｍｍ镜头采集检验模板视频截图 实现［Ｊ］．测控技术，２０１１，３０（２）：３１—３４． 速控制［Ｊ］．微电机，２０１４，４７（１）：８１—８５． ［７］孙孔政，徐抒岩，曹小涛，等．基于矩频曲线的步进电机加减 ６ 结论 本文在特定高度提出了变倍同步聚焦技术并分析其原 理，对机载摄像机的光学镜头和凸轮曲线进行设计，对镜头 ［８］关棒磊，孙祥一，尚洋，等．晃动平台上对空拍摄大视场摄像 机的标定方法［Ｊ］．光学学报，２０１５，３５（７）：１８１—１８７． 控制系统和视频采集系统进行了研究。经实验测试，本文 设计的机载摄像机符合要求，能够有效提升战斗力。 参考文献 指挥控制，２０１５，４０（５）：１６７—１７０． ［１］王庆江，彭军，倪保航，等．无人机侦察效能研究［Ｊ］．火力与 ［２］迟晓鹏，罗卫兵，丁影，等．微型无人机变倍同步聚焦镜头控 制系统设计［Ｊ］．电视技术，２０１１，３５（５）：４８４９． 与实现［Ｊ］．电子技术应用，２０１５，４１（１）：３６—３８． ［３］汪旭莹，邓卫燕，张飞，等．红外球形摄像机补光系统的设计 （上接第９６页） iol作者简介： ［２］张逢雪，王香婷，王通生，等．基于ＳＴＭ３２单片机的无线智能 家居控制系统［Ｊ］．自动化技术与应用，２０１１，３０（８）：９８—１０１． 大学出版社，２００９． ［３］徐端全．嵌入式系统原理与设计［Ｍ］．北京：北京航空航天 ［４］李宁．基于ＭＤＫ的ＳＴＭ３２处理器开发应用［Ｍ］．北京：北 zzzPsg合。新型ＣＡＮ收发器系列的主要特点和优势： ·符合国际领先的电磁兼容（ＥＭＣ）标准 材料成本和空间。 据传输能力。 更多的ＣＡＮ总线节点。 １００ ＴＩ发布具有业界领先ＥＭＣ性能的无堵塞 高速ＣＡＮ收发器系列 器（ＴＩ）推出了两个系列的控制器区域网络（ＣＡＮ）收发器，可满足美国和欧洲汽车制造商所有的 ）工业要求。ＴＣＡＮ１０４２和ＴＣＡＮ１０５１ＣＡＮ收发器系列具有强大的总线故障保护功能、快速ＣＡＮ ＦＤ）和业界最短的环路延迟时间，可以为多种汽车和工业应用提供业界最佳的保护和高性能组 ·可去除共模扼流圈：这些器件无需外部噪声来抑制共模扼流圈组件，从而减少了汽车和工业设计过程中的 ·强大的总线故障和静电放电（ＥＳＤ）保护功能：除防护２４ ＶＤＣ工业电源外，高达７Ｏ Ｖ的高总线故障保护超出 了１２ Ｖ、２４ Ｖ和４８ Ｖ电池的要求，可以防止ＣＡＮ总线引脚出现短路直流电压。 ·增加带宽：高达５ Ｍｂ／ｓ的快速ＣＡＮ ＦＤ速度提高了ＣＡＮ网络上电子控制单元和节点之间的通信速度和数 ·业界领先的灵活性：业界最短的环路延迟，仅为１７５ ｎｓ，可以实现具有更多余量的系统 设计，更长网络时间和 ePfr作者简介： ［９］蔡伟，周乃恩．基于环形缓存技术的无人机数据接口设备设 计［Ｊ］．微型机与应用，２０１３，３２（２）：７－８． （收稿日期：２０１６—０ｌ—Ｏ６） 迟晓鹏（１９８２一），男，博士研究生，主要研究方向：军事通信。 罗卫兵（１９６９一），男，博士，教授，博导，主要研究方向：军事 通信。 刘广斌（１９９０一），男，硕士研究生，主要研究方向：军事通信。 京航空航天大学出版社，２００８ （收稿日期：２０１６－０１—１４） 郝沛（１９８９一），男，硕士，主要研究方向：嵌入式硬件系统设 计与系统驱动软件设计。 《微型机与应用））２０１６年第３５卷第９期 p／ Ｖ 一国 ［４］马文斌，杨延竹，洪运．步进电机控制系统的设计及应用 ［Ｊ］．电子技术应用，２０１５，４１（１１）１１—１３． ［５］李零印，王一凡，薛育．基于数字信号处理技术的连续变焦 镜头控制系统设计［Ｊ］．光子学报，２０１１，４０（９）：１３４６·１３４９． （ＴＩ供稿）
