（控制理论与控制工程专业论文）步进电机的智能控制在自动聚焦中的应用研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 步进电机的智能控制在自动聚焦中的应用研究 摘要 近年来，作为视频监控核心设备的一体化摄像机已经随处可见，其特 点是小巧灵活、安装方便。因此，本文以一体化摄像机为研究对象，对其 控制系统进行了设计和实现。首先对一体化摄象机控制系统中的自动聚焦 技术，步进电机结构原理和步进电机的控制技术等进行了研究。然后以单 片机为主控制器提出了整个控制系统的硬件设计方案，在此基础上对各个 模块的电路进行了详细设计。接着介绍了步进电机软件控制开发的流程和 部分模块的软件设计。 本文通过频域带通法对c c d 输出的视频信号进行模拟带通滤波，提取 高频分量，然后对高频分量进行简单运算来构建评价函数的一种方法，采 用频域带通法搭建自动对焦系统具有运算简单和成本低廉的优点。针对传 统爬山算法存在的问题提出了改进模型，该模型采用两次穷举搜索即可确 定最佳成像位置，第一次采用变步长粗略搜索，第二次用最小步长细扫。 将改进的爬山算法用到基于单片机的自动对焦系统实验平台中，使系统在 保证对焦精度的情况下极大地提高了对焦速度。 在理论上研究和推导出两相混合步进电机的升降频曲线，以及在实际 运行中步进电机升降频理论的实现，寻找出最速控制的方法，并采用单片 机软件升降频控制策略，解决了点位控制中的失步和两相混合步进电机行 程末端的机械冲击问题。利用细分控制技术保证了电机运行的平稳性，并 进行了波形分析和理论研究。 太原理工大学硕士研究生学位论文 模糊控制模仿人的决策能力和推理功能，是又一类智能控制的形式。 本文研究了模糊控制理论及其软件实现。控制参数根据不同的偏差要求， 运用模糊p i d 控制而选择不同的参数，从而改善各局部性能，促使整体性 能提高。通过f u z z y - p i d 控制和常规p i d 控制进行了仿真对比。然后，将 模糊控制和p i d 控制结合成模糊p i d 控制，用m a t l a b 软件对该控制方法作 了仿真。实验结果表明，对于自动聚焦系统而言，相比传统的p i d 控制， 智能模糊控制的响应具有较小的超调量和快速稳定能力，其控制品质明显 高于传统的p i d 控制性能指标。 关键词：c c d ，f u z z y - p i d 控制，自动聚焦，单片机，两相混合步进电机 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d yo fa u t o f o c u sb a s e do n t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo fs t e p p i n g m o t o r a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，z o o mc a m e r a sw h i c ha r et h ec o r ee q u i p m e n to fv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e m sc a nb es e e ne v e r y w h e r e z o o mc a m e r a s a r es m a l lw i t hg o o d f l e x i b i l i t ya n de a s yt oi n s t a l l s ot h i sp a p e rr e s e a r c h e sz o o mc a m e r a sa n d d e s i g n s t h ec o n t r o l s y s t e m o fi t f i r s t l y , t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ek e y t e c h n o l o g i e ss u c ha st h ea u t o f o c u st e c h n o l g y , a n dt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo f t w o - p h a s eh y b r i ds t e p p i n g - - m o t o ra n dt h ec o n t r o lo fs t e p p i n g - - m o t o r s e c o n d l y , t a k i n gm c u a st h ec o r e ，t h i sp a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r es c h e m e o nb a s eo f t h a t ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ed e t a i l c i r c u i t s o fe v e r ym o d u l e t h i r d l y , t h e p r o c e d u r eo fs o f tw a r ed e v e l o p m e n to fs t e p p i n g m o t o ra n ds o m em o d u l eo f s o f t w a r ed e s i g na r ei n t r o d u c e d b yt h ew a yo ff r e q u e n c yd o m a i nb a n d p a s sm e t h o d ，v i d e os i g n a l sf r o m c c d i m a g es e n s o rp a s s e dt h r o u g hab a n d - p a s sa n a l o gf i l t e rt op i c ku ph i g h f r e q u e n c y , w h i c ha r eu s e dt oc o n s t r u c ts i m p l ef o c u se v a l u a t i o nf u n c t i o n s a u t o f o c u ss y s t e m sb a s e do nf r e q u e n c yd o m a i nb a n d p a s sf i l t e rm e t h o da r es i m p l y c a l c u l a t e da n di n e x p e n s i v e l yc o s t a n da i m i n ga tt h ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a l h i l l c l i m b i n gs e a r c h i n g ( h c s ) a l g o r i t h m s ，p u t sf o r w a r d a no p t i m i z e dh c s m o d e l ，w h i c ha r et w i c es e a r c h e s - i na l lt of i xo nt h eb e s ti m a g i n gp o s i t i o n ，f i r s t l y ii i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c u r s o r i l y s e a r c h e si naw i l db o u n dw i t hi n c o n s t a n t s t e pl e n g t h ，s e c o n d l y e l a b o r a t e l ys e a r c h e si nan a r r o wb o u n dw i t ht h em i n i m a ls t e pl e n g t h t h e o p t i m i z e dh c s m o d e li su s h e r e di n t os i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rb a s e do nt h e a u t o f o c u ss y s t e mr e s e a r c hp l a t f o r ma n di sa b l et oa c q u i r ear a p i df o c u s s i n g s p e e da n da na c c u r a t ef o c u s s i n ge f f e c t t h ed e s i g nt h e o r e t i c a l l ye d u c e sr a i s i n g - l o w e r i n g f r e q u e n c y c u r v eo f s t e p p e rm o t o r , a n a l y z e sr e a l i z a t i o no fr a i s i n g l o w e r i n gf r e q u e n c yt h e o r yi n a c t u a l l yt w o - p h a s eh y b r i ds t e p p i n g m o t o rr u n n i n ga n df i n d so u tt h eo p t i m a l c o n t r o lm e t h o d ，t h e na d o p t sr a i s i n g l o w e r i n g f r e q u e n c yc o n t r o l m e t h o dt o e l i m i n a t et h ep o s i t i o nl o s so fp o i n tt op o i n tp o s i t i o nc o n t r o la n dt h em e c h a n i c a l i m p a c to fd i s t a n c et e r m i n a t i o ne f f e c t i v e l yb ys i n g l e c h i ps o f t w a r es t r a t e g y b y t h ew a yo fm i c r o - s t e p p i n gc o n t r o lt h ed e s i g ni n s u r e st h et w o p h a s eh y b r i d s t e p p i n g m o t o rr u n sm o r es m o o t h l ya n da n a l y s e sc u r v eo fr u n n i n ga n dr e s e a r c h t h e o r yo f i t f u z z yc o n t r o lw h i c hi m i t a t e st h ea b i l i t i e so fi l l a t i o na n dd e c i s i o n ，i sa n o t h e r f o r mo fi n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 f u z z yc o n t r o la n di t ss o f t w a r er e a l i z a t i o na r es t u d i e d i nt h ep a p e r i no r d e rt oi m p r o v et h ep a r t i a la n di n t e g r a lp e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e r p r o p o s e st h ec o n t r o lm e t h o do ff u z z y - p i d t os e l e c tt h ef a c t o rw i t ht h ed i f f e r e n t e r r o r c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n df u z z y - p i dc o n t r o lb y s i m u l a t i o n ，f u z z y p i dc o n t r o lb e h a v e sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l i n m a n ya s p e c t so ft h ec o n t r o lq u a l i t i e s a f t e rf u z z y p i dc o n t r o li ss i m u l a t e d ，t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dh a sg o o dc o n t r o le f f e c t s r e a l i z a t i o ns h o wt h a t ， i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，t h eo u t p u tr e s p o n s eo ff u z z yc o n t r o l h a ss m a l l e rt u n n i n gt i m ea n df a s t e rs t a b i l i t ya n di t sc o n t r o lq u a l i t yi sb e t t e rt h a n t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n de n h a n c et h ea b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r e n c et on o i s e k e yw o r d s ：c c d ，c o n t r o lo ff u z z y - p i d ，s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ， a u t o - f o c u s ，t w o - p h a s eh y b r i ds t e p p i n g m o t o r v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表目录 图2 1 摄像头控制系统原理框图一7 图2 2 优化的爬山算法的示意图1 0 图2 3 两相混合步进电机结构图1 2 图2 4 单4 拍供电的转矩矢量星形图1 3 图2 5 单8 拍供电的转矩矢量星形图1 3 图2 - 6 单双相八拍二细分两相电流波形图1 8 图2 7 牵入转距曲线图2 0 图2 8 牵出转矩曲线图2 l 图2 - 9 最佳控制曲线图2 2 图2 1 0 模糊系统简化框图2 6 图3 1图像采集电路图3 2 图3 2d s p 图像处理电路图3 4 图3 3同步信号处理电路图3 5 图3 - 4 带通滤波电路图3 5 图3 5 倍压整流电路图3 6 图3 - 6 字符叠加电路图3 8 图3 7 单片机控制单电路图3 9 图3 8h 桥驱动电路图4 0 图3 - 9 电源供电电路图4 l 图3 1 0 电磁干扰传播途径及干扰对象图：4 2 图3 1 1 光耦隔离电路4 4 图3 1 2 看门狗电路4 4 图4 1变步长穷举搜索流程图4 8 l 图4 2主程序流程图4 9 图4 3 升降频控制主程序流程图5 0 图4 4t o 中断服务流程图一5 1 表4 1电机速度挡与定时器的计数值5 2 x i 太原理：大学硕士研究生学位论文 图4 5 最佳控制曲线图5 3 图4 6自适应模糊p i d 控制器结构图5 8 图4 7e 隶属函数图6 i 图4 。8a e 隶属函数图6 1 表4 - 2 k 的模糊规则表6 2 表4 3k i 的模糊规则表6 2 表4 4k 的模糊规则表6 2 图4 9 在线自校正工作流程图6 3 表4 5u 模糊控制规则表6 4 图4 1 0 控制量z f 响应曲线图6 5 图4 1 1 去除奇异波流程图6 6 图5 1图像模糊实物图7 2 图5 3 图像模糊时复合视频电压信号图7 2 图5 2图像清晰实物图7 2 图5 4 图像清晰时复合视频电压信号图7 2 图5 5 阶跃响应输入、输出响应图一7 3 图5 - 6 控制误差响应图7 3 图5 7k 自适应调整图7 4 图5 8k i 自适应调整图7 4 图5 - 9k d 自适应调整图7 4 图5 1 0 模糊p i d 控制系统构成图7 5 表5 1 变倍电机的控制模型一7 5 表5 2 变倍和变焦电机向同一方向转动的控制模型7 6 表5 3 变倍和变焦电机向不同方向转动的控制模型7 6 表5 4 升降频控制聚焦时间测量表7 7 表5 5 智能控制聚焦时阃测量表一7 7 x i i 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘差叁鑫日期：垄皇墨：苎：坐 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 j 签名：盘鑫。差日期： 导师签名：亚扯 纱矽，歹、2 弓 日期：三竺量：之：兰兰 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三：酉了匕 一体化摄像机是电视监控系统的核心设备之一。近年来，电视监控系统在安防领域 中的地位和作用日渐突出，这是因为图像( 视频信号) 本身具有可视、可记录及信息量大 等特点，它通观全局、一目了然、判别事件具有极高的准确性。因此，是报警复核、动 态监控、过程控制和信息记录的有效手段【l l 。正是由于这种类型的小型摄像机结构简单， 小巧方便，不像传统摄像机那样有复杂和庞大的控制系统，且应用前景非常广阔。因此 我们将这种类型的摄像机作为我们的研究对象，采用单片机技术来实现其控制系统的设 计。 ”人类传递信息的主要媒介是语音和图像。因此，作为传递信息的重要媒体和手段一 图像信息是十分重要的。它是人们从客观世界获取信息的重要来源。人们在获取图像时， 往往需要长时问对着景物进行调焦，费时、费事很容易产生疲劳而且效果不佳。因此， 实现图像的快速、精确、智能化的聚焦显得十分重要。精确自动聚焦是现代光学成像系 统申必不可少的关键技术。随着科技飞速发展，数字成像系统中的精确、快速聚焦问题 受到人们的普遍关注，自动聚焦技术的应用显得越来越重要，不仅视频监控摄像机需要 自动调焦，其它许多光学仪器，如数码照相机，及光学测量仪等都需要自动聚焦。通用 光学仪器是几何量测量中应用较为广泛的测试仪器，它要求精度高、抗干扰能力强和稳 定性好等性能。但这类仪器常常要对仪器需要进行手动调焦，其调节过程长，调焦精度 受人员主观的影响较大。利用图像传感器所获得的数字图像信息经过d s p ( 数字信号处 理器) 对所采集的图像做出评价并做出相应的搜索策略算法来实现对步进电机智能控制 使其快速、精确自动聚焦则变得十分重要。因此，解决通用光学仪器与现代化数字仪器 相结合的调焦问题，进一步提高测量精度，测量速度及自动化程度，减轻操作人员的劳 动强度是十分必要的。 在精确定位系统及数控系统中，步迸电机是其重要组成部分。据资料统计每年在数 控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，有2 3 以上采用的是以 步进电机作为伺服控制系统的【2 】。因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定 太原理工大学硕士研究生学位论文 位精度，成为提高系统性能的关键所在。目前，电机控制方法已经由传统的p i d 控制方 法发展到性能更优良、结构更简单的数字式p i d 控制方法，并取得了较好的效果，在一 定程度上提高了系统的定位精度。 但是由于定位系统中驱动系统环境复杂多变，且系统动态特性的模型建立涉及到摩 擦特性的分析，同时还要考虑到扰动扭矩的因素，尤其是机械系统的阻尼、刚度惯量等 参数【3 i 4 1 ，尚不能可靠地获得较好的p i d 参数。因此近些年来，随着对控制对象性能要求 的提高，传统的数字p i d 控制方法正向着更先进的模糊p i d 控制方向发展。 本论文将模糊推理机制和常规p i d 控制结合起来针对一体化摄像头的自动聚焦系 统提出并设计了一种p i d 参数自整定f u z z y - p i d 控制器，应用于由步进电机，单片机、 传动机构组成的三维精确聚焦系统。模糊p i d 控制器的突出优点在于，系统参数变化、 负载扰动的情况下仍可得到快速、强鲁棒性控制制效果f 5 】，这也是本文选择这一控制器 进行聚焦定位系统设计的原因。 1 2 系统设计相关技术的历史发展与现状 如今，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的控制技术也 得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷，电机应用已经由过去简单的启停控制、 提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动对 象的机械运动符合预想的要求【6 1 。步进电机的出现，使得聚焦精确定位系统的精度达到 一个更高的级别。步进电机定位系统多采用开环控制，由于步进电机本身的性能及机械 结构等因素的影响都可使定位平台偏离指令值，使系统的精度降低。因此，有效地提高 步进系统的定位精度，挖掘定位系统性能的潜力，对更好的发展精确定位技术有着重要 的意义。 1 2 1 自动聚焦技术的发展及现状 现代人类生活中人们迫切需要获取各种信息、图像，特别是清晰的实时图像( 1 i l j 视 频图像】的各种获取方法、处理技术、传输手段等越来越受人瞩目，所以对焦和自动对 焦技术更有了发展的空间。各种成像系统的聚焦原理都类似，镜头对准景物目标，通过 调整镜头的焦距使其焦点位于感光面上。手动调焦是由大脑直接参与调焦过程的，是否 聚焦的判据由人脑来决定；自动调焦则要由微电脑提取景物的某种特征量，判定是否聚 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 焦，调整镜头参数或恢复景物特征来达到目的的。成像系统中的关键输入设备是以c c d 电荷耦合器件或c m o s 器件作为图像的记录设备，通过对点阵信号的扫描、放大、d 转换，将实际景物图像用数字的方式记录下来并进行各种各样的图像处理，然后将结果 存储起来【8 】。随着电子技术的进步高像素并且性能优良的c c d 器件或c m o s 器件使得 数字成像系统能够得到高品质的数字图像或视频图像。带视频输出的c c d 器件比如 s o n y 公司的i c x 2 2 7 a k 可广泛应用于视频监控、摄像头、p c 电脑眼、保安监视等等。 随着各种成像设备自动化、智能化的迅速发展，自动对焦技术的应用越来越广，照 相机、摄像机、显微镜等都需要自动对焦功能。目前，国内外出现的自动聚焦方法众多， 可分为有源和无源两大类，无源类中又可分为有机( 有电机控制镜头移动) 和无机( 不用电 机的纯数字法) 两类。本文主要对有机方式中半数字自动聚焦方式进行了研究和设计。 1 2 2 步进电机及控制技术的发展 步进电动机上个世纪就出现了，它的组成、工作原理和今天的反应式步进电动机没 有什么本质区别，也是依靠气隙间的磁导变化来产生电磁转矩。上世纪8 0 年代以后， 由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多 样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路组成不仅调试安 装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就定要重新设计电 路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机， 能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必 然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。 步进电机控制技术和普通电动机控制技术的不同之处是步进电机接受脉冲信号的 控制。早期的步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕 组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流与直流 电源接通后，就会在间隙中形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着 接通切换频率的增高，转速就会增大。步迸电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮 数有关【7 1 。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机 和单相式步进电机等。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在使用数控机床的生产 制造中，因为步进电机不需要a d 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所 3 太原理二i 二火学硕士研究生学位论文 以被认为是理想的数控传动的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需 要，在使用中和液压扭矩放大器共同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展， 步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。步进电机也 应用在其他方面，比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应 用中，步迸电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。另外作 为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪 中等等。本文对其在摄像头自动聚焦系统中应用进行研究设计。 1 2 3 模糊控制理论发展及现状 传统的控制理论在处理那些无确定数学模型对象或模型未知、高度非线性、控制任 务和要求较为复杂( 如多变量、多维数、强耦合、时变) 的系统时，常常会显得无能为力； 而信息技术、航天技术及制造工业技术的发展，又要求控制理论能处理更为复杂的系统 控制问题，提供更为有效的控制规律和控制策略。在这种背景下，作为第三代控制理论 的智能控制研究，近十多年来有了令人鼓舞的发展，智能控制理论和传统的微机控制技 术相结合，已经取得了较好的应用效果，正在成为一种大有发展前景的新型微机控制技 术。 模糊逻辑控n ( v u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控铝1 ( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，是以模糊集合论、 模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。 1 9 6 5 年美国加州大学的自动控制理论专家l a z a d e h 开创了模糊数学研究，在1 9 7 3 年给出了模糊逻辑控制的定义和相关定理f 9 】f 1 0 1 1 1 1 。最早取得应用成果的是英国伦敦大学 教授e h m a m d a n i ，1 9 7 4 年他利用模糊控制语句构成模糊控制器，首次将模糊控制理论 应用于蒸汽机和锅炉的控制，取得了优于常规调节器的控制品质，促进了模糊控制应用 技术的发展【l l 】。其控制方法的特点是把人的经验转化为控制策略，为模型未知的复杂系 统控制提供了简便的模式。 1 9 8 7 年，y i n g 在模糊控制理论中首次严格地建立了模糊控制与传统控制器的分析 解关系，其中特别重要的是证明了m a m d a n i 模糊p i ( 或p d ) 型控制器是具有变增益的非 线性p i d 控制器，这些工作都为模糊控制理论与传统控制理论相结合建立了重要的桥梁 【1 2 】【1 3 】【1 4 1 。随后各国的科学家相继将模糊控制方法成功应用于各种自动控制系统中。尽 管模糊控制在概念和理论上仍然存在着不少争议，但是进入上世纪9 0 年代以来，由于 国际上许多著名学者的参与，以及在大量工程应用上取得成功，尤其是对无法用经典与 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 现代控制理论建立精确数学模型的复杂系统特别显得成绩非凡，因而导致了更为广泛深 入的研究。 模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴，其最大的特点就是既 有系统化的理论，又有着大量实际应用的背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大 的阻力；然而在东方特别是在日本，却取得了迅速而广阔的推广应用，模糊控制技术在 地铁机车、机器人、过程控制、故障诊断、交通管理、医疗诊断、声音识别、图像处理、 市场预测等领域得到广泛应用【3 】。1 9 9 2 年，i e e e 召开了第一届关于模糊系统的国际会 议( f u z z yi e e e ) ，决定以后每年举办一次；随后1 9 9 3 年，i e e e 创办了专刊i e e e t r a n s a c t i o no nf u z z ys y s t e m 。近2 0 年来，模糊控制不论是从理论上还是在技术上都有 了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。 1 3 模糊控制在应用方面存在的一些问题 模糊控制技术在定位系统中的应用重要是控制速度及位置信息【l5 1 ，文献 1 6 应用模 糊推理合成规则建立交流电机模型，采用参数自调整方案，以满足过程响应在不同状态 下对控制参数的不同要求。但是，将模糊控制策略直接用于步进电机的速度控制往往得 不到良好的控制效果：控制器的控制精度不高，还会出现稳态误差；增加论域的数量固 然可以提高控制精度，同时也会降低控制器的处理速度，增加数据的存储空间；论域过 小时又有可能导致系统的不稳定【1 7 】。 将模糊控制与其它控制手段结合起来的复合模糊控制比传统控制有更快的动态特 性和更小的超调量，比单纯的模糊控制有更高的稳定精度。此外f u z z y p i d 复合控制1 8 】【1 9 】 是将p i 控制策略引入模糊控制器，在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转 换为p i 控制。这种复合控制比p i 控制有更高的稳定精度。但是，上述的模糊控制器实 际应用到定位系统中，都不同程度的碰到波动大，响应慢，维护困难等问题。本论文采 用模糊p i d 控制器【2 0 【2 1 1 用模糊控制的方法在线整定p i d 参数，利用软件实现设计p i d 参数自整定的f u z z y - p i d 控制器，可以有效提高动态特性，减小超调，提高抗干扰能力 来适应聚焦系统复杂情况。 1 4 论文的主要工作和内容 b 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文以一体化摄像机为研究设计对象，着重对一体化摄像机的自动聚焦系统进行了 研究和设计。为了满足对摄像机的光学系统、视频系统、聚焦系统的控制，我们采用了 a t m e l 公司的单片机m e g a l 6 l 作为主控制器，n e c 公司的u p d 6 4 6 4 为视频字符叠加 芯片，以及步进电机驱动h 桥驱动等进行了硬件电路的设计。在软件设计中，通过聚焦 搜索模块设计策略，对两相混合步进电机控制驱动模块进行软件设计，通过单片机驱动 步进电机对光学系统进行控制，实现了自动聚焦的升降频控制和数字模糊智能化控制。 本文在研究一体化摄像机自动聚焦系统重点针对模糊控制在定位系统中碰到的问题，结 合模糊控制和p i d 控制的优点，论文主要研究了一种参数自适应整定的f u z z y - p i d 控制 器，利用高可靠性的单片机，通过控制步进电机实现精确定位的三维定位系统，应用于 自动聚焦定位系统。 论文的具体工作如下： 1 ) 研究一体化摄像机控制系统的整体结构基础上，对系统设计的理论基础包括自 动聚焦系统组成原理、两相混合步进电机原理及控制基础、模糊控制理论基础和模糊控 制器设计基础进行系统的分析研究。同时提出了自动聚焦系统设计方案。 2 ) 重点完成了一体化摄像头的自动聚焦系统硬件电路设计并实现了各个模块之间 的联接。 3 ) 在单片机对两相混合步进电机的升降频控制的软件实现的基础上，研究了通过 自适应f u z z y - p i d 控制器对系统参数自适应改变来提高电机速度控制性能的软件实现方 案。 4 ) 最后对自动聚焦系统智能控制设计针对特定对象进行了m a t l a b 软件仿真，同 时对复合视频信号中的亮度信号和系统分别在升降频控制方式与智能控制方式聚焦时 间的在线测量并对其测量结果做出总结。 1 5 本章小结 本章主要对自动聚焦系统中步进电机控制技术、自动聚焦技术、模糊控制理论发展 和现状应用作了简单介绍。完成了一体化摄像机自动聚焦系统硬件电路设计方案设计目 的，重点针对当前对电机控制存在的问题和模糊控制在定位系统中碰到的问题，结合模 糊控制和p i d 控制的优点，提出了一种参数自整定的f u z z y p i d 控制器，利用高可靠性 的单片机，通过控制步进电机实现精确定位的三维定位系统，应用于自动聚焦定位系统。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章自动聚焦系统原理和步进电机控制 自动对焦是一体化摄像机最重要的功能。自动聚焦需要通过分析图像的亮度信号， 提取其中的高频分量，通过评价函数判断聚焦位置，采用爬破搜索策略通过单片机驱动 步进电机马达带动镜头移动来改变聚焦以获得图像最清晰的点。 步进电机作为一种控制用的特种电机，依靠其不丢步，不超步的情况下无积累误差， 同时根据步进电机的结构和原理，采用细分驱动控制、升降频控制技术和智能控制技术 来改善步进电机的运行特性，从而提高自动聚焦系统的性能和精度，被广泛应用与自动 聚焦系统，数控机床、机器人和光学仪器等各个领域。 2 2 自动聚焦结构和原理 一个典型的自动对焦系统应具备以下几个单元：成像光学镜头、成像器件、自动对 焦单元和镜头驱动单元。本设计系统框图如图2 1 。自动聚焦系统本身是一套闭环控制 光线 裴萋h 霉h 警h 视d 篓s p 处 步进 电机 光电 检测 驱动 电路 聚焦信号 提取电路 单片移l m e g a l 6 云台 驱动 云台 鍪h 孳p 初始化 图2 1 摄像头控制系统原理框图 f i g 2 1c o n t r o ls y s t e mo f p r i n c i p l ef l a m ed i a g r a mo fc a m e r a 7 上位机 太原理工大学硕士研究生学位论文 控制系统，首先要根据d s p 对c c d 获得的图像信息来判断系统目前是否处于正确对焦 状态，若系统偏离正焦状态，单片机系统还要给出控制策略去驱动电机，带动镜头移动， 在尽量短的时间内，使整个系统达到正确对焦的状态。可见自动对焦子系统一般有两个 功能模块构成 2 2 l 玢析模块和控制模块。分析模块判断一幅输入图像是否清晰对焦，如 果对焦不清晰，该模块还要估计图像的离焦量。控制模块运用分析模块提供的信息，调 整系统的状态，使输入图像很好地对焦。下面对这两个模块原理分别进行了介绍。 2 2 1 半数字式自动聚焦 随着现代计算技术的发展和数字图像处理理论的日益成熟，自动对焦技术进入一个 新的数字时代，由于以往的方法不仅使系统庞大笨重，而且有时还不准确( 因为红外射 线必须准确地射向被摄体) ，如今越来越多的自动对焦算法是基于图像处理的理论，改 变以往通过测量相机与被摄主体之间的距离来进行对焦的方法。数字图像处理理论讲到 信号或图像的能量大部分集中在幅度谱的低频和中频段，而图像轮廓的锐度和细节的丰 富度取决于图像的高频成份。因此各种检测图像的边缘信息或计算图像高频分量的自动 对焦方法应用而生 2 引。其中，通过对图像有关信息进行分析计算从而驱动电机使系统正 确对焦的方法我们可以称之为半数字式的自动对焦方法。 一般来说，准确对焦的图像与离焦的图像相比，具有更高含量的高频成份，自动对 焦就是要通过调整聚焦镜头来搜索获得使图像的高频分量为最大值的状态。在调焦范围 内寻找最佳对焦位置的方法之一是计算一帧( 或一场) 中视频信号中的高频成份值，这个 值被称为调焦评价函数，自动对焦的过程就是寻求调焦评价函数最大值的过程，因此这 个调焦评价函数必须具备以下条件：首先调焦评价函数的值是从要求对焦的图像数据中 计算获得的，其次当移动聚焦镜头使图像准焦时，该调焦评价函数的数值应该相应地趋 于最大值e 2 4 。理想的调焦评价函数应该是具有单峰性，即在调焦范围内只有一个极值翻； 无偏性即只有在系统处于最佳对焦状态时，调焦评价函数才给出极大值或极小值；能反 映离焦的极性在焦前位置还是焦后位置；能抵抗图像中含有的各类噪声：对各种结构特 点的图像都能对焦；同时要有容易计算，运算速度快的特点。 2 2 2 评价函数 图像的清晰度反映了系统的离焦正焦程度。当图像比较清晰( 即对焦比较好) 时，图 像细节丰富，在空域表现为相邻像素的特征值( 如灰度，颜色等) 变化较大，在频域表现 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 为频谱的高频分量多，低频分量少；当图像比较模糊( 即对焦比较差) 时，图像细节损失， 在空域表现为相邻像素的特征值变化较小，在频域表现为频谱的高频分量少，低频分量 多。利用这一特点可以构造各种对焦评价函数对图像的清晰度进行评价。 要进行自动对焦，首先要能判断所获取的图像是否为清晰的正焦图像。因此图像清 晰度的评判是自动对焦的首要问题。 通常对对焦评价函数的基本要求是： ( 1 ) 单峰函数，且对同一成像目标的一系列图像求其曲线，其最大值恰好对应最清 晰的图像： ( 2 ) 函数在峰值两侧分别单调上升和单调下降； ( 3 ) 函数在峰值两侧的斜率绝对值应该比较大。 ( 4 ) 有较高的信噪比。 对于数字图像来说，评价聚焦的方式很多，其原理都是采用评价函数来衡量离焦图 像模糊情况。这个评价函数在完全聚焦时具有某些特征，如极值点，以便控制反馈电路 调整聚焦透镜的位置。在文献【2 5 】中介绍了很多经典的自动聚焦评价函数，如灰度变化 函数、梯度函数、灰度函数、频域类函数等等。 基于小波变换的自动聚焦评价函数：目前，j o e w o n o d j a j a 和s u g a n d a j u t a m u l i a 提出了一种基于小波变换的自动聚焦算法瞄】。 设二维图像信号为厂kj ，) ，其二维小波变换为 g x , a y , b x ，以) = j 厂g ，y ) k “哆g ，y ) d x d y ( 2 - 1 ) 其中，子小波函数k b ，y ) 由母小波变换矗b ，j ，) 平移和扩张生成，定义如下： k 蝴蚺击办( 等，等) p 2 ， 将二维图像信号厂k j ，) 的二维小波变换的自相关函数c k y ) 作为自动聚焦的判据，定义 如下： c ( x ，y ) = 肌g ，夕) g 一x , y - - 少蛔( 2 - 3 ) 图像越清晰，得到的c k y ) 值就越大；图像越模糊，得到的c ( x ，y ) 值就越小。在 图像完全聚焦的时候，对应着c g ，y ) 的极大值。另外，利用小波变换的多分辨率分析的 9 太原理工人学硕士研究生学位论文 特性可以很容易得到二维图像信号的高频分量，故可以计算出高频分量的能量并以此作 为自动聚焦的评价函数。 本设计从降低成本的角度考虑，对一类可以用简单的模拟元器件和单片机实现的频 域带通法进行了研究。频域带通法就是选择适当的中心频率和带宽，对c c d 输出的视 频信号进行模拟带通滤波并提取反映图像清晰度的高频分量，当聚焦准确时，画面清晰， 轮廓清楚，高频分量电平幅度大，聚焦不准时，画面不清晰，轮廓不清楚，高频分量电 平幅度小，因