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
.1Описание стабилизации изображения
.2Система стабилизации линии визирования с точки зрения теория управления
.3Аппаратное обеспечение системы стабилизации линии визирования
.4Програмное обеспечение системы стабилизации линии визироввния
.5Анализ и классификация существующих систем стабилизации изобажения
.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
.1Обоснование структурной схемы системы стабилизации линии визирования
.2Исследуемая область системы стабилизации линии визирования с точки зрения предъявляемых требований
.3Задача эффективного преобразования сигнала угловой скорости гироскопа в цифровую форму
.4Существующие стандартные решения оцифровки сигналов, имеющих широкий динамический диапазон
.5Теоретические основы предлогаемого решения и вывод аналитических выражений
.6Разработка алгоритма восстановления сигнала на основе полученных аналитических выражений
.7Разработка модели работы алгоритма в пакете Matlab
.8Результаты моделирования
.9Выводы
Глава 3.Аппаратныя реализиаци восстановления сигнала угловой скорости
.1Выбор элементной базы для аппаратной реализации на основе поставленных требований
.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 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.
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.