Дипломная (вкр): Система стабилизации линии визирования тепловизионного прибора

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.

.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.

.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].

.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.

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.

.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.