基于高幀頻相機(jī)的空間光通信系統(tǒng)跟蹤控制平臺(tái)

基于高幀頻相機(jī)的空間光通信系統(tǒng)跟蹤控制平臺(tái)

0模糊pid和高速傾斜鏡在空間通信中，精跟蹤機(jī)構(gòu)決定了整個(gè)通信系統(tǒng)的跟蹤性能，并設(shè)計(jì)了高帶寬、寬精度和精確跟蹤周期。這是所有探測(cè)、跟蹤和跟蹤的關(guān)鍵。在目前的精細(xì)跟蹤系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的精細(xì)跟蹤算法通常用于線性系統(tǒng)，并且無法根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整擴(kuò)展系數(shù)。特別是對(duì)于典型的非線性系統(tǒng)，如精細(xì)跟蹤和分散，它對(duì)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性有很大影響。因此，在這項(xiàng)工作中，我們使用了經(jīng)典模糊理論與pid算法相結(jié)合的控制方法，以解決非線性系統(tǒng)的控制精度問題。卡爾曼濾波波在線性和非線性問題上具有良好的濾波估計(jì)效果。這是基于最小散射噪聲作為參考參數(shù)估計(jì)的最佳線性估計(jì)，可以應(yīng)用于各種線性和非線性系統(tǒng)。卡爾曼濾波和漫反射pid的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)快速傾斜顯微鏡（fsa）的真實(shí)控制。目前的目標(biāo)識(shí)別和跟蹤系統(tǒng)大多采用以數(shù)字信號(hào)處理(DigitalSignalProcessing,DSP)為核心的數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng),這對(duì)于常規(guī)幀頻的系統(tǒng)是滿足的.但對(duì)于APT精跟蹤系統(tǒng)中高幀頻的光斑目標(biāo)的捕獲與跟蹤,DSP很難滿足這種高速實(shí)時(shí)的處理與控制.為此,本文采用高幀頻CMOS相機(jī),通過高速camera-link傳輸線,將視頻信號(hào)傳輸至大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)內(nèi)部,在FPGA中完成圖像處理、模糊PID算法和擴(kuò)展卡爾滿濾波預(yù)測(cè),完成對(duì)精跟蹤FSM的實(shí)時(shí)控制,使光束始終位于視軸中心.1fpga接口電路設(shè)計(jì)如圖1,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由以下幾部分構(gòu)成:高幀頻CMOS相機(jī)、cameralink傳輸線及其接口電路、FPGA中央處理器及其存儲(chǔ)配置電路、雙路DA輸出及電壓放大驅(qū)動(dòng)、振鏡、USB接口及PC機(jī)顯示部分.1.1像素分辨率及時(shí)域分布本項(xiàng)目采用Photonfocus公司高幀頻可開窗CMOS相機(jī)MV-D1024E-40.其主要特性有:1024×1024像素分辨率;全局快門;使用Lin-log技術(shù),高達(dá)120dB的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍;在全分辨率的情況下,幀頻為37fps,128×128窗口下幀頻可達(dá)2000fps以上;可設(shè)置多個(gè)感興趣區(qū)域;數(shù)據(jù)接口采用Camera-link接口;12/8位可選分辨率,更高的信噪比;內(nèi)置LUT查找表功能.1.2線的lvds傳輸技術(shù)采用3M型號(hào)Cameralink標(biāo)準(zhǔn)傳輸線,將相機(jī)的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至FPGA.CameraLink標(biāo)準(zhǔn)使用每條鏈路需兩根導(dǎo)線的LVDS傳輸技術(shù).驅(qū)動(dòng)器接收28個(gè)單端數(shù)據(jù)信號(hào)和1個(gè)時(shí)鐘信號(hào),這些信號(hào)以7:1的比例被串行發(fā)送,也就是5對(duì)LVDS信號(hào)通道上分別傳輸4組LVDS數(shù)據(jù)流和1組LVDS時(shí)鐘信號(hào),即完成28位數(shù)據(jù)的同步傳輸只需5對(duì)線,而且在多通道66MHz像素時(shí)鐘頻率下傳輸距離可達(dá)6m.系統(tǒng)中采用DS90CR286A、DS90CR047和DS90CR017實(shí)現(xiàn)cameralink接口電路的設(shè)計(jì).1.3fpga功能模塊通過cameralink接口電路將像素時(shí)鐘CLK、行有效LVAL、幀有效FVAL、數(shù)據(jù)有效DVAL、圖像數(shù)據(jù)DATA送入FPGA.FPGA中程序采用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì),在QuartusII7.0環(huán)境中編程和配置,設(shè)計(jì)成功后下載在cycloneII系列EP2C35F672C6中運(yùn)行.如圖2,FPGA內(nèi)部共有15個(gè)模塊,各自完成特定的功能.下面對(duì)主要的功能模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹,其他模塊也給予必要的說明.設(shè)計(jì)時(shí)充分利用altera公司提供的乘法器、除法器、ROM、RAM等宏功能IP核,并對(duì)一些模塊做一些簡(jiǎn)化處理,以便于程序?qū)崿F(xiàn).1urt/dpram1控制部分設(shè)計(jì)cameralink接口模塊包含時(shí)鐘管理、相機(jī)控制和數(shù)據(jù)輸入三部分.時(shí)鐘管理部分接收像素時(shí)鐘CLK、行有效LVAL、幀有效FVAL,并對(duì)40MHz的時(shí)鐘進(jìn)行倍頻和分頻,分配給其他模塊使用.相機(jī)控制部分主要完成曝光時(shí)間、幀頻、增益倍數(shù)以及開窗大小等相機(jī)參量的實(shí)時(shí)設(shè)置.主要包含完成RS232通信協(xié)議的UART內(nèi)核、移位寄存器、波特率發(fā)生器、信號(hào)檢測(cè)、計(jì)數(shù)器、總線選擇器、奇偶校驗(yàn)等.數(shù)據(jù)輸入部分在FVAL、LVAL和DVAL的控制下,讀取有效的8bit灰度圖像數(shù)據(jù)DATA,并將其送入DPRAM1中進(jìn)行緩存.2速載荷作用由這三部分以及外部PSRAM芯片構(gòu)成圖像數(shù)據(jù)的緩沖.要實(shí)現(xiàn)對(duì)特定的點(diǎn)像素、區(qū)域像素和滿幀像素的實(shí)時(shí)處理,必須對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖.采用8片高速低功耗16bitPSRAM芯片HY64UD16322A作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件.其中每4片作為一組,共用相同的地址、片選、使能及讀寫信號(hào),數(shù)據(jù)線串聯(lián),分別構(gòu)成PSRAM1和PSRAM2.因此,雙口RAMDPRAM1設(shè)置為輸入8bit數(shù)據(jù)寬度,輸出64bit寬度;雙口RAMDPRAM2設(shè)置為輸入64bit數(shù)據(jù)寬度,輸出8bit寬度.在乒乓讀寫控制器中,通過分時(shí)控制兩組PSRAM,達(dá)到對(duì)片內(nèi)數(shù)據(jù)的乒乓讀寫操作.3最大中值濾波中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪音的非線性信號(hào)處理技術(shù).但由于在空間中的目標(biāo)有信噪比很低,所占像素?cái)?shù)很少,普通的中值濾波方法會(huì)使目標(biāo)強(qiáng)度降低或直接使小目標(biāo)被濾除.所以我們采用基于3×3像素模板的最大中值濾波,在去除噪音的同時(shí),最大限度的保留弱小目標(biāo)的信息.4自適應(yīng)分割閾值由于系統(tǒng)采用高幀頻的CMOS相機(jī),曝光時(shí)間很短,幀與幀之間的相關(guān)性很強(qiáng).為了便于計(jì)算,采用如下的閾值分割:以前一幀中的光斑質(zhì)心為中心,分別在x、y方向上選取4小塊9×9的背景區(qū)域,計(jì)算目標(biāo)光斑的自適應(yīng)分割閾值,作為當(dāng)前獲取圖像光斑的像素比較灰度值.5列計(jì)數(shù)對(duì)像素的行和列進(jìn)行計(jì)數(shù),為質(zhì)心計(jì)算模塊提供像素的行列信息,并保存行列值直到質(zhì)心計(jì)算模塊計(jì)算完畢為止.6光斑的捕獲用來判斷CMOS相機(jī)所開窗口內(nèi)是否有光斑.如果連續(xù)20幀沒有檢測(cè)到光斑出現(xiàn),則通知精跟蹤系統(tǒng)沒有捕獲到光斑,重新捕獲光斑.如果有光斑,則計(jì)算光斑所占的像素?cái)?shù),并將光斑的灰度值保存起來,以供質(zhì)心計(jì)算模塊使用.這里借用中值濾波的方法,設(shè)置9個(gè)像素的滑動(dòng)窗口,將滑動(dòng)窗口內(nèi)的每一個(gè)像素與自適應(yīng)閾值進(jìn)行比較,若窗口內(nèi)有3個(gè)或3個(gè)以上的像素灰度值大于閾值,則認(rèn)為滑動(dòng)窗口中心像素是光斑像素.這樣可有效的避免將相機(jī)的亮壞點(diǎn)誤判為光斑,大大地降低虛警概率.7光斑像素的行計(jì)數(shù)最小值和20%該模塊從上述模塊中獲取像素灰度值、自適應(yīng)閾值和像素行列值,按照下式計(jì)算光斑的質(zhì)心.在程序設(shè)計(jì)時(shí),直接調(diào)用QUARTUSII中集成的乘法器和除法器IP核,計(jì)算效率很高.ˉx=ie∑ibje∑jbi(fij-Τ)ie∑ibje∑jb(fij-Τ)ˉy=ie∑ibje∑jbj(fij-Τ)ie∑ibje∑jb(fij-Τ)(1)xˉ=∑ibie∑jbjei(fij?T)∑ibie∑jbje(fij?T)yˉ=∑ibie∑jbjej(fij?T)∑ibie∑jbje(fij?T)(1)式中,ib和ie分別是光斑像素的行計(jì)數(shù)最小值和最大值,jb和je分別是光斑像素的列計(jì)數(shù)最小值和最大值;T是自適應(yīng)閾值;fij是光斑像素的灰度值;ˉxxˉ和ˉyyˉ即為所求的光斑質(zhì)心坐標(biāo).計(jì)算出的坐標(biāo)通過坐標(biāo)輸出模塊,一路送至USB接口控制器通過由CY7C68013構(gòu)成的USB接口電路送入PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示,另一路送至卡爾曼預(yù)測(cè)進(jìn)行相應(yīng)的處理.8數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)由于卡爾曼預(yù)測(cè)(Kalmanpredict)和模糊PID控制(FuzzyPIDcontrol)是本系統(tǒng)的核心和難點(diǎn),特專門放在第2節(jié)中進(jìn)行設(shè)計(jì)說明.數(shù)字電壓轉(zhuǎn)換模塊主要完成把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓輸出.DA控制模塊完成對(duì)兩路DA芯片DAC712的讀寫控制作用.2模糊pid控制器為提高系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度,并達(dá)到對(duì)FSM的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)控制,采用卡爾曼濾波配合模糊PID控制,將當(dāng)前獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)送入卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波,得到下一幀光斑坐標(biāo)的最優(yōu)預(yù)測(cè)值.將得到的預(yù)測(cè)估計(jì)值送入模糊PID控制器,達(dá)到對(duì)FSM振鏡的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制.2.1卡爾曼預(yù)測(cè)方程循環(huán)預(yù)測(cè)下一幀光斑質(zhì)心測(cè)定光斑質(zhì)心在X、Y軸上的運(yùn)動(dòng)可看作是隨機(jī)變速而被擾動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng),速度V是服從正態(tài)分布N(0,σ2v)的隨機(jī)量.令目標(biāo)狀態(tài)向量X(k)=[x(k),y(k),x′(k),y′(k)]T(2)式中x(k)、y(k)分別是光斑質(zhì)心在X、Y軸上的坐標(biāo),x′(k),y′(k)分別是在X、Y軸上的速度.令觀測(cè)向量Y(k)=[xc(k),yc(k)]T(3)式中xc(k)、yc(k)分別是光斑中心在X、Y軸上的觀測(cè)值.此時(shí)擴(kuò)展卡爾曼濾波器的兩個(gè)模型為狀態(tài)模型:X(k)=A(k-1)X(k-1)+W(k)(4)觀測(cè)模型:Y(k)=C(k)X(k)+V(k)(5)式中A(k)是系統(tǒng)矩陣,C(k)是觀測(cè)矩陣,W(k)為系統(tǒng)噪音矩陣,V(k)觀測(cè)噪音矩陣.將式(4)和(5)展開得到[x(k)y(k)x′(k)y′(k)]=[10Τ0010Τ00100001][x(k-1)y(k-1)x′(k-1)y′(k-1)]+[00wx(k-1)wy(k-1)](6)[xc(k)yc(k)]=[x(k-1)y(k-1)x′(k-1)y′(k-1)]+[vx(k)vy(k)](7)??????x(k)y(k)x′(k)y′(k)??????=??????10000100T0100T01????????????x(k?1)y(k?1)x′(k?1)y′(k?1)??????+??????00wx(k?1)wy(k?1)??????(6)[xc(k)yc(k)]=??????x(k?1)y(k?1)x′(k?1)y′(k?1)??????+[vx(k)vy(k)](7)式中wx(k-1)和wy(k-1)為零均值的白噪音,其方差分別為σ2wx2wx和σ2wy2wy.vx(k)和vy(k)也是零均值的白噪音,其方差分別為σ2vx2vx和σ2vy.X(-1)=[x0,y0,0,0]T,x0,y0表示起始幀的中心坐標(biāo),在本系統(tǒng)里即為精跟蹤視軸的中心坐標(biāo).T為幀間間隔時(shí)間.卡爾曼遞歸預(yù)測(cè)方程為∧Sk(k+1)=A∧Sk-1(k)+Η(k)[X(k)-C∧Sk-1(k)](8)預(yù)測(cè)修正系數(shù)為H(k)=APk-1(k)CT[CPk-1(k)CT+R(k)]-1(9)預(yù)測(cè)均方誤差為Pn(k+1)=[A-H(k)C]Pk-1(k)AT+Q(k)(10)式中R(k)為觀測(cè)噪音協(xié)方差矩陣,Q(k)為系統(tǒng)噪音協(xié)方差矩陣.R(k)=E(V(k)VΤ(k))=[σ2vx00σ2vy](11)Q(k)=E(w(k)wΤ(k))=[0000000000σ2wx0000σ2wy](12)得到這些參量,并根據(jù)系統(tǒng)的初始估計(jì)值∧S(k)和初始均方誤差矩陣P(k),就可以通過卡爾曼預(yù)測(cè)方程循環(huán)預(yù)測(cè)出下一幀光斑質(zhì)心坐標(biāo).2.2e、ec和u的控制器將模糊控制與常規(guī)PID結(jié)合,設(shè)計(jì)一種模糊PID自適應(yīng)控制器,以誤差e和誤差變化ec作為輸入,實(shí)時(shí)對(duì)PID參量進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,輸出控制電壓u.如圖3,主要由參量可調(diào)整的PID調(diào)節(jié)器和控制規(guī)則學(xué)習(xí)的模糊推理兩部分組成.圖中實(shí)線部分即為所要設(shè)計(jì)的模糊PID控制器,輸入r為設(shè)定的視軸中心坐標(biāo),與卡爾曼預(yù)測(cè)的輸出相減得到偏差e,數(shù)字微分后得到ec.由于在實(shí)際控制過程中,變量(e、ec和u)的值域是不對(duì)稱的,設(shè)e、ec和u的變化范圍為[emin,emax]、[ecmin,ecmax]及[umin,umax],其歸一化模糊論域?yàn)閇-1,1].則論域正則化變換公式為E=ke(e-emax+emin2)ke=2emax-eminEC=kec(ec-ecmax+ecmin2)kec=2ecmax-ecminU=ku(u-umax+umin2)ku=2umax-umin(13)式中E、EC和U分別是e、ec和u的模糊語(yǔ)言變量,ke、kec是輸入變量量化因子,ku是輸出變量量化因子.在實(shí)際系統(tǒng)中,隨著CMOS開窗的大小,e和ec的取值范圍做出相應(yīng)的變化.因?yàn)樗欧I放大器的輸入電壓范圍是0到10伏,因此控制輸出u的范圍是V.E、EC和U均采用相同的模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},其隸屬函數(shù)采用對(duì)稱、均勻分布、全交迭的三角形形式.應(yīng)用常規(guī)模糊條件和模糊關(guān)系IFAiandBiTHENCi形式建立如表1的模糊規(guī)則表.根據(jù)Mamdani的min-max推理法則,得到采用加權(quán)平均解模糊化的模糊控制輸出為U=∑iμCi(Ui)?Ci∑iμCi(Ui)(14)因此,實(shí)際的控制電壓輸出為u(k)=ku(k)U+(umax+umin)/2(15)3提高光纖耦合接收效率2008年11月,本文在北京延慶八達(dá)嶺至河北懷來相距16.7km的兩地,進(jìn)行了傳輸速率為1.25Gbps的空間激光通信實(shí)驗(yàn).由于大氣湍流的影響,信標(biāo)激光經(jīng)長(zhǎng)距離大氣傳輸后達(dá)到角起伏明顯,接收端顯示器上看到光斑持續(xù)隨機(jī)抖動(dòng).湍流強(qiáng)時(shí)抖動(dòng)劇烈,極大影響光纖耦合接收