La calibración parafocal y la compensación rápida del diseño del sistema de control de software de lentes con zoom continuo infrarrojo de alta relación de zoom
En el artículo anterior, presentamos en detalle un método de parafocalidad de lentes infrarrojas con zoom continuo con un diseño de circuito de hardware de gran relación de zoom. Este artículo presentará específicamente otro método eficaz de parafocalidad: el diseño del sistema de control de software. Ambos métodos parafocales hacen que la lente infrarroja con zoom continuo de gran relación de zoom pueda parafocar eficazmente el objetivo.
Para realizar rápidamente la compensación de parafocalidad en el proceso de zoom, el proceso de zoom y la compensación de parafocalidad están separados y controlados por dos MCU, para reducir el tiempo de control de bucle cerrado y aumentar el muestreo durante el movimiento sincrónico del zoom y compensación parafocal. La precisión cumple con los requisitos de compensación en tiempo real para la parafocalidad.
Además, para mejorar la confiabilidad de la compensación de temperatura, es necesario utilizar el gradiente de gris de la imagen para la verificación y, al mismo tiempo, recopilar el valor de la posición de compensación actual para la señal de sincronización de cada cuadro.
Calibración parafocal
La calibración de parafocalidad adopta el método de interpolación de doble línea. Para facilitar la búsqueda y la interpolación, se adopta la siguiente estructura de datos:
estructura typedef
{U16 bianj_v［2][26]; //La posición de zoom de un punto de temperatura específico, utilizando datos de doble columna
t16 tiaoj_v[2][26]; //correspondiente al valor de compensación en la posición de zoom, utilizando datos de doble columna
s16 zxtiaoj_v; //valor de compensación a la distancia focal mínima
s16 zdtiaoj_v; //El valor de compensación a la distancia focal máxima
u8 mark_v[2][26]; // El número de secuencia correspondiente a cada posición, fácil de encontrar
u8 coef1[2]; //Coeficiente de proporcionalidad de la escala de ajuste lineal
u8 coef2[2]; //Coeficiente de proporcionalidad de la escala de ajuste lineal
}buchangvalor;
buchangvalue xdata ybdwdata[25];//Seleccione 25 puntos de temperatura dentro de la temperatura de trabajo
Debido a que la trayectoria de la cámara de zoom espacial desde una distancia focal corta a una distancia focal demasiado larga y la curva de procesamiento de histéresis desde una distancia focal larga a una distancia focal corta tienen errores de mecanizado. La curva de la leva se muestra en la Figura 1. En la misma posición, el error morfológico de las curvas de avance y retroceso hace que el ancho de la leva sea diferente.
Cuando el avance y el retroceso están en la misma posición, la posición real es ligeramente diferente, lo que resulta en una parafocalidad inconsistente. El método de compensación de doble línea puede eliminar eficazmente el error de histéresis del ajuste de mecanizado y montaje de la leva espacial.
(a) curva teórica de la leva espacial
(b) curva de leva del espacio de mecanizado real
Fig. 1 Curva de leva espacial
El proceso de calibración adopta el método de calibración en línea, de -45 ℃ a 75 ℃, calibración una vez cada 5 ℃, un total de 25 puntos de calibración de temperatura, otros segmentos de temperatura se ajustan por interpolación. Este método no sólo es conveniente para configurar el punto de temperatura en el cuadro de temperatura, sino que también puede filtrar puntos de cambio singulares en diferentes secciones de temperatura tanto como sea posible.
Cada segmento de temperatura puede almacenar hasta 26 puntos, el almacenamiento de doble línea puede almacenar 52 puntos (sin incluir los dos puntos finales), para (50 veces lente de zoom continuo 13,2～660) normalmente, puede configurar 10～16 puntos por columna. Ajuste la curva con precisión.
Los datos de cada estructura se organizan en el orden del valor de la distancia focal del zoom de pequeño a grande, lo que puede ahorrar tiempo de búsqueda durante la compensación y la compensación se puede completar más rápido en el proceso de zoom. La línea de ajuste de compensación se muestra en la Figura 2.
(a) curva de ajuste de compensación polinómica de segundo orden a -30 ℃
(b) curva de ajuste de compensación en línea recta a -30 ℃
Fig.2 Accesorio de compensación
La Figura 2 (a) utiliza el método de mínimos cuadrados para ajustar el polinomio de segundo orden, y la precisión es relativamente mayor. La Figura 2(b) utiliza un ajuste en línea recta, que tiene una precisión ligeramente peor, pero se puede compensar aumentando el punto de inserción.
Para reducir el cálculo, se utiliza estimulación directa para ajustar la curva de compensación y el coeficiente de escala de cada segmento se almacena en la variable de coeficiente de escala en la estructura de datos. coef1[0][ ] almacena el valor entero de secuencia positiva, coef2[0][ ]almacena valores decimales de orden positivo, coef1[1][ ]almacena valores enteros de orden inverso, coef2[1][ ]almacena decimales de orden inverso valores, este método puede ahorrar más espacio de almacenamiento que almacenar números de punto flotante.
El valor de compensación adopta la combinación del valor de referencia y el valor de compensación con signo, lo cual es conveniente para alinear la tabla de compensación cambiando el valor de referencia después de reemplazar el codificador o potenciómetro.
El punto de ajuste se reemplaza por los siguientes tres métodos
(1) Para el punto de posición focal corto (menos de 250 valores de distancia focal), el punto de ajuste está dentro de ±8; para el punto de posición focal media (valor de distancia focal 250-550), el punto de ajuste está dentro de ±4; el punto de posición focal lejano (valor de distancia focal superior a 450), establecido dentro de ±2. Los puntos de este rango se sustituyen directamente.
(2) Todos los datos utilizan el método primero en entrar, primero en salir. Si los puntos de ajuste posteriores son mayores que 26, el primer valor establecido aparecerá en orden. Este método se utiliza para restablecer el valor después de que se desgasta la lente.
(3) La curva del valor de compensación es una curva que cambia continuamente y hay pocos cambios repentinos. Una vez establecido el punto de compensación, existen dos métodos de ajuste, uno es ajustar estrictamente de acuerdo con el punto de ajuste y el otro es filtrar el ajuste del punto de cambio singular, lo que puede eliminar el punto incorrecto en la configuración.
Cuando se establece el punto de compensación de temperatura, cada punto de ajuste insertado se almacena en la RAM interna del chip. Sólo después de que todos los puntos estén configurados a esta temperatura y la curva de calibración sea normal se podrán almacenar en FLASH.
Cuando se enciende la alimentación y luego se lee en la RAM, se puede acelerar la búsqueda de la tabla de compensación, el cálculo de interpolación y el control de movimiento de compensación. Los puntos de ajuste de temperatura están ordenados según el valor de la distancia focal, de pequeño a grande. Si el número de puntos de ajuste puede alcanzar la parafocalidad de carrera completa de la lente de zoom continuo, no es necesario establecer más puntos.
Compensación Rápida de Parfocalidad
Durante el proceso de zoom, la MCU de control auxiliar (GD32E103T) retroalimenta el valor de zoom actual a la MCU de control principal (GD32F450I) en tiempo real.
El controlador principal determina la posición del punto de compensación según el valor de temperatura calibrado y el valor de distancia focal.
Si la temperatura actual es de 27 ℃ y el valor de la distancia focal es de 70 mm, dado que solo se almacenan los puntos de compensación de 25 ± 1 ℃ y 30 ± 1 ℃, primero use la interpolación de una sola línea para calcular el valor de compensación del punto M en el distancia focal de 30 ℃ 70 mm, y luego calcule el valor de compensación del punto de interpolación N de la distancia focal a 25 ℃ 70 mm, y finalmente calcule el valor de compensación del punto P a través de M y N.
Si la temperatura actual está cerca del punto de ajuste (por ejemplo, 30 ± 1 ℃), se utilizará directamente la compensación de interpolación de una sola línea.
Durante el proceso de zoom, de acuerdo con el valor de retroalimentación de zoom actual, la parte de control de compensación necesita preprocesar y ajustar la posición del motor de compensación. Al cooperar con el motor de zoom, se puede garantizar que el punto que está lejos del enfoque se pueda recuperar en el tiempo. La imagen de salida es relativamente clara durante el proceso de ampliación.
De acuerdo con los puntos de posición almacenados de cada segmento y el coeficiente proporcional de la línea recta de ajuste del punto de posición, el valor de compensación del siguiente punto de posición se determina de antemano mediante el método de y=a*x+b.
En el proceso de hacer zoom desde una distancia focal de 82 mm a una distancia focal de 510 mm, la compensación pasa a través de 4 líneas rectas ajustadas y el valor de compensación se determina de acuerdo con la ecuación de movimiento de cada línea recta. Por ejemplo, en la sección AB, la ruta de zoom es AK y la ruta de compensación es KB.
El motor de compensación adopta un algoritmo de control de bucle dual, en el que el bucle de posición es el principal y el bucle de velocidad es beneficioso para compensar la velocidad del motor y accionar la potencia a temperaturas altas y bajas.
Dado que la lente de zoom continuo tiene un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, especialmente a bajas temperaturas, la viscosidad del aceite lubricante a baja temperatura aumenta y se requiere una mayor fuerza motriz del motor para impulsar la carga.
Por lo tanto, el bucle de posición se puede utilizar para ajustar rápidamente la posición de compensación a temperatura ambiente. A temperaturas altas y bajas, se requiere un bucle de velocidad para ajustar los parámetros PID, a fin de garantizar que el motor no se atasque a bajas temperaturas ni se sobrepase a altas temperaturas, controlando así el tiempo de ajuste del motor.
Debido al error de retardo de muestreo, existe un error sistemático entre la posición de compensación y la posición real. Para eliminar este error, es necesario agregar un método de control de pulsación al final del control de bucle dual; este método es una parada transitoria. Cuando se detiene el muestreo, se puede eliminar el error de muestreo dinámico.
Verificación de parafocalidad
En el proceso de compensación, además del procesamiento de imágenes digitales, el circuito FPGA también necesita generar el valor de gradiente de gris mejorado actual de acuerdo con el cuadro. Según la señal de sincronización de cuadros, el chip de control principal guarda el valor de posición de zoom correspondiente y diferentes valores de compensación con la frecuencia de cuadros al mismo tiempo. La estructura de datos adoptada es la siguiente:
estructura typedef
{U16 bianj_v[2]; //Valor de zoom
U16 buchang_v[2][100]; // Correspondiente al valor de compensación en la posición de zoom, utilizando datos de doble columna
U32 tidu_v[2][100]; //Valor del gradiente gris
}Valor Jiaoyiano;
jiaoyianvalue xdata jydata;//Seleccione 25 puntos de temperatura dentro de la temperatura de trabajo
Para el valor del gradiente de grises, también se utilizan dos columnas de datos para representar la secuencia positiva (desde la distancia focal corta hasta la distancia focal larga) y la secuencia inversa (desde la distancia focal larga hasta la distancia focal corta), respectivamente. Si la compensación falla, la posición del valor de compensación actual se puede determinar de acuerdo con el valor de gradiente de gris correspondiente.
Correspondiente a un cuadro de la imagen, durante el proceso de compensación, el valor del gradiente de grises aumenta de manera monótona, y cuando la compensación se detiene, el valor del gradiente de grises está cerca del gradiente de grises máximo, lo que significa que la compensación es normal.
Si el valor del gradiente de gris no cambia de acuerdo con lo anterior, el cambio regular indica que el objetivo no está dentro del rango de imagen de la lente (el objetivo está demasiado cerca de la lente).
En esta condición, si desea una imagen clara, debe ajustar el motor de compensación para la compensación de posición, y la posición compensada no es consistente con la posición calibrada normal. En este momento, si la posición máxima monótona se puede encontrar en el valor de gradiente gris correspondiente, entonces el motor se controlará directamente para ir a la posición del valor especificado en un modo de control de bucle dual.
Si no hay una posición máxima monótona en el valor del gradiente gris, se puede utilizar el algoritmo de escalada para completar la compensación parafocal posterior. El método de verificación basado en el degradado de gris de la imagen se puede desactivar y el código de rama de esta parte no se calculará una vez desactivado.
La parafocalidad de una lente de zoom continuo infrarrojo con gran relación de zoom consta de tres partes, a saber, configuración parafocal en línea, compensación parafocal rápida y verificación parafocal. Durante la calibración parafocal, la temperatura es el elemento central, así que asegúrese de que el valor de la temperatura sea constante y se adopte el método de recolección multipunto para reducir el error en la recolección de temperatura.
La compensación de parafocalidad se basa en el método de posición establecida y el enfoque automático se basa en el método de gradiente de gris de la imagen. Cada una de las lentes infrarrojas con zoom continuo de gran relación de zoom está muy cerca del punto focal. Se adopta el algoritmo de enfoque automático y el tiempo de enfoque está entre 1,2 y 2 s. Dado que el enfoque automático tiene un exceso de conmutación, no se puede evitar el tiempo de conmutación. Por lo tanto, es difícil que el tiempo de enfoque automático sea inferior a 1,2 s.
La compensación parafocal no tiene ajuste de conmutación. Para la posición cercana al foco, el tiempo de compensación es muy corto, básicamente entre 0,3~0,7 s.
La precisión de la compensación (la precisión de la posición de calibración de temperatura alcanza el 98%) es similar a la del enfoque automático. La compensación parafocal de temperatura puede compensar de manera efectiva y rápida el desenfoque de la imagen causado por el procesamiento de piezas mecánicas, errores de ajuste de ensamblaje y cambios de temperatura durante el proceso de zoom.
Cuando la temperatura ambiente sea básicamente estable (35°C), pruebe el experimento del tiempo de compensación en diferentes posiciones de zoom. Dado que el valor medido está relacionado con la posición actual y la posición anterior, si la diferencia entre las dos posiciones es pequeña, el tiempo de compensación es más corto y viceversa. El tiempo de compensación es relativamente largo.
De los resultados de los experimentos anteriores se puede ver que en este modo, la precisión de compensación se puede controlar dentro de ±2 códigos, lo cual es insignificante para la precisión del enfoque.
Siempre que el punto de calibración cumpla con los requisitos de precisión, la compensación puede lograr con precisión la parafocalidad de la lente en diferentes condiciones de temperatura. El tiempo de compensación se reduce de 1,2~2 s para el enfoque automático a aproximadamente 0,575 s, lo que puede cumplir con los requisitos de seguimiento del usuario.
La calibración parafocal y la compensación parafocal pueden garantizar la parafocalidad de una lente infrarroja con zoom continuo con una gran relación de zoom a diferentes temperaturas y garantizar que la lente pueda realizar operaciones continuas como el seguimiento y la búsqueda del objetivo.
Esta tecnología se ha verificado en muchos productos, tiene una alta confiabilidad y buenas perspectivas de aplicación en lentes de zoom continuo infrarrojo con gran relación de zoom. Además, todavía se está mejorando el algoritmo de trabajo coordinado del motor de zoom y compensación.
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