运动目标模拟系统设计（通用7篇）
运动目标模拟系统设计 篇1
激光引信是一种利用目标与背景之间光辐射的不同鉴别目标存在，并根据接收光能量的变化，经信号处理后得到引爆战斗部所需信号的新型光学引信。目前，应用在弹道导弹上的激光引信的工作原理是：由引信光学组件发出脉冲激光束，快速扫描目标，反射回来的激光束被接收组件中的探测器接收，进而测量出弹头与目标的相对位置，以控制战斗部适时引爆，最大限度地发挥其威力[1]。因此，对引信性能的测试显得极为重要。
目前为了测试引信系统的发射功率、接收灵敏度、接收角、抗干扰能力等性能指标，只能针对某种目标进行外场试验。而试验得到的结果只能适用于某一型号，不具有普遍性。本文设计的激光引信目标模拟系统具有可控性强、可宽展性强的特点，能够对激光引信的目标参数进行全面准确地模拟和测试，扩展了激光引信测试的范围，满足多弹种扩展的需要。
1 系统原理与组成
该模拟系统按照功能不同可分为接收耦合单元、发射耦合单元、VXI综合控制单元、光调制和延时控制单元，系统的结构框图如图1所示：
发射耦合单元发出的光束以不同交汇状态，经过不同目标的反射或散射，其返回的光束能量的衰减不同，光脉冲的展宽和延迟亦不同。该激光引信目标模拟系统通过采集接收耦合单元接收到的光信号，依据不同的目标特征分析出目标在不同交会状态下的反射和散射特性，通过软件控制，模拟出反射光的各种变化，使引信的接收器接收到经目标反射从而发生变化的光信号。
考虑目前使用的激光引信采用双接收光路，在垂直于导弹纵轴的平面内共设有12个光学接收器且交叉安装。故在目标模拟系统中，需要有6路接收耦合单元和12路发射耦合单元，适应弹径切面内360°范围以内的连续视野。在进行引信测试时，通过激光引信目标模拟器中的综合控制单元对目标的特征数据和弹目交会状态特征数据进行分析和处理，计算得到交会过程中模拟目标的反射光状态的变化。控制光调制和延时控制单元，使得从模拟系统发射的光信号与真实目标反射和散射的光信号尽可能的相同。由此可见，该系统对目标的模拟主要是通过对不同目标以及不同弹目交会情况的反射和散射特性数据进行处理，由光调制和延时控制单元实现的。因此，对系统各单元的控制是整个系统设计的核心。
2 系统硬件设计
2.1 VXI综合控制单元
由于VXI总线系统具有的尺寸小、速度快、通用性强、编程容易等优点，该引信目标模拟系统采用VXI模块作为综合控制系统，控制整个模拟系统的电源、发射耦合单元的三维运动，接收耦合单元的三维运动以及目标模拟光调制和延时控制单元的三维运动。根据目标特征和弹目交会位置参数进行计算，用来控制各运动部件和光回路信号调制。根据光信号的流程，控制单元与其它单元的互连关系如图2所示：
如图2所示，由引信发出的光信号作为光源，通过接收耦合单元送入目标模拟光调制和延时控制单元。根据不同的目标特征、不同的弹目交会状态，配合现有的攻击目标模型，通过综合控制单元的弹目交会计算，分析计算出弹目交会不同部位对激光引信光信号的反射和散射特性数据。通过对数据进行分析和处理，作为激光引信目标模拟系统光信号调制的依据，给出不同的光信号调制和延时，送入到接收耦合单元。再依照位置关系要求，送入引信产品，从而构成光回路。
2.2 光学组件
在整个模拟系统中，光学组件可以分为三个单元：接受耦合单元、发射耦合单元、三维微调运动机构。其中：接收耦合单元的功能是将激光引信发出的脉冲光信号耦合进目标模拟系统，并且全面测试激光束的参数;发射耦合单元的功能是将经过调制的光信号输出，使得引信的探测器能接受到模拟的反射光;三维微调运动机构主要的功能是使得接收耦合单元和发射耦合单元的光轴重合度、准直度和准直方向达到指标要求。
在系统工作前，VXI综合控制单元要对接收和发射耦合单元进行预先调整。此外，在进行目标模拟时，激光束以不同的方位入射到接收耦合单元。根据激光束的高斯发布特性，光束的中心点就是光能量的最高点。通过测量计算出光束亮度最高点的水平方向的像素位置和垂直方向的像素位置。如果近场和远场两个位置的坐标相同，或在允许的范围之内，就认为激光束与导轨平行。否则，VXI综合控制系统需调整接收或发射耦合单元的夹持工具三维微调运动机构使之平行。
在该模拟系统中，使用LD作为光源替代激光引信发出的光信号，因此系统的光学组件还需对光源进行展宽、延迟和衰减的发射单元。包含LD光源、平凸透镜、光束衰减器、光源脉冲延迟和展宽控制器以及光功率计等。
2.3 目标模拟光调制和延时控制
VXI综合控制系统依据不同的目标体特征，不同的交会特征，对接收耦合单元输出的光信号进行目标模拟和仿真，处理后给出不同的控制信号。使目标模拟光调制和延时控制单元进行相应的光信号调制、延迟及衰减，模拟反射和散射光信号强度和相对空间分布状态，满足目标光信号的模拟。发射耦合单元将经过调制的光学信号输出，完成不同目标不同交会特征模拟的需要。
3 系统模型及软件设计
对于整个模拟系统，不同弹目交会状态下的数据处理是系统对目标模拟的关键。在进行目标模拟的反射和散射信号计算时，需要建立仿真模型，主要包括三个方面：
(1)建立目标和导弹的三维表面外形模型，包括固定翼飞机和直升机在内的多种目标外形;
(2)光源的光束建模，根据激光束的高斯分布特性，确定光束宽度和光束中心点，以控制三维微调机构的运动;
(3)模拟目标的反射及散射特性建模。
在以上模型的基础上，建立引信与目标交会过程的数据库，即可控制光信号的调制、延迟和衰减，以实现整个模拟系统对目标的仿真。采用Visual C++为系统软件设计的开发平台，其流程如图3所示：
4 结束语
本系统是集光、机、电与一体化的高精度模拟测试系统，可以实现对弹目交会状态的特征模拟，对提高激光引信的设计水平具有很重要的意义。但系统所需的目标特性数据库还要通过大量试验，进行数据处理和综合得以完善。今后还需进一步深入研究目标的反射及散射特性对弹目交会的影响，使该系统更加贴近对真实目标的模拟。
参考文献
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高速运动目标参数存储系统设计 篇2
关键词：高速运动目标,瞬时速度,存储,FLASH
对于高速运动目标速度的测量, 目前有多种方法, 按测量原理可分成3类:瞬时速度测量法, 平均速度测量法和多普勒原理测量法, 每种测量方法各有特点[1]。而瞬时速度测量法, 主要是通过某种传感器对在一定距离内运动的时间进行计算处理实现的。在如今, 高速运动目标的速度获得, 需要采集大量的数据以分析和研究运动目标的运动参数, 为此需要将大量高数据进行实时、稳定的存储。
随着所探测目标运动速度的提高和数据采样率都大为提高, 这就对数据存储设备的性能提出了更高的要求:一、高速性, 存储器的存储速率必须要和采样数据的传输速率相匹配;二、大容量, 长时间的高速数据采集必然会产生大量的数据流;三、可靠性, 在各种条件下的工作性能稳定, 存储数据的正确性必须得到充分的保障[2]。针对以上要求, 本文提出一种基于FPGA与NAND Flash实现的高速大容量数据存储器。
1 高速运动目标信号简介
高速运动目标信号可以认为是基于时间的电平变化信号, 在运动目标未通过传感器以前, 是一个相对稳定的电平信号, 当运动目标两次通过相距固定距离的传感器时, 获得两个相距一定时间的变化量, 通过计算两次变化量所相差的时间, 通过公式:
式中, s表示两个传感器的距离;t表示两次电平变化量相隔的时间;v表示运动目标的瞬时速度。其中运动目标的瞬时速度是我们感兴趣的对象, 因为两个传感器之间的距离可以相对比较近, 可以忽略加速度的因数, 通过对采集数据中目标信号的提取、分析就可以得两次电平变化量相隔的时间的信息, 而这些都是以采集数据的准确存储记录作为前提。
2 存储系统方案设计
2.1 主要的性能指标
1) 存储容量:16GB
2) 存储速率:150 Mbps
3) 接口方式:采编单元数据通过LVDS接口传送给数据存储记录仪, 其中包括8位并行数据、一位同步时钟、一个启动信号 (持续10 ms的高电平) 。
4) 可靠性:保证存储系统在各种极端条件下能正常工作, 数据不失真。
2.2 系统硬件构成
整个系统设计时本着高可靠、低成本、低功耗的研制理念, 采用模块化设计思想, 每个模块都可以实现各自的功能且具有单独的I/O接口, 将这些模块组合在一起以实现整个系统的各项功能。该方案采用可编程逻辑器件FPGA作为中央控制器实现各个模块的互相通信以完成对数据的接收、存储以及读取操作。整个系统主要包含6个部分:LVDS接口电路、RS-422接口电路、数字隔离电路、FPGA控制模块、存储介质以及读数接口电路。系统原理框图如图1所示。
系统上电后, RS-422接口芯片使能有效, 进入接收状态。当RS-422接收到持续20 ms的高电平启动信号时, LVDS接口芯片以及缓存FIFO进入工作状态, 这时在采编单元中完成模数转换的信号经过LVDS接口电路转变为TTL信号然后缓存至FIFO, 当FIFO几乎写满时, 再将数据送入FLASH阵列进行存储。最终通过读数接口将FLASH阵列中的数据上传至计算机做后续的分析处理, 整个过程由FPGA进行控制。
设计采用的FPGA (Field Programmable Gate Array) 是XILINX公司的spartan3系列芯片XC3S200, 这是一款高性能的微控制器:内含可编程输入输出单元 (IOB) 、基本可编程逻辑单元 (CLB) 、完整的时钟管理 (DCM) 、嵌入块式RAM, 以及丰富的布线资源。与传统的单片机、DSP等控制芯片相比具有开发周期短、集成度高、速度响应快、功耗低和通用性好等特点, 其内部丰富的逻辑资源保证了各种组合和时序逻辑电路的实现。
LVDS (Low Voltage Differential Signaling) 接口技术在数据传输上具有高速率、低功耗、低噪声、低电磁干扰等特点, 已被广泛地应用于高速数字系统设计中。这里选用了DS92LV010A和DS92LV090A芯片实现数据的传输和信号的电平转换。
存储介质采用型号为K9WBG08U1M的NAND Flash芯片, 存储容量4GB。该芯片由两片K9KAG08U0M芯片组成, 每片存储容量2GB。一片K9WBG08U1M含16348个数据块, 每一块包含64页, 每一页存储容量为 (4k+128) Byte, 其中128Byte为空闲区。它以页为单位进行擦写, 以块为单位进行擦除, 命令、数据、地址采用同一总线, 具有硬件数据保护功能。系统采用4片K9WBG08U1M进行扩展, 使整个系统存储容量达到16GB, 满足海量数据的实时记录需要。
2.3 软件设计
系统的软件设计主要是指FPGA的控制程序设计, 它主要完成LVDS信号的接收以及FLASH芯片的数据写、读、擦除以及无效块检测操作。整个流程如图2所示。
为了实现数据的高速可靠存储, 软件逻辑设计中采用了以下技术:
1) 对启动信号20 ms的脉宽进行多次判断;
每隔5 ms对启动信号进行一次判断, 如果每次都有效, 则进入下一步操作。这样可以防止由干扰引起的误触发, 保证系统的正常运行。
2) 利用FPGA内部块RAM建立一个容量为64 kb的FLSAH无效块信息列表;
由于工艺的缘故, NAND Flash内部存在随机分布的无效块, 为了保证存储数据的有效性, 在写入数据之前需进行无效块检测。系统上电之后首先建立一个64 kb大小的内部RAM, 然后对整个存储介质进行无效块检测, 并将每一块的好坏信息存入RAM中, 建立一个无效块检测信息列表。之后的Flash读、写及擦除操作全部基于该信息列表进行, 这样既可以保证数据的有效操作又提高了数据的写入读出速度。
3) 采用流水线思想对Flash进行写操作;
Flash在进行页编程操作时, 分为两个阶段:数据加载阶段和编程阶段, 编程阶段自动进行, 不需要外部的任何操作, 其典型时间为200μs, 最大时间700μs。按照设计要求存储速率为21.25 MB/s (170 Mbps) , 连续加载写满一页需要的时间为:4 096B/21.25MB/s=192.8μs。则写满7页所需时间为:7×192.8μs=1 349.6μs, 远远大于一页的最大编程时间, 这样就可以采用流水线方式对8片K9KAG08U0M进行写操作。首先对第一片Flash进行数据加载, 加载完成后, 第一片Flash随后进入自动编程阶段;这时接着对第二片Flash进行数据加载, 数据加载完成后, 第二片Flash进入自动编程阶段;依次对八片Flash进行同样的操作, 当第八片Flash完成加载后, 第一片的自动编程结束, 这样又可以重复以上操作, 直至整个数据存储结束[3], 如图3所示。采用这种方式可以大幅度提高数据存储速率。
4) 读写数据时使用了ECC (Error Checking and Correction) 校验技术。
在数据通信的过程中, 由于各种干扰的影响或者个别芯片的读写失败, 会造成传输数据的错误或丢失。为了尽可能降低传输过程中的误码率, 提高存储数据的完整性, 这里使用ECC校验技术来检查恢复错误数据, 保障系统存储数据的可靠性。具体算法分为四个步骤:
(1) Flash写数据时, 同时生成写校验码, 并将其存入当前页的备用存储区间;
(2) 读取Flash数据时, 同时生成读校验码;
(3) 将写校验码与读校验码两者进行异或比较;
(4) 根据异或比较的结果判断是否需要纠错。
3 系统测试及结果分析
为了验证存储系统的可行性和可靠性, 采用地面测试台对其进行了验证分析。其中图4所示是存储器记录的由地面测试台发出的正弦信号曲线, 采样频率20 MHz, 可以看出存储器真实的记录了正弦信号信息, 波形无异常。经过多次测试表明该系统能够完成对高速运动目标运动数据的存储任务, 可靠性较高。
4 结论
本文提出一种高速大容量数据存储系统, 经过测试表明该系统能够实现高速运动目标数据的存储, 其数据存储速率及可靠性满足系统设计任务的要求, 具有很高的实用价值。
参考文献
运动目标模拟系统设计 篇3
SAR (合成孔径雷达) 已经广泛应用于矿产资源普查、地形勘测、冰层测绘、洪水灾害监测、海洋污染监测、森林资源和农作物普查、军事侦察等国民经济和国防领域。SAR模拟技术在星载SAR的研究中具有十分重要的作用。它能模拟出SAR的回波, 用于雷达系统性能的检验。它还可以用于测试和评价SAR成像处理模型的性能, 即检验各种成像算法, 并分析出建立在不同模型上算法的有效性。在原始回波数据中加入系统误差能预测它在成像处理后带来的影响。另外, 由于SAR回波的非线性, 准确的地面特征信息的获取非常困难, SAR回波模拟技术可以通过建立模型来帮助解释这种复杂的回波机制。
本文设计实现了一种SAR目标回波模拟系统, 即注入式目标回波信号模拟系统, 它利用目标仿真软件生成含有目标参数的回波数据, 经数据处理后产生射频回波信号, 送入雷达接收机进行。
1系统设计
系统功能实现简图如图1所示。
在注入式目标回波信号模拟系统中, 回波数据是利用目标信号仿真软件产生的, 无论单目标、多目标还是面目标信号, 都可以在仿真场景下, 根据目标特性产生各种实际目标回波信号的数据。根据用户设置的目标参数, 利用目标信号仿真软件产生目标回波信号的基带时域波形采样数据, 并将该数据信息存储在大容量DDR存储器中。在控制信号的控制下, 回波数据经过D/A转换后得到模拟基带目标信号, 该信号再经过变频即得到射频目标回波信号, 注入到雷达接收机中。
由图2可知, 基带目标回波信号的产生利用I/Q正交方式, 由正交矢量发生器产生I、Q两路信号, 然后通过I/Q正交调制器将基带信号调制到射频。
图2中的FPGA实现高速计数器和系统控制的功能。当系统产生信号时, FPGA通过对采样时钟计数产生高速地址并寻址DDR存储器, 依次读出存在其中的基带时域波形数据, 并通过D/A转换和LPF (低通滤波器) , 产生I、Q两路模拟基带目标信号, 然后再进行正交调制。
图2中所示的正交调制器利用两个相互正交的本
振, 通过零中频混频将信号变换到基带。由此可知, 它只需信号带宽为原来一半的两路相互正交的基带信号。采用这种方法既可以降低对采样频率的要求, 又保留了信号的相位信息, 因而应用十分广泛。LO本振信号经过90°移相器后得到两路频率不变、相位相差90°的正交信号, 分别与I路、Q路模拟基带信号混频, 混频后得到的信号经过合成器后得到射频目标信号[1,2]。设I路、Q路模拟基带信号分别为sin ωt和cos ωt, 本振信号为sin θt,
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式 (1) 即为经正交调制后输出的基带信号。
2软件设计
软件系统组成如图3所示。
a) 目标数据生成模块:根据用户设置的目标参数, 包括地球参数、轨道参数、天线参数、信号参数和场景参数等, 计算生成目标回波数据。
b) 数据控制模块 (FPGA) :用来控制仿真产生的数字目标回波信号的传输和存储, 主要负责把主控计算机中产生的目标数据暂存于DDR存储器中。
c) 接口控制模块:完成主控计算机和模拟系统电路板之间的接口通信, 包括接口驱动程序, 接口信息处理程序。
d) 系统配置模块:管理模拟系统的系统软件, 包括系统配置和用户定义的目标参数配置文件。
3数据的传输与存储
通常的数据传输方式中数据传输速度较慢, 采用USB实现数据传输可以弥补这一不足, 最高传输速率可达480 Mbit/s。而且它具有支持热插拔和即插即用、占用资源较少、支持低功耗模式等优点[3]。
在模拟系统中, 由于主控计算机的处理速度、软件依照模型计算数据的速度, 以及系统内部数据传输速度的限制, 若系统实时生成SAR目标回波数据, 在实时性上满足不了模拟目标回波的需要。因此, 主控计算机数字方式产生SAR目标回波的基带信号后, 模拟出的回波数据先加载到高速大容量数据存储单元中。本模拟系统对存储速度的要求较高, 尤其是要求具有持续而稳定的基带信号数据传输速度。DDR存储器是一种基于SDRAM的存储技术, 由于DDR的数据传送发生在时钟的2个边沿, 而SDRAM仅在时钟的上升沿传送数据, 它的存取速度是SDRAM的2倍。此外, DDR还具有更低的功耗[4], 所以本模拟系统选用DDR存储器暂存数据。
在图2中, DDR存储器作为数据存储单元, 用来存储来自FPGA的目标回波数据。DDR输出的数据经D/A转换和低通滤波后, 生成模拟信号, 送到正交调制器。
4双边带正交调制技术及误差分析
当被调制信号的频率较高和相对带宽较宽时, 正交调制技术成为宽带线性调频信号产生的关键技术之一。正交调制器的输出信号质量受两方面的影响:一是I、Q输入信号幅相不平衡而产生的输出杂散影响, 二是载频泄漏和镜像频率信号的影响。不论幅度不一致还是相位不正交, I、Q两路信号的差异都会对最终仿真出的目标回波信号有较为明显的影响[5]。
在工程实现中, 由于D/A电路以及LPF幅相性能的差异, 特别是I、Q两路LPF幅相一致性的差别, 会引起I、Q信号幅相的不平衡[6,7], 这种差异在正交调制中会产生镜频。
为了降低基带带宽B, 对于线性调频信号采用双边带调制的方式, 基带带宽降为原来的 , 而正交调制信号频率范围为[f0-B/2, f0+B/2], 因此, 镜频分量将出现在有效带宽之内, 无法使用滤波器滤除。为了降低镜频, 在选择低通滤波器时应保证两路滤波器幅相一致, 同时在D/A转换电路中可以采取一定的措施补偿I、Q通道的幅度误差。
载频信号的泄漏主要是由于正交调制器的隔离度和I、Q信号的幅度误差引起的, 其中正交调制器的隔离度属于器件本身的特性, 无法消除。而I、Q信号的幅度误差主要是D/A电路的误差以及滤波器的带内平坦度造成的。假设I路信号有一个小的电压偏差Vp, 则正交调制信号的输出为:
undefined
由此可知I通道的误差将在输出信号上叠加载频泄漏Vpsin L0t, 因此需要保证I、Q两路信号的幅度一致性, 如D/A采用直流耦合的输出方式, 消除偏置电压, 另外, 在选择滤波器时应考虑滤波器的带内平坦度及I、Q两路滤波器的幅度一致性。
I、Q通道如果存在幅相误差, 就会在时域内造成基带复信号的幅度和相位误差, 在频域内会出现有信号回波谱线的镜像。
假设I路信号和Q路信号分别为:
undefined
上式把I、Q两通道的幅度误差k和相位误差θ都归结到Q通道上。则I、Q信号合成的基带复信号为:
undefined
式中:undefined为主频分量;undefined为镜频分量。
则镜像抑制可表示为:
undefined
由式 (6) 可以知, 信号经过有幅相误差的I、Q通道后, 输出信号频谱除了正常的上边带频谱分量外, 还产生了镜像的下变带分量。镜像谱分量的强度与I、Q通道的幅相误差有关。
当幅相没有误差时, 即式 (4) 中的k=1, θ=0, 频谱如图4所示。
镜频抑制随相位误差的变化如图5所示。
为使I/Q正交调制后的镜频抑制达到60 dB～90 dB, 由图5可知相位误差必须控制在0.1°以内。也就是说, 为了达到比较高的镜像抑制, 对正交时本振信号的正交性要求非常高。
以上讨论的是基于单频信号, 幅、相误差k、θ是常数的情况。实际应用中的LFM信号是宽带的, 两路正交信号的幅、相误差k、θ也是与频率有关的。所以实际产生基带信号的幅、相误差以及正交调制器电路非线性因素带来的镜像和谐波杂散还要更加复杂。
5结束语
本文设计实现了注入式目标回波信号模拟系统, 该系统在电子战设备的研制和调试中发挥很重要的作用, 同时, 该模拟系统采用可编程逻辑器件FPGA, 使得在硬件不作任何改动的情况下, 可用软件方法调整系统的数据结构及流程, 使用灵活方便。目前我们研制的同类模拟仿真系统已成功运用于雷达的调试和验收, 并且正在雷达其他系统中推广应用。
参考文献
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三轴运动模拟摇摆台控制系统设计 篇4
三轴船舶运动摇摆台作为一种试验设备,属于框架结构,具有内、中、外三框,能够模拟船体横摇、纵摇、艏摇的三个自由度运动,这包括规则波及不规则波下的船舶运动模拟,系统具有很好的动态响应能力,实时性很好的位置控制,具有良好的稳定性及故障诊断功能。
摇摆台控制系统采用P M A C多轴运动控制卡作为核心,P M A C通过P C I总线与工控机连接,并实时与PMAC卡进行交互,实现摇摆台的实时控制[1]。摇摆台驱动部分采用安川交流伺服系统,三个交流伺服电机通过减速器分别驱动内框、中框、外框。
摇摆台用上位机软件采用V B编写,P M A C作为整个系统的下位机,拥有256个运动程序和32个P L C程序的编写空间[2]。上位机软件通过调用PMAC运动控制指令和相应运动程序对摇摆台进行控制,下位机PLC程序在后台自动运行,实时检测系统的运动状态。
2 摇摆台系统
2.1 摇摆台结构
摇摆台结构简图如图1所示,负载放在内框之上,内框可绕X轴±45°摇摆,中框可绕Y轴±20°摇摆,外框可绕Z轴1 5°摇摆,分别模拟船舶三个自由度横摇、纵摇、艏摇的运动。
2.2 摇摆台硬件基本结构
船舶运动摇摆台内、中、外三框分别采用安川伺服系统驱动,其主要由主控制柜、电机控制柜和机械台体组成。系统的机电原理图如图2所示,该原理图完整地描述系统控制部分的关系。
船舶运动摇摆台的控制系统采用“IPC+运动控制卡”的形式,其硬件构成如图3所示。工控机(IPC)通过P C I总线与P M A C 2运动控制卡通信,PMAC2通过2块ACC-8S接口板以“脉冲+方向”的方式控制三套安川伺服系统。通过ACC-34A返回控制面板功能按钮的指令,如停止、回零等动作,并将系统报警信号显示在面板指示灯上。内外两框通过精密角位移传感器返回两框的绝对位置,进行精确定位,外框通过模拟量接近开关,进行精确定位,三路信号通过信号调理板返回到P M A C 2。
摇摆台采用的多轴运动控制卡为PMAC2 PCI lite,其通过P C I总线和上位机通讯,使用双端口R A M扩展总线的通讯速度,也可以通过串口通讯脱机运行。具有P I D、馅波、前馈等伺服算法,能够自动进行各种轨迹规划。具有256个运动程序空间和32个PLC程序空间,并且P,I,M,Q各1024变量供用户使用。通过运动程序控制电机运动,通过PLC程序控制硬件I/O,进行系统安全和监视[3,4]。
3 摇摆台控制系统软件设计
摇摆台上位机软件采用高级语言V B 6.0以简单明了、功能实用的原则编写,具有数据显示、数据处理、摇摆台控制等功能,内建数据采集系统,可以满足试验数据记录的需要;并且实时监控摇摆台的状态,具有报警和故障处理功能。P M A C 2作为控制系统的下位机,编写相应的运动程序和P L C程序,上位机软件通过改变P M A C中的P、Q、M、I变量,调用P M A C 2中的运动程序和相应的控制指令对电机进行控制[5]。P L C在后台运行,实时监控系统的状态,并对控制面板的指令做出反应。
3.1 软件系统结构
摇摆台控制系统软件结构如图4所示,其主要由以下几部分组成:
(1)软件设置模块:包括上位机软件的一些基本的设置。
(2)系统控制模块:包括单轴控制和三轴联动两大部分。主要是对摇摆台的一些基本控制,如正弦、模拟船舶运动、归零、停止等动作。
(3)系统设置:可以对上位机的采样速度、以及反馈通道进行设置。
(4)数据库模块:包括船型数据和历史数据,船型数据包括一些船舶的基本参数,系统通过这些参数根据船舶运动理论,模拟船舶的运动。
(5)故障诊断:主要记录故障时系统的状态,并根据故障处理的规则给出解决方案。
3.2 PMAC软件设计
1)变量设置
首先,设置I变量,完成激活电机、设置反馈通道、正负限位、PID等参数的设定。
2)PLC程序
P M A C中PLC程序在后台运行,不影响运动程序的执行,在本系统中,通过M变量来监测I/O量,通过A C C-3 4 A接口板接受来自控制面板的指令,控制面板指示灯,监视系统状态。
3)运动程序
摇摆台主要有两种运动状态:正弦运动和模拟船舶运动。使用P M A C中的运动程序完成。下面是一个完成三轴联动的正弦运动程序,运动模式为P V T,指令间隔时间为5ms,上位机可以通过改变程序中的P变量随意改变正弦运动的周期和幅值。
4)归零程序
摇摆台系统中,伺服控制系统采用增量式编码器作为反馈,每次启动后,必须为系统设定零点,设置系统零点的程序如下:
3.3 PC与PMAC的交互
上位机软件通过调用pcomm32.dll动态链接库,来实现和P M A C的交互。在V B开发环境中对所需要的函数进行声明后,就可以方便地调用各种功能函数。
在软件启动时,首先打开P M A C设备,函数如下所示,得到正确的返回值,说明上位机和P M A C得到正确的连接,可以实现通讯。
通过下面的函数实现和P M A C的交互,如命令摇摆台三框执行正弦运动。
使电机归零的函数为
设定三框正弦运动的周期和幅值。用下面的语句改变P变量。
执行运动程序的函数为
上位机软件除了要调用控制指令和运动程序控制电机动作外,还要在界面上显示摇摆台的运动状态。PMAC2 PCI lite的option2具有16通道单端模拟量的返回,上位机软件使用如上的函数,得到相应地址M变量的值,就可以获得两个角位移传感器和模拟量接近开关的值,采集摇摆台三框的绝对位置。
3.4 人机界面设计
在V B环境下设计人机界面,除可以完成摇摆台的控制外,还可以实时显示摇摆台三框的位置,摇摆台状态等参数。人机界面如图5所示。
4 结束语
本文对三轴船舶运动摇摆台的控制系统进行了设计,采用P M A C多轴运动控制卡控制安川交流伺服系统驱动,上位机采用V B高级语言编写,实现了数据显示、数据处理、摇摆台控制等功能;并且实时监控摇摆台的状态,具有报警和故障处理功能。并通过软件编写实现了PMAC软件设计、PC与PMAC的通讯和人机界面等。
参考文献
[1]PMAC2-lite软件参考手册[M].2000
[2]PMAC2-lite硬件参考手册[M].2000
[3]宓方伟,陈功福.PMAC多轴运动控制器应用研究[J].机床与液压,2004,(12):129-131
[4]朱华征,范大鹏等.基于可编程多轴控制器的三轴转台控制系统[J].兵工自动化,2004,(01):52-54
运动目标模拟系统设计 篇5
目标定位跟踪技术一直是计算机视觉领域的一个研究热点,涉及到图像处理、目标识别、人工智能等学科知识点,已被广泛应用在视频监控、机器人视觉导航与军事精确制导等领域。运动目标定位跟踪主要是通过在其视频图像中对运动目标进行提取,确定目标在图像中的位置和大小,从而实现对运动目标的定位和跟踪。运动目标定位跟踪系统主要分为两种:一种是摄像机固定,对特定区域内的运动目标进行定位跟踪,此时摄像机可以通过图像跟踪算法来完成对目标的定位跟踪;另外一种则是将摄像机安装在能够转动的可移动的云台上,摄像机将得到的视场内的信息发送给计算机,计算机中的目标定位跟踪软件系统根据对视频图像中运动目标的检测来判断并得到运动目标的大小和运动方向,再将得到的信息传送给云台,而通过控制云台来完成对运动目标的实时定位跟踪,使得目标对象始终能够处于摄像头的视场中心位置。由于摄像头可以随着云台转动,摄像机可以主动地跟踪目标,因此通常把这种跟踪方法称为主动性跟踪[1]。
Open CV是一个开源的计算机视觉库[2,3],由于其轻量而且高级,在科研和生活中发挥着越来越重要的作用。Open CV是由一定量C函数和少量的C++类构成的,可实现图像处理与计算机视觉方面的一些通用算法,Open CV的模块如表1所示。
本文通过对目标跟踪算法—Camshift算法的研究和改进,利用Open CV视觉库,通过VS2008软件平台构建一个目标定位跟踪软件系统,对目标定位跟踪技术的研究和应用提供了方便。
1 目标定位跟踪系统总体设计
1.1 系统总体结构
系统利用摄像机获取目标图像,经图像采集卡将采集到的视频图像传给系统终端,利用终端中的目标跟踪软件系统对采集到的视频图像进行处理实现对目标的初步跟踪;然后,根据目标的移动位置,通过RS485接口进行软件和云台之间通信,以实现对云台的控制,通过云台的转动来调整摄像机的位置,对目标进行实时准确的跟踪。系统的整体组成结构如图1所示。
1.2 系统工作流程
当运动目标出现在可视范围内时,摄像机将捕捉到的视频图像传送给系统终端进行处理,目标定位跟踪软件对视频图像利用光流法对运动目标进行检测识别,然后做运动目标与背景图像的分割,锁定运动的目标进行定位跟踪;随着目标的移动,通过系统软件去控制云台来调整摄像机,以对运动的目标进行实时定位跟踪。
2 系统关键技术
目前比较流行的跟踪算法有基于目标预测的Kalman算法、粒子算法、均值漂移(Meanshift)算法,本文采用改进后的Meanshift算法,即Camshift算法实现对目标的跟踪。
2.1 颜色概率分布
Camshift算法是基于目标颜色为特征的跟踪方法[4],由于RGB颜色模型对光照的亮度变化比较敏感,为了减少光照亮度变化对跟踪效果的影响,Camshift算法将图像由RGB颜色模型转化到HSV颜色模型,方便对目标的特征提取。HSV颜色模型中,HSV是指Hue(色相)、Saturation(饱和度)和Value(明度),RGB颜色模型与HSV颜色模型分别如图2所示。当光照发生变化时,目标图像颜色本质的色度H和饱和度S的值变化很小,而目标图像的亮度值变化较大,所以采用HSV模型的H和S分量描述目标对光照变化不敏感,具有良好的鲁棒性。
HSV模型采用H分量建立目标直方图模型,将原始图像的像素值用直方图中相应像素的统计量代替,然后将得到的结果重新量化到0~255之间,就得到颜色概率分布图。由于颜色直方图不受运动目标的旋转、放大或缩小的影响,所以本文采用在视频图像由RGB颜色模型转化为HSV颜色模型后,再对色相H取统计直方图。
2.2 Camshift算法原理
Camshift算法其实是对Mean Shift算法的改良。在Meanshift算法[4]中,给出一个彩色图像和该图像某个初始搜索区域所对应的色相统计直方图,利用该色相统计直方图得到反射投影图像;Meanshift算法利用该反射投影图像,通过迭代的方法来寻找目标图像的中心,当搜索窗口中心的移动小于给定的阈值时,则返回所得到的目标的位置和大小。
在彩色图像中,将Meanshift算法扩展到了连续的视频图像帧序列,这样就形成了Camshift算法。该算法是将视频图像的每一帧都作Meanshift运算,并使用上一帧图像的运算信息来作为对下一帧图像运算的输入,如此循环迭代,则实现了对活动目标在每一帧图像序列中的检测和跟踪。由于Meanshift算法每次搜索的范围是固定的,而Camshift算法在搜寻目标时会自动更新每次搜索的范围,所以后者更适合应用在对运动的目标进行跟踪的场合,在此,给出了Camshif跟踪算法流程图,如图3所示。
Camshift算法具体实现步骤如下:
(1)读入视频图像中的一帧,初始化该帧图像,并将其从RGB颜色模型转换到HSV颜色模型,同时提取该帧图像H分量的统计直方图;
(2)初始化搜索窗口的大小和位置,统计搜索窗口内的颜色直方图,计算图像的颜色概率分布,生成运动目标的颜色概率模型;
(3)在生成运动目标的颜色概率模型后,得到反向投影图,运行Meanshift跟踪算法,搜索目标图像新的窗口区域;
(4)计算搜索窗口的质心位置(xc,yc)
设(x,y)为搜索窗口中图像像素位置,I(x,y)是投影图中(x,y)处的像素值。定义搜索窗口的零阶矩M00和一阶矩M01、M10:
则得到搜索窗口质心位置:
(5)移动搜索窗口的中心到质心位置
设当前跟踪窗口中心为移动跟踪窗口的中心到质心位置,令,输出目标中心位置为,继续处理下一帧图像序列;否则,转到第(4)步,继续迭代,其中,ε为给定阈值;
(6)通过迭代的方法计算质心移动距离是否小于给定阈值ε来判断是否收敛。如果不收敛,则重复步骤(4)直到收敛为止;如果收敛,则利用最新的搜索结果到新的图像区域中去搜索目标的位置和大小。
3 目标定位跟踪软件系统设计与实现
目标定位跟踪软件系统运行在PC机上,采用界面简单美观、易于操作的VS2008作为开发语言,结合Open CV视觉库进行设计,通过对跟踪算法的选择,可以实现不同跟踪算法下的跟踪效果和位置数据显示。该软件系统主要由视频原始图像区、目标定位跟踪图像区、云台手动控制区、运动目标数据分析区与基本功能键组成。
3.1 目标定位跟踪系统软件设计程序框图
运动目标定位跟踪软件系统设计程序框图如图4所示。
3.2 目标定位跟踪系统软件设计
3.2.1 视频图像获取
在Open CV视觉库中[2,3],利用Hign GUI库对视频进行读写处理以及使用Cv Cam库对摄像机和视屏流进行处理。其设计关键代码如下:
3.2.2 运动目标图像定位跟踪
本文采用Camshift跟踪算法实现跟踪,其与Meanshift跟踪算法不同之处在于,Camshift算法的搜索窗会自动调整对目标的跟踪大小和位置,即随着运动目标在视频图像中显示的大小而自动调整跟踪窗口的大小。
在Open CV视觉库中[2,3],实现Camshift跟踪算法的是cv Camshift类,Camshift算法的形式如下:
其中:prob_image是目标色彩概率分布直方图的反向投影;Window是搜索窗口的初始值;criteria用于判断搜寻是否停止的准则;comp用于保存运算结果,包含收敛的搜索窗口坐标(comp→rect字段)与窗口内部所有像素点的和(comp→area字段);box表示被跟踪的目标的最小矩形。如果非NULL,则包含目标的尺寸和方向。
Camshift跟踪算法的实现过程是首先搜寻运动目标的中心,然后计算运动目标的大小和方向,最后再进行迭代,实现连续跟踪。程序的关键思路是先获得目标图像的背景投影图,然后利用Meanshift算法对图像序列中的一帧进行跟踪,最后扩展到连续的视频图像帧序列,就形成了Camshift算法跟踪,其主要程序如下:
3.2.3 目标定位跟踪数据分析
运动目标图像的跟踪可以通过视觉进行大致分析,然而精确的数据更能方便地为目标跟踪定位的效果提供分析依据。为此,本文利用Open CV中的Zedgraph动态链接库来分析原始目标与跟踪目标的位置轨迹变化。Zedgraph作为一个优秀的、开源的2D绘图控件,其强大的功能,灵活的定制性,出色的性能使其成为.net平台上出色的、不可多得的趋势图作图工具。部分代码如下:
3.2.4 云台与终端通信
由于本系统所采用的云台的通信接口为RS-485,而计算机的COM口采用的是RS-232通信方式,因此需在计算机COM口连上一个RS-232到RS-485的转换接口,选择使用的是MAX485芯片所设计的一个转换接口。通过云台与计算机之间的通信,可以在对目标跟踪的时候,云台随着目标的移动而转动实现定位跟踪目标,也可以通过人为主观的控制去查找用户感兴趣的图像区域。
3.3 目标定位跟踪软件系统实现
本文利用VS2008软件平台,结合Open CV视觉库所设计的运动目标定位跟踪软件系统如图5所示,其操作方便,美观实用。软件的左上方主要为视频图像的采集与跟踪区;左下角为运动目标定位跟踪的数据分析区,图中显示的为原始运动目标与运动目标跟踪的轨迹位置变化;右半部分主要包括运动目标跟踪的算法选择区、云台手动控制区与一些基本功能区。
4 结束语
本文首先对运动目标定位跟踪技术进行了简单的叙述,分析Camshift目标跟踪的算法,通过对视觉库Open CV的介绍和研究,在VS2008平台上设计了一款基于Open CV的运动目标定位跟踪软件系统。通过具体的实验分析验证,该软件系统可靠性高、运行稳定、而且定位跟踪效果好,为以后对运动目标定位跟踪的深入的理论研究和进一步的实际应用提供了方便,具有一定的实际意义。
摘要：目标定位跟踪技术一直是计算机视觉领域的一个研究热点。为了更好地改进目标跟踪算法的跟踪特性,设计一种基于OpenCV的目标定位跟踪软件系统。通过对Camshift跟踪算法的研究和改进,以实际的跟踪环境为背景,利用VS2008软件平台和OpenCV库函数,设计一种可以控制云台并实时定位跟踪运动目标的软件系统。实验证明,本系统定位跟踪精确,为运动目标的定位跟踪的研究和应用提供了方便,具有一定的实际意义。
关键词：OpenCV,目标定位,目标跟踪,Camshift
参考文献
[1]DOUCET A,GORDON N,KRISHNAMURTHY V.Particle fi-lter for state estimation of jump Markov linear systems[C]//IEEE Trans,Signal Processing,2001,49:613-624.
[2]于仕琪,刘瑞祯.学习OpenCV(中文版)[M].北京:清华大学出版社,2009.
[3]陈胜勇,刘胜.基于OpenCV的计算机视觉技术实现[M].北京:科学技术出版社,2008.
[4]赵雪.基于自适应颜色特征的Camshift改进算法的研究[D].大连:大连海事大学,2010.
运动目标模拟系统设计 篇6
随着当今社会对民用和军用设备的技术要求不断提高,运动目标跟踪技术已经快速地发展成为目前信息处理领域中一项十分重要的科学技术。以ARM为平台的嵌入式处理系统的迅速发展,以更高速度、更高集成度,拥有丰富的接口资源,支持大容量的ARM和FLASH存储器,能够支持操作系统的嵌入式系统将成为未来图像处理系统的发展趋势。本文将建立在基于ARM的嵌入式平台上,设计基于S3C2440的运动目标跟踪系统,进行对嵌入式运动目标跟踪系统的研究。
1 系统总体结构和硬件设计
基于ARM嵌入式平台的目标跟踪系统划分为用于图像采集的摄像头、ARM嵌入式硬件平台,ARM嵌入式操作系统和实现运动目标跟踪算法的程序。首先配置好所需的Linux操作系统并在S3C2440开发平台上进行移植,然后制作合适的文本系统、编写相应的程序代码。用USB摄像头对运动目标的进行实时采集并对采集的信息进行筛选,然后将其采集数据送入S3C2440嵌入式处理器进行图像分割、特征提取等的处理,完成目标的定位和识别,最后分析数据和实际情况调整USB摄像头的位姿,确保摄像头能对运动目标进行准确的跟踪。更好的达到实时性和小型化将是本嵌入式目标跟踪系统追求的目标。
采用S3C2440芯片作为核心处理器,其最高可运行在203MHz,采用了ARM920T的内核,0.13um的COMS标准宏单元和存储器单元。该处理器拥有:具备独立的16KB的I-Cache和16KBD-Cache/MMU微处理器,集成LCD专用DMA的LCD控制器(支持最大4K色STN和256K色TFT),NAND闪存控制器,3路URAT(IrDA1.0,64-Byte Tx FIFO,64Byte Rx FIFO),4路拥有外部请求引脚的DMA控制器,4通道PWM定时器,,8通道10比特ADC和触摸屏接口,通道IIC—BUS接口(多主支持),IIS-BUS音频编解码器接口,2路USB主机控制,1个USB设备,1.0版SD主接口,兼容2.11版MMC接口,2路SPI等。集成了高速处理、资源丰富与强大的控制功能于一体,与同类的嵌入式CPU相比较这是最快的一款。还具有实时性、可裁剪性、安全性高、可移植性等特点。由于Linux操作系统具有源码公开的特点,使得在编写外围设备驱动程序更加方便,它已成为当今主流的嵌入式操作系统。本文采用$3C2440嵌入式处理器的ARM9开发平台,驱动USB摄像头进行数据采集,USB摄像头不需要外部电源,直接从USB直接获取即可,减小了设备的体积更便于携带且数据传输速度远高于普通串口。
2 系统的软件设计
Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统。目前存在着许多不同的Linux,但它们都使用了Linux内核。利用Linux嵌入式操作系统,可以使系统的开发效率和可靠性得到提高,更好的挖掘32位CPU多任务的潜力。本文的操作系统采用Linux-2.6.13内核,这个内核版本性能相当稳定。文件系统只要负责存储系统配置文件,系统外设驱动程序。
2.1 USB摄像头驱动的实现
本文USB摄像头驱动使用模块方式加载。在系统平台上安装USB摄像头驱动,首先把USB控制器驱动模块静态编译进内核,使平台中支持USB接口,再在需要使用摄像头采集时使用insmode命令动态加载其驱动模块(spca5xx.o)。
2.2 应用程序设计
对所有相关设备进行初始化,检查和确认设备的性能,设置所要捕获的图像的高度和宽度,设置好色调和清晰度,建立映射关系;然后开始采集图像并读取数据;得到所需数据后关闭所有设备。图像采集有直接读取设备read()方式和内存映射mmap()方式。但考虑到系统实时性的重要性,我们在这里采取内存映射的方式进行图像采集。
3 目标跟踪系统
3.1 目标跟踪的原理
基于ARM嵌入式平台的运动目标跟踪系统要求对运动目标施行跟踪。图像输入、图像预处理、运动目标检测、目标提取等是实现目标跟踪系统的一系列过程。
整个过程的开端是进行图像输入,通过USB摄像头对运动目标所在区域的图像进行采集,然后进过分析才能目标识别和跟踪。图像预处理实际是对输入的目标图像采取数字化、几何变换、归一化、平滑、复原和增强等过程,目的是消除图像中无关信息,恢复有用的真是信息,使得信息的可检测性增强,更大限度的简化数据,从而提升了特征提取、图像分割和识别的可靠性。特征提取是对筛选出的特征量进行运算处理,然后对参数进行对照和匹配,确定运动目标的真伪。
3.2 图像预处理
在实际的环境中,对图像进行适当的预处理,减少或滤除由于USB摄像头成像过程中受到外界的各种噪声和随机干扰,获取更多有用信息,使其后处理能有效、可靠的实施。首先选用灰度图像进行分析,用于显示灰度图像中的每一个像素亮度值是由一个八位字节来表示,这样灰度图像可以有256级灰度,这种精度能够很好的避免失真,易于程序的编写,且使其处理量得以缩减,利于对图像的后续处理。
彩色图像与灰色图像之前的转换:
RGB→Gray:Y=0.299R+0.587G+0.120B(1)
其中Y表示灰度图像的灰度值,R表示彩色图像中的红色,G表示彩色图像中的绿色,B表示彩色图像中的蓝色。
3.3 运动目标检测
运动检测的目的是将USB摄像头所采集的图像中变化区域由图像分割技术从背景中提取出来。本文采用背景差分法实现运动目标检测,即将当前图像与背景模型进行减法运算。所谓的背景提取就是从图像序列中经分析处理后提取出当前目标背景。其使用的方法归结为:基于统计模型的方法、基于预测的方法和特征匹配法三大类。
在本文中根据实际情况选择特征匹配的方法来进行背景提取。首先我们通过该方法确定图像的特征信息,图像的特征信息大多情况聚集在图像变化最为剧烈的边缘区域。为了使图像的边缘呈现更为突出需要对目标图像求梯度。本文采用众多梯度方法中以有名的Sobel算子进行求梯度的方法。以待增强图像的任意像素(i,j)为中心,通过运算截取一个3×3的像素窗口是Sobel算子的基本思路。如图1所示。
分别计算窗口中心像素在向x,y方向上的梯度增强后图像在(i,j)处的灰度值为。
3.4 目标图像提取
本文运动目标提取是用通过利用背景差分法对确定的背景进行阈值分割而获得。运动目标出现后图像如图2所示。
阈值分割是一种基于区域的图像分割技术,其基本原理是:通过设定不同的特征阈值,把图像像素点分为若干类.常用的特征包括:直接来自原始图像的灰度或彩色特征;由原始灰度或彩色值变换得到的特征.设原始图像为f(x,y),按照一定的准则在f(x,y)中找到特征值T,将图像分割为两个部分,分割后的图像为
若取:b0=0(黑),b1=1(白),即为我们通常所说的图像二值化。处理后结果如图3所示。
一般意义下,阈值运算可以看作是对图像中某点的灰度、该点的某种局部特性以及该点在图像中的位置的一种函数,这种阈值函数可记作
T(x,y,N(x,y),f(x,y))
式中,f(x,y)是点(x,y)的灰度值;N(x,y)是点(x,y)的局部邻域特性.根据对T的不同约束,可以得到三种不同类型的阈值。
完成运动目标特征的提取后,对新获取的每帧图像转换成灰度图像;然后通过阈值分割、边缘提取、腐蚀膨胀对其图像处理后,进行各联通单元的标记;最后对其单元的特征向量进行合理计算,与原始特征向量相对照,匹配度达到最高的就是运动目标区域。
4 结论
本文研究了基于ARM嵌入式平台的运动目标跟踪系统,对运动目标跟踪系统的图像采集、图像预处理,图像提取等处理过程进行了分析。利用Linux嵌入式操作系统的植入是的系统功能的可裁剪性和扩展性得到很大的提高,在速度、体积、性价和精度也得到了更好的完善。
参考文献
[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
运动目标模拟系统设计 篇7
1 脚踏板运动检测系统设计
1.1 总体设计
由于目前各种脚踏板运动检测系统采用的电位器、互感器等传感器所采集到的信号均为模拟信号,在信号送入计算机控制系统之前都要进行信号的调理和处理等过程,系统设计复杂,使用维护极不方便。而采用一种新型的光电传感器对脚踏板的运动进行非接触式检测的方法可以简化系统的设计并可以提高系统的可靠性。该方法将脚踏板的旋转运动转换为标准脉冲信号,利用单片机对脉冲进行双向计数[3],进而实现对脚踏板运动的非接触式检测。
1.2 系统方案设计及工作原理
1.2.1 系统方案设计
由于汽车驾驶模拟器的各种脚踏板(包括离合器踏板、脚刹车踏板和油门踏板等)的运动为旋转运动,在脚踏板运动检测系统设计中采用一种直射式红外光电传感器IT236实现旋转编码功能。该检测系统可以将脚踏板的旋转运动转换为脉冲信号,通过单片机对脉冲计数实现对脚踏板运动的检测。脚踏板运动检测系统的设计方案为:将光电传感器固定安装在脚踏板的侧上方,同时将一个半径为40mm、齿宽1mm、齿间距1mm的扇形齿盘垂直固定安装在脚踏板的转动轴上,使扇形齿盘位于光电传感器检测凹槽的正中央,并且扇形齿盘的栅格平面垂直于光电传感器的光轴。
1.2.2 系统的工作原理
当脚踏板沿一定方向运动时带动齿盘转动,直射式红外光电传感器对齿盘的栅格转动进行检测形成相应方向(或相)的计数脉冲。单片机只需对相应相的脉冲数量进行计数处理即可实现对脚踏板运动的非接触式检测。
2 脚踏板运动检测系统的结构设计
2.1 系统的硬件结构设计
脚踏板运动检测系统的硬件结构图如图1所示,系统主要由传感器部分、辨向部分、单片机部分和上位机系统构成。
传感器部分主要由直射式红外光电传感器IT236和安装在脚踏板转动轴上的齿盘(或者光栅码盘)构成。IT236传感器本身集成了两路红外光电传感套件,由两组红外发射和接收管组成,其分辨率为0.43mm,提供A、B两相TTL电平输出,不需调整输出相位即可实现两路信号的正交输出[4]。安装在脚踏板转动轴上的齿盘则可根据不同的检测分辨率使用不同半径的扇形齿盘。IT236传感器根据齿盘半径不同可以每转输出90-180个脉冲。
由于光电传感器只输出A、B两相脉冲信号并不对A、B两相脉冲信号的次序进行任何预处理,实际使用中需要利用A、B相的脉冲相位之间的关系对齿盘的转动方向进行辨向处理。此处使用专用辨向芯片ST288A[5]。系统的辨向电路图如图2所示。由于光电传感器输出的两相脉冲信号均为标准TTL电平信号,所以在实际使用中可以不对脉冲信号进行任何放大和整形处理。
单片机部分则是利用单片机内部的计数器对外部输入的脉冲信号进行双向计数,进而实现对脚踏板运动的检测。
2.2 系统的软件设计
系统的软件设计部分主要是单片机的编程以及与上位机的通信协议的编写。单片机的编程主要涉及到计数器设置、中断设置以及UART串口通信设置。单片机的程序软件流程图如图3所示,上位机对脚踏板运动检测系统的测试界面图如图4所示。
3 结论
本文采用光电传感技术设计的非接触式汽车驾驶模拟器脚踏板运动检测系统克服了传统检测系统的各种缺点,同时由于采用了低成本的单片机技术,该系统极大地降低了设计和运行维护成本。随着经济的迅速发展和人们生活水平的日益提高,我国的汽车保有量迅速增加,驾驶培训市场也在快速发展。可广泛使用于驾驶培训的、具有高精度和高可靠性的汽车驾驶模拟器必将随着社会的发展迎来一个飞速发展的时机。
参考文献
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