自由空间激光通信系统APT粗跟踪单元光斑检测优化设计

复合轴APT(Acquisition Pointing Tracking)控制子系统是自由空间激光通信系统中重要组成部分和关键技术,其中粗跟踪伺服单元主要完成高概率、快速捕获和高稳定、高精度跟踪。在简要介绍自由空间激光通信粗跟踪光斑检测的基础上,优化设计了APT粗跟踪光斑检测单元。以XILINX公司的Spartan-3E系列XC3S1200E型FPGA芯片为平台,完成了对光斑检测单元CCD相机图像进行模拟高斯分布的自适应滤波的实时处理,并对相机进行自适应光强控制,提高了粗跟踪光斑信号的检测精度。最后经过APT复合轴的实验系统测试得出:粗跟踪精度120μrad,可靠进入精跟踪视场。     

100 km量子纠缠分发实验捕获跟踪技术

介绍了100km量子纠缠分发实验中的捕获跟踪瞄准(ATP)技术.以Alice接收端的700 mm望远镜为例分析了ATP系统的技术指标、光路布局和高带宽跟踪精度的实现方法.为了抑制近地面水平大气湍流引起的量子信息传输光束和信标光束的到达角起伏,在经典复合轴跟踪模式的基础上,设计了具有粗跟踪、精跟踪和超精跟踪功能的双重复合轴跟踪系统和双快速控制反射镜融合的跟踪算法,用高帧频CMOS探测器和压电快速控制反射镜构建了超精跟踪回路.采用这些方法有效解决了跟踪动态范围和跟踪精度之间的矛盾,更好地发挥了高帧频探测器的性能,提高了抑制带宽和跟踪精度.将该双重复合轴跟踪系统成功应用于100 km量子纠缠分发实验,结果显示捕获跟踪系统的跟踪精度为4μrad,抑制带宽达到了70Hz.     

高帧频CMOS相机对光通信精跟踪系统影响分析

分析了互补金属氧化物半导体(CMOS)相机作为机载光通信精跟踪系统的位置传感器的优势,采用基于CMOS相机与FPGA研制的精跟踪系统,可实现帧频8 800 Hz的图像采集、数据传输、实时图像处理、光斑质心计算以及伺服控制等功能,分析了CMOS相机的噪声、帧频以及光斑质心算法对精跟踪系统跟踪精度的影响,给出了对应的数值分析与实验结果。实验结果表明:CMOS相机噪声对光斑坐标x轴、y轴引起坐标的标准差分别为0.291 9像素,0.120 2像素;当相机帧频从2 200 Hz提高到8 800 Hz时跟踪标准差从1.8降低到0.5个像素;外场光斑质心算法偏差比理想高斯光斑计算结果大8.34-0.71像素。光斑中心算法对跟踪精度影响明显,设计更具针对性的自适应光斑中心算法可以大大改善精跟踪的效果。     

神经网络非线性智能控制在光电跟踪系统中的应用

针对伺服系统中非线性力矩干扰导致光束跟踪性能下降的问题,采用神经网络算法实现光电跟踪系统的非线性控制。分析了径向基函数神经网络监督控制算法应用于光电跟踪系统的优势,设计了光束跟踪实验,数据显示神经网络能够智能输出非线性控制量抑制摩擦力矩干扰,提高光束跟踪性能,对幅度3°、频率在1Hz以内的光束扰动抑制比达到-28~-51dB,比初始未优化的PID控制提高15dB以上。实验结果表明,神经网络算法可以自动建立反馈量与控制量的非线性映射,适用于复杂系统的非线性控制。     

基于FPGA的视频跟踪模块设计及其在900t运梁车上的应用

讨论了基于FPGA的视频跟踪模块的软硬件设计。模块输入信号由飞利浦视频转换芯片SAA7113进行采集和A／D转换,由FPGA进行时序控制,由ARM执行程序算法,通过比较两帧图像的像素点数据来实现视频跟踪的目标。给出了硬件设计电路和软件设计方法,同时给出了部分的程序代码和程序的流程控制示意图,并介绍了模块在900T运梁车上的应用。     

基于FPGA的高速实时光斑质心检测系统的设计

光斑质心检测是自由空间通信APT精跟踪子系统的关键技术之一,对此本文提出了基于FPGA的图像处理算法,主要采用3×3窗口模块和自适应阈值模块,先对CCD输入数据进行处理,判断光斑的范围,然后再运用光斑的质心算法对光斑所占的像元进行运算,得出光斑位置的脱靶量,最后通过串口送至总控单元处理。实验达到了3000帧／s的脱靶量帧速,精度为2urad的技术指标,实现了高速率、高精度的精跟踪要求。     

空间激光通信组网单光束跟踪子系统

介绍了用于一对多激光通信组网控制系统的光斑跟踪闭环系统。在伺服转台位置闭环的基础上,讨论以CCD相机为敏感器,以二维伺服转台为执行器的光闭环系统。介绍了跟踪系统的数学原理,研究了光闭环各环节的静态动态误差及开环闭环响应。在理论计算和数学仿真后,编写了闭环跟踪程序。采用经典PID控制与前馈相结合的控制算法,进一步提高了伺服带宽,保证了系统的稳定性。对星间激光通信的光斑位置进行了跟踪试验,结果显示跟踪误差为3σ≈136μrad,基本符合空间激光通信组网系统激光束的指向要求。得到的结果验证了控制策略的可行性,为多光束伺服打下了基础。     

高速高精度叠层直线运动控制系统

在分析粗精动控制系统的耦合及轨迹分配等问题的基础上,介绍叠层试验台高速高精度直线运动的实现: 采用永磁直线交流电动机驱动粗动台,粗动台行程大但带宽较低;音圈电动机驱动精动台,精动台带宽高但行程较小。用绝对空间闭环方式实现试验台的粗精运动控制,这种方法可以忽略粗动台对精动台的惯性力扰动,精动台直接跟踪给定轨迹,粗动台跟踪精动台的运动轨迹防止精动台发生运动饱和。试验结果表明,精动台显著提高了系统的定位和跟踪精度,该控制方法使叠层试验台的高速高精度运动得以方便实现。     

光自闭环快反镜的控制器设计

随着人们对激光束指向精度要求越来越高,对快速反射镜控制技术的要求也相应提高。快反镜控制器主要由控制算法与硬件电路组成。文中设计了光自闭环快反镜的控制器。以DSP F2812芯片为控制核心,DB6236 H桥功率转换芯片为驱动核心。配合电流采样电路以及以CMOS芯片为采样核心的光斑检测电路,完成控制器硬件电路设计。采用增量式离散不完全微分PID算法抑制快反镜工作方向谐振,提高控制器控制带宽。编写DSP控制程序,完成电流读取、光斑质心读取以及多环控制计算。完成快反镜机电系统搭建,并测试其控制误差以及控制带宽。     

卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统

为了满足卫星星间激光通信粗跟踪系统高的动态性能和稳态性能,针对普通PID控制存在阶跃响应超调量大、调节时间过长等问题,以永磁同步电动机为控制对象建立粗跟踪系统的三环控制模型,并进行matlab仿真分析.在普通PI控制的基础上提出一种自适应增益控制,为跟踪系统缩短调节时间改善超调等动态性能提供新的方法,在基于FPGA主控单元的控制下.地面实验表明,在187.25μrad(500码)阶跃信号的激励下,改进的自适应增益控制策略较普通PI控制,超调量由35.8％下降到10％,调节时间由100 ms缩短到70 ms,稳态精度保持在±2.247μrad(3码),控制性能得到了显著改善.在轨工况下,自适应增益控制策略能够实现星间激光通信跟踪转台的高精度控制,同时对其他高精度伺服系统设计具有借鉴意义.     

基于FPGA的虚拟演播室数据采集系统设计

针对当今虚拟演播室中机电跟踪系统存在的不足,研究和设计了一种新型摄像机运动参数的数据采集系统.对数据采集卡硬件整体设计进行了阐述,提出了FPGA控制芯片各模块的设计方法,并给出了仿真结果.仿真结果表明,数据采集系统达到了设计要求,可以做到传输距离短、精度高、抗干扰能力强,具有很高的应用价值.     

Visual Tracking System for Welding Seams

To track the narrow butt welding seams in container manufacture, a visual tracking system based on smart camera is proposed in this paper. A smart camera is used as the sensor to detect the welding seam. The feature extraction algorithm is designed with the consideration of the characteristics of the smart camera, which is used to compute the error between the welding torch and the welding seam. Visual control system based on image is presented, which employs a programmable controller to control a stepper motor to eliminate the tracking error detected by the smart camera. Experiments are conducted to demonstrate the effectiveness of the vision system.     

基于TMS320F2812 DSP的定日镜跟踪控制系统的设计

在传统的定日镜跟踪控制系统中,大部分采用光电跟踪法或视日运动轨迹跟踪法,这使其存在很多局限性。为了克服这些不足,将上述两种方法有机结合,采用TMS320F2812 DSP芯片为控制核心,搭建硬件开发平台,利用CCS2000软件支撑环境,实现了对定日镜的自动跟踪和控制,系统具有性能稳定,实时跟踪响应速度快的优点,具有良好的开发应用价值。     

Fast and Simple Motion Tracking Unit with Motion Estimation

Surveillance system using active tracking camera has no distance limitation of surveillance range compared to supersonic or sound sensors. However, complex motion tracking algorithm requires huge amount of computation, and it often requires expensive DSPs or embedded processors. This paper proposes a novel motion tracking unit based on different image for fast and simple motion tracking. It uses configuration factor to avoid noise and inaccuracy. It reduces the required computation significantly, so as to be implemented on Field Programmable Gate Array(FPGAs) instead of expensive Digital Signal Processing(DSPs). It also performs calculation for motion estimation in video compression, so it can be easily combined with surveillance system with video recording functionality based on video compression. The proposed motion tracking system implemented on Xilinx Vertex-4 FPGA can process 48 frames per second, and operating frequency of motion tracking unit is 100 MHz.     

高精度光学头部位置定位系统

针对头盔式虚拟现实系统中的头部位置跟踪,研究并实现了多摄像机下的高精度光学头部位置定位系统。通过设计初始标定方块来减小系统安装误差,使摄像机按正交方式布置,保持其光轴两两相互垂直。定位过程中以某一摄像机为基准,任意给定目标深度初值;依据摄像机成像模型计算出目标空间位置,再将该计算结果作为其他摄像机的目标深度初值进行循环迭代计算,收敛至给定精度后得到目标三维空间坐标值。最后以3个标记点空间位置为基础,依据其空间关系计算得到目标姿态角。对比实验表明,该定位方法定位精度高、计算速度快,静态位置误差为0.051 cm,动态位置误差为0.088 cm,明显超过电磁跟踪器定位精度;同时该定位系统成本低廉,不受外界金属和电磁环境干扰,可满足虚拟现实系统中高精度头部位置跟踪需求。     

基于FPGA的视频信号发生器设计与应用研究

本文介绍了一种基于FPGA的新型视频信号发生器,它可以满足多种被测系统对输入视频信号制式的要求.该系统利用USB总线与上位机进行通信,同时解决了系统供电的问题.在FPGA内部,通过软件编程的方法生成视频信号的图像和时序控制信号,并送入视频D/A模块.通过实验对该视频信号发生器在电视跟踪性能检测中的应用进行研究,获取并分析了被测电视跟踪系统的跟踪性能指标.在使用中发现该系统具有可靠性高、通用性好、集成度高和体积小等特点,具有广泛的应用前景.     

基于ARM的疲劳裂纹扩展试验摄像头运动控制系统

在疲劳裂纹扩展试验中,疲劳裂纹的自动跟踪是十分必要的.针对疲劳裂纹自动跟踪的问题,首先建立起了以步进电机为运动机构的摄像头云台系统,使用ARM作为步进电机控制器,然后由PC机对摄像头采集到的裂纹图像进行图像处理并转化为电机运动控制信号,最后将控制信号通过串口传送到ARM中.研究结果表明,摄像头运动系统定位精度为0.05...     

基于Kinect骨骼追踪的控制方法的研究

提出了一种基于Kinect骨骼追踪的控制方法,提高了人机交互的效率性和自然性。Kinect有红外发射器和摄像头,所以其能够产生三维数据。Kinect SDK从红外摄像头获取红外数据后,对其进行计算处理,产生景深数据,通过骨骼追踪技术处理景深数据,以匹配人体的各个部分,进而建立人体各个关节的3D坐标;然后利用3D坐标值计算各个关节的转动角度;最后将计算结果发送给被控对象,完成了整个控制过程。此控制方法很好地实现了体感交互,可应用于智能家居、智能教学、工业控制等领域。