L'étalonnage parfocal et la compensation rapide de l'objectif à zoom continu infrarouge à rapport de zoom élevé - Conception du système de contrôle logiciel
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- 2021/10/15
Résumé
Afin d'obtenir la parfocalité de l'objectif à zoom continu infrarouge avec un grand rapport de zoom. Cet article présentera spécifiquement une autre conception de système de contrôle logiciel de méthode parfocale.
Dans l'article précédent, nous avons présenté en détail une méthode de parfocalité d'objectif infrarouge à zoom continu avec une conception de circuit matériel à grand rapport de zoom. Cet article présentera spécifiquement une autre conception efficace de système de contrôle logiciel de méthode de parfocalité. Ces deux méthodes parfocales permettent à l'objectif infrarouge à zoom continu à grand rapport de zoom de parfocaler efficacement la cible.
Afin de réaliser rapidement la compensation de parfocalité dans le processus de zoom, le processus de zoom et la compensation de parfocalité sont séparés et contrôlés par deux MCU, de manière à réduire le temps de contrôle en boucle fermée et à augmenter l'échantillonnage pendant le mouvement synchrone du zoom et compensation parfocale. La précision répond aux exigences de compensation en temps réel pour la parfocalité.
De plus, afin d'améliorer la fiabilité de la compensation de température, il est nécessaire d'utiliser le dégradé de gris de l'image pour la vérification, et en même temps de collecter la valeur actuelle de la position de compensation pour le signal de synchronisation de chaque image.
Calibrage parfocal
L'étalonnage de parfocalité adopte la méthode d'interpolation à double ligne. Afin de faciliter la recherche et l'interpolation, la structure de données suivante est adoptée :
structure typedef
{U16 bianj_v［2][26]; //La position du zoom d'un point de température spécifique, en utilisant des données à double colonne
s16 tiaoj_v[2][26]; //correspondant à la valeur de compensation à la position du zoom, en utilisant des données en double colonne
s16 zxtiaoj_v; //valeur de compensation à la focale minimale
s16 zdtiaoj_v; //La valeur de compensation à la focale maximale
u8 mark_v[2][26]; //Le numéro de séquence correspondant à chaque position, facile à trouver
u8 coef1[2]; //Coefficient de proportionnalité de l'échelle d'ajustement linéaire
u8 coef2[2]; //Coefficient de proportionnalité de l'échelle d'ajustement linéaire
}valeurbuchang;
buchangvalue xdata ybdwdata[25];//Sélectionnez 25 points de température dans la température de travail
Parce que le chemin de la came de zoom spatial d'une focale courte à une focale courte et la courbe de traitement de l'hystérésis d'une focale longue à une focale courte présentent des erreurs d'usinage. La courbe de came est représentée sur la figure 1. À la même position, l'erreur morphologique des courbes avant et arrière fait que la largeur de la came est différente.
Lorsque l'avant et l'arrière sont dans la même position, la position réelle est légèrement différente, ce qui entraîne une parfocalité incohérente. La méthode de compensation à double ligne peut éliminer efficacement l'erreur d'hystérésis du réglage d'usinage et d'assemblage de la came spatiale.
(a) courbe de came spatiale théorique
(b) courbe de came de l'espace d'usinage réel
Fig. 1 Courbe de came spatiale
Le processus d'étalonnage adopte la méthode d'étalonnage en ligne, de -45 ℃ à 75 ℃, étalonnage une fois tous les 5 ℃, un total de 25 points d'étalonnage de température, d'autres segments de température sont ajustés par interpolation. Cette méthode est non seulement pratique pour le réglage du point de température dans le boîtier de température, mais peut également filtrer autant que possible les points de changement singuliers dans différentes sections de température.
Chaque segment de température peut stocker jusqu'à 26 points, le stockage sur double ligne peut stocker 52 points (sans compter les deux points finaux), pour (objectif à zoom continu 50 fois 13,2～660) normalement, vous pouvez définir 10～16 points par colonne. Ajustez la courbe avec précision.
Les données de chaque structure sont disposées dans l'ordre de la valeur de distance focale du zoom, de petite à grande, ce qui permet de gagner du temps de recherche pendant la compensation, et la compensation peut être réalisée plus rapidement lors du processus de zoom. La ligne d’ajustement de compensation est illustrée à la figure 2.
(a) courbe d'ajustement de compensation polynomiale du second ordre à －30℃
(b) courbe d'ajustement de compensation en ligne droite à －30℃
Fig.2 Raccord de compensation
La figure 2 (a) utilise la méthode des moindres carrés pour ajuster le polynôme du second ordre, et la précision est relativement plus élevée. La figure 2(b) utilise un ajustement en ligne droite, dont la précision est légèrement inférieure, mais qui peut être compensée en augmentant le point d'insertion.
Afin de réduire le calcul, une stimulation directe est utilisée pour ajuster la courbe de compensation, et le coefficient d'échelle de chaque segment est stocké dans la variable de coefficient d'échelle dans la structure de données. coef1[0][ ] stocke la valeur entière de séquence positive, coef2[0][ ]stocke les valeurs décimales d'ordre positif, coef1[1][ ]stocke les valeurs entières d'ordre inverse, coef2[1][ ]stocke les valeurs décimales d'ordre inverse valeurs, cette méthode peut économiser plus d'espace de stockage que le stockage de nombres à virgule flottante.
La valeur de compensation adopte la combinaison de la valeur de référence et de la valeur de compensation signée, ce qui est pratique pour aligner le tableau de compensation en modifiant la valeur de référence après avoir remplacé l'encodeur ou le potentiomètre.
La consigne est remplacée par les trois méthodes suivantes
(1) Pour le point focal court (valeur de distance focale inférieure à 250), le point de consigne est compris entre ±8 ; pour le point focal central (valeur de distance focale 250-550), le point de consigne est compris entre ±4 ; le point de position focale éloignée (valeur de distance focale supérieure à 450), réglé à ±2. Les points de cette plage sont directement remplacés.
(2) Toutes les données utilisent la méthode du premier entré, premier sorti. Si les points de consigne suivants sont supérieurs à 26, la première valeur définie apparaîtra dans l'ordre. Cette méthode est utilisée pour réinitialiser la valeur une fois l'objectif usé.
(3) La courbe des valeurs de compensation est une courbe en constante évolution et il y a peu de changements soudains. Une fois le point de compensation défini, il existe deux méthodes d'ajustement, l'une consiste à s'ajuster strictement en fonction du point de consigne et l'autre consiste à filtrer l'ajustement du point de changement singulier, ce qui peut éliminer le mauvais point dans le réglage.
Lorsque le point de compensation de température est défini, chaque point de consigne inséré est stocké dans la RAM interne de la puce. Ce n'est qu'une fois que tous les points sont réglés à cette température et que la courbe d'étalonnage est normale qu'ils peuvent être stockés dans FLASH.
Lorsque l'appareil est allumé, la lecture dans la RAM peut accélérer la recherche du tableau de compensation, le calcul de l'interpolation et le contrôle du mouvement de compensation. Les points de consigne de température sont classés dans l'ordre de la valeur de distance focale, de petite à grande. Si le nombre de points de consigne peut atteindre la parfocalité complète de l'objectif à zoom continu, il n'est pas nécessaire de définir davantage de points.
Compensation rapide de parfocalité
Pendant le processus de zoom, le MCU de contrôle auxiliaire (GD32E103T) renvoie la valeur de zoom actuelle au MCU de contrôle principal (GD32F450I) en temps réel.
Le contrôleur principal détermine la position du point de compensation en fonction de la valeur de température calibrée et de la valeur de distance focale.
Si la température actuelle est de 27 ℃ et la valeur de la distance focale est de 70 mm, puisque seuls les points de compensation de 25 ± 1 ℃ et 30 ± 1 ℃ sont stockés, utilisez d'abord l'interpolation sur une seule ligne pour calculer la valeur de compensation du point M au distance focale de 30℃70 mm, puis calculez la valeur de compensation du point d'interpolation N de la distance focale à 25℃70 mm, et enfin calculez la valeur de compensation du point P via M et N.
Si la température actuelle est proche du point de consigne (par exemple, 30 ± 1 ℃), la compensation d'interpolation sur une seule ligne sera utilisée directement.
Pendant le processus de zoom, en fonction de la valeur actuelle du retour de zoom, la partie de contrôle de compensation doit prétraiter et ajuster la position du moteur de compensation. En coopérant avec le moteur de zoom, il peut garantir que le point éloigné de la mise au point puisse être rappelé à temps. L'image de sortie est relativement claire pendant le processus de grossissement.
En fonction des points de position stockés de chaque segment et du coefficient proportionnel de la ligne droite d'ajustement du point de position, la valeur de compensation du point de position suivant est déterminée à l'avance par la méthode y=a*x+b.
Lors du zoom d'une distance focale de 82 mm à une distance focale de 510 mm, la compensation passe par 4 lignes droites d'ajustement et la valeur de compensation est déterminée en fonction de l'équation de mouvement de chaque ligne droite. Par exemple, dans la section AB, la trajectoire de zoom est AK et la trajectoire de compensation est KB.
Le moteur de compensation adopte un algorithme de contrôle à double boucle, dans lequel la boucle de position est la boucle principale, et la boucle de vitesse est bénéfique pour compenser la vitesse du moteur et l'entraînement à haute et basse température.
Étant donné que l'objectif à zoom continu a une plage de températures de fonctionnement plus large, en particulier à basse température, la viscosité de l'huile lubrifiante à basse température devient plus grande et une plus grande force motrice du moteur est nécessaire pour entraîner la charge.
Par conséquent, la boucle de position peut être utilisée pour ajuster rapidement la position de compensation à température ambiante. À des températures élevées et basses, une boucle de vitesse est nécessaire pour ajuster les paramètres PID, de manière à garantir que le moteur ne se bloquera pas à basse température et ne dépassera pas à haute température, contrôlant ainsi le temps de réglage du moteur.
En raison de l'erreur de délai d'échantillonnage, il existe une erreur systématique entre la position de compensation et la position réelle. Afin d'éliminer cette erreur, une méthode de contrôle des pulsations doit être ajoutée à la fin du contrôle en double boucle, cette méthode est un arrêt transitoire. Lorsque l'échantillonnage est arrêté, l'erreur d'échantillonnage dynamique peut être éliminée.
Contrôle de parfocalité
Dans le processus de compensation, en plus du traitement des images numériques, le circuit FPGA doit également fournir la valeur actuelle du dégradé de gris amélioré en fonction de la trame. Selon le signal de synchronisation de trame, la puce de contrôle principale enregistre simultanément la valeur de position du zoom correspondante et différentes valeurs de compensation avec la fréquence de trame. La structure des données adoptée est la suivante :
structure typedef
{U16 bianj_v[2]; //Valeur du zoom
U16 buchang_v[2][100]; // Correspondant à la valeur de compensation à la position du zoom, en utilisant des données en double colonne
U32 tidu_v[2][100]; //Valeur du dégradé de gris
}Valeur Jiaoyian ;
jiaoyianvalue xdata jydata ;//Sélectionnez 25 points de température dans la température de travail
Pour la valeur du dégradé de gris, deux colonnes de données sont également utilisées pour représenter respectivement la séquence positive (de la focale courte à la focale longue) et la séquence inverse (de la focale longue à la focale courte). Si la compensation échoue, la position de la valeur de compensation actuelle peut être déterminée en fonction de la valeur de dégradé de gris correspondante.
Correspondant à une image de l'image, pendant le processus de compensation, la valeur du dégradé de gris augmente de façon monotone, et lorsque la compensation s'arrête, la valeur du dégradé de gris est proche du dégradé de gris maximum, ce qui signifie que la compensation est normale.
Si la valeur du dégradé de gris ne change pas selon ce qui précède, le changement régulier indique que la cible n'est pas dans la plage d'imagerie de l'objectif (la cible est trop proche de l'objectif).
Dans ces conditions, si vous souhaitez une image claire, vous devez régler le moteur de compensation pour la compensation de position, et la position compensée n'est pas cohérente avec la position calibrée normale. À ce moment-là, si la position maximale monotone peut être trouvée dans la valeur de dégradé de gris correspondante, alors le moteur sera directement contrôlé pour aller à la position de valeur spécifiée dans un mode de contrôle à double boucle.
S'il n'y a pas de position maximale monotone dans la valeur du dégradé de gris, l'algorithme d'escalade peut être utilisé pour compléter la compensation parfocale ultérieure. La méthode de vérification basée sur le dégradé de gris de l'image peut être désactivée et le code de branche de cette pièce ne sera pas calculé une fois désactivée.
La parfocalité d'un objectif à zoom continu infrarouge à grand rapport de zoom se compose de trois parties, à savoir le réglage parfocal en ligne, la compensation parfocale rapide et la vérification parfocale. Lors de l'étalonnage parfocal, la température est l'élément central, assurez-vous donc que la valeur de la température est constante et que la méthode de collecte multipoint est adoptée pour réduire l'erreur de collecte de température.
La compensation de parfocalité est basée sur la méthode de définition de la position et la mise au point automatique est basée sur la méthode du dégradé de gris de l'image. Chacune des lentilles infrarouges à zoom continu à grand rapport de zoom est très proche du point focal. L'algorithme de mise au point automatique est adopté et le temps de mise au point est compris entre 1,2 et 2 s. Étant donné que la mise au point automatique présente un dépassement de commutation, le temps de commutation ne peut être évité. Par conséquent, le temps de mise au point automatique peut difficilement être inférieur à 1,2 s.
La compensation parfocale n'a pas d'ajustement de commutation. Pour la position proche du foyer, le temps de compensation est très court, essentiellement compris entre 0,3 et 0,7 s.
La précision de la compensation (la précision de la position d'étalonnage de la température atteint 98 %) est similaire à celle de l'autofocus. La compensation parfocale de température peut compenser efficacement et rapidement le flou de l'image provoqué par le traitement des pièces mécaniques, les erreurs de réglage de l'assemblage et les changements de température pendant le processus de zoom.
Lorsque la température ambiante est fondamentalement stable (35°C), testez l’expérience du temps de compensation à différentes positions de zoom. Puisque la valeur mesurée est liée à la position actuelle et à la position précédente, si la différence entre les deux positions est faible, le temps de compensation est plus court, et vice versa. Le temps de compensation est relativement long.
Il ressort des résultats des expériences ci-dessus que dans ce mode, la précision de compensation peut être contrôlée dans une plage de ±2 codes, ce qui est insignifiant pour la précision de la mise au point.
Tant que le point d'étalonnage répond aux exigences de précision, la compensation peut atteindre avec précision la parfocalité de la lentille dans différentes conditions de température. Le temps de compensation est réduit de 1,2 à 2 s pour la mise au point automatique à environ 0,575 s, ce qui peut répondre aux exigences de suivi de l'utilisateur.
L'étalonnage parfocal et la compensation parfocale peuvent garantir la parfocalité d'un objectif infrarouge à zoom continu avec un grand rapport de zoom à différentes températures, et garantir que l'objectif peut effectuer des opérations continues telles que le suivi et la recherche de la cible.
Cette technologie a été vérifiée sur de nombreux produits, présente une fiabilité élevée et présente de bonnes perspectives d'application dans les objectifs à zoom continu infrarouge à grand rapport de zoom. De plus, l'algorithme de travail coordonné du moteur de zoom et de compensation est toujours en cours d'amélioration.
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