[发明专利]基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统与方法

权利要求书

1.基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，其特征在于：所述控制方法采用基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制系统，

所述控制系统包括控制处理器(14)和与之相连的摄像设备(13)、光机电装置，还包括位于摄像设备输入光路上的双棱镜系统；所述双棱镜系统内的棱镜可由光机电装置驱动旋转；所述控制处理器经摄像设备采集目标物(15)的图像，并计算出目标物中心点在摄像设备成像传感器中所成像的中心点像素坐标(p_h,p_v)，根据给定的摄像设备视场中心点像素坐标(H,V)，将中心点像素坐标(p_h,p_v)和视场中心点像素坐标(H,V)取差得到像素误差(Δp'_h,Δp'_v)；控制处理器根据像素误差(Δp'_h,Δp'_v)控制光机电装置旋转棱镜，调整双棱镜系统的视轴使之指向目标物中心；

所述双棱镜系统包括楔角相同的第一棱镜(1)、第二棱镜(2)；当双棱镜系统的视轴使之指向目标物中心时，目标物中心点在摄像设备视场中心点处成像；

所述光机电装置的第一电机(7)驱动第一棱镜旋转，光机电装置的第二电机(8)驱动第二棱镜旋转；

所述控制处理器经第一编码器(11)测量第一电机的转子角度，经第一驱动器(9)、控制第一电机，控制处理器经第二编码器(12)测量第二电机的转子角度，经第二驱动器(10)控制第二电机；

控制方法包括以下步骤；

步骤S1：控制处理器接收摄像设备视场中心点像素坐标(H,V)；

步骤S2：根据采集到的图像数据，依据hough变换的中心提取算法求出目标物中心部位在摄像头传感器中所成像的中心点像素坐标(p_h,p_v)；

步骤S3：依据步骤S1和步骤S2求得的视场中心点像素坐标(H,V)和目标中心点像素坐标(p_h,p_v)，将其作差取绝对值得到像素误差(Δp'_h,Δp'_v)；

Δp'_h＝|p_h-H|，Δp'_v＝|p_v-V| (公式1)

其中Δp'_h和Δp'_v分别代表水平和垂直像素误差；

步骤S4：对比分析步骤S3中的水平及垂直像素误差Δp'_h和Δp'_v的变化来控制输出脉冲和旋转方向驱动步进电机；当棱镜转动时偏转视轴，目标视场随之改变，像素误差Δp'_h和Δp'_v也会更新，通过对比相邻两帧图像中像素误差的大小来改变电机的旋转方向，从而使双棱镜系统的视轴指向目标中心；

步骤S5：根据步骤S4中的视轴俯仰角和方位角与两棱镜之间的转角的关系，并依据步骤S3中的像素误差作为Δp'_h和Δp'_v反馈信号，调整第一电机和第二电机的旋转动作以调整双棱镜系统的视轴俯仰角和调整视轴方位角γ；本步骤的棱镜初始位置定义棱镜薄端正朝上为零位，初始位置两棱镜相对转角为0，即δ₀为0；

步骤S6：如目标检测失误或指向跟踪过程中目标物跳出当前视场，则将两棱镜位置归零，然后保持第一棱镜不动，旋转第二棱镜改变两棱镜的夹角至180°，然后同步旋转第一棱镜和第二棱镜进行圆周扫描；之后依次改变夹角扩大扫描范围以寻找目标物，并检测到目标物后转到步骤S2；

在步骤S2中，具体计算过程如下：

步骤A1、先对图像进行预处理，将获取的RGB图像格式转换成Ycbcr格式，以便后续根据图像亮度信息Y进行二值化；

步骤A2、运用多阈值分割算法，选取合适的阈值将目标从图像中分割出来，分割之后采用sobel算子进行边缘检测，获取目标图像边缘信息；

步骤A3、运用hough变换，计算出目标圆心的坐标；具体计算方法如下：

先为中心点像素坐标(p_h,p_v)建立一个离散参数空间，再建立一个二维的累加器A[p_h][p_v]，然后对参数空间里的每一个(p_h,p_v)，都考虑目标图像中每一个边缘像素点(x，y)，并带入圆方程，若满足(x-p_h)²+(y-p_v)²-r²＜W成立，则相应的累加器加1；最后找出A[p_h][p_v]的最大值，对应的(p_h,p_v)就是目标圆心坐标；在步骤S4中，垂直像素误差和水平像素误差对应着视轴径向和圆方向上的扫描，即视轴的俯仰角和方位角变化，确定视轴扫描的俯仰角和方位角的具体计算过程如下：

设目标中心点发出的光在摄像头传感器上所成像点的坐标(p_h,p_v)，且光路是可逆的，则由摄像设备出射的视轴α₁经过两个棱镜四个棱镜面之后的出射视轴α_f会指向目标中心点；计算公式如下：

α_f＝T_ri·α₁，i＝1,2,3,4 (公式2)

其中T_ri为棱镜面的折射过程；

将出射矢量写成余弦形式：α_f＝(S_K,S_L,S_M)

其中S_K,S_L,S_M为矢量α_f的方向余弦；

定义两个参数ξ和δ₀；

其中ω₁和δ₀₁、ω₂和δ₀₂分别对应第一棱镜、第二棱镜的旋转角速度和初始位置角；本系统采用的两棱镜材质规格相同，设ω₁＝ω₂＝ω，系统离目标面距离为z_pf；

则视轴在目标平面上的扫描轨迹为

视轴的俯仰角

视轴的方位角γ

其中f₁，f₂，f₃是S_K,S_L,S_M的系数，当棱镜的结构参数确定时，f₁，f₂，f₃为定值，所以视轴的方位和俯仰角是关于δ₀的函数；

由公式4可知视轴的俯仰角只与两棱镜之间的相对转角δ₀有关，当δ₀确定时，视轴的方位角就是时间t的函数，视轴在平面上做圆周扫描；

在步骤S5中，在调整双棱镜系统的视轴俯仰角时，采用以下方法：

根据步骤S4中，视轴的俯仰角只与两棱镜之间的相对转角δ₀；定义顺时针为正转；

步骤B1：计算第一帧图像中的垂直像素误差Δp'_v，控制处理器给出指令让第一电机正转，第二电机反转；

步骤B2：计算第二帧图像中的Δp'_v值，并判断第一步和第二步中两帧图像中的Δp'_v是否减小；如减小则保持第一步中两电机的旋转方向，反之，如没减小，则第一电机反转，第二电机正转；

步骤B3：判断第三帧图像中的Δp'_v值是否达到设定精度，达到精度则进行步骤B2中的流程；如没达到则重复步骤B1中的过程；

在步骤S5中，在调整视轴的方位角γ时，采用以下方法：

步骤C1：基于上述步骤B1中，视轴在垂直方向到达设定精度之后，在两棱镜之间的相对转角δ₀保持不变的情况下，控制处理器给出指令让第一电机和第二电机同时正转，同时比较目标图像相邻两帧的水平像素误差Δp'_h，如减小，则保持两电机的旋转方向，反之，则将两电机的旋转方向反转；

步骤C2：判断Δp'_h是否达到设定的精度值，达到精度则转到下一步步骤C3，反之，则重复本步骤C2中的步骤；

步骤C3：定义双棱镜指向控制系统精度Δp，经过上述步骤C1和步骤C2之后，控制系统结束时视场中心与目标中心像素点之间的距离为若Δp'＜Δp；说明到达目标指向精度，视场凝视预设时长后，电机归零位；反之，若没有到达设定精度，则从步骤C1过程重复开始；

在步骤S1至步骤S5中，控制处理器控制第一电机和第二电机的旋转动作，第一电机和第二电机分别带动对应的减速齿轮组运动，齿轮组又带动第一棱镜和第二棱镜旋转，偏转双棱镜系统视轴使其指向目标中心，使目标成像在摄像设备成像画面的中心；

在步骤S6中，棱镜和电机存在减速器，为了缩短电机运行时间，采用梯形加减速算法；具体过程如下：

步骤D1：初始化参数，加速度a₁、减速度d₁、最大速度speed以及总行程l，总行程即电机需转动的角度；

步骤D2：根据步骤D1中的参数求取加速到最大速度所需步数a1和减速前的步数a3；如果a1a3，则减速到0所需的步数a2＝-a1*(a₁/d₁)，反之，则a2＝-(l-a3)；

步骤D3：确定相邻脉冲的时间间隔，计算精确的计数值c_n，并执行程序；

步骤D4：在第二电机旋转到指定位置之后，两电机同步旋转带动双棱镜系统扫描，并检测目标图像，如检测到目标，则跳转步骤S2，反之，则电机归零，跳转到步骤D1，重新初始化参数，确定两棱镜的夹角。

2.根据权利要求1所述的基于像素误差反馈的旋转双棱镜指向控制方法，其特征在于：所述第一编码器、第二编码器均为光电式编码器；所述摄像设备为采用单芯片COMS传感器的摄像头；

所述光机电装置的第一电机(7)经第一联轴器(5)、第一减速齿轮组(3)驱动第一棱镜旋转，光机电装置的第二电机(8)经第二联轴器(6)、第二减速齿轮组(4)驱动第二棱镜旋转。