開(kāi)題報(bào)告-網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)云臺(tái)高

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告題 目網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)云臺(tái)高精度控制算法與實(shí)現(xiàn)學(xué) 院通信工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)通信工程姓 名班 級(jí)學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義1、國(guó)內(nèi)云臺(tái)研究動(dòng)態(tài)：隨著社會(huì)的發(fā)展，視頻監(jiān)控行業(yè)在IT行業(yè)中逐漸占據(jù)一角，同樣作為視頻監(jiān)控中攝像機(jī)的一部分云臺(tái)，也扮演著重要的角色。云臺(tái)是一種主要由兩個(gè)高精度步進(jìn)電機(jī)組成的用于承載鏡頭的支架，其中一個(gè)步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)控制云臺(tái)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于控制云臺(tái)的垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使攝像機(jī)鏡頭能夠在水平360°范圍內(nèi)，垂直180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。帶云臺(tái)的攝像機(jī)已占據(jù)了視頻監(jiān)控行業(yè)的半壁江山，很多廠家都有專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)云

2、臺(tái)方面研究的團(tuán)隊(duì)。云臺(tái)質(zhì)量的好壞，主要在于預(yù)置位的精準(zhǔn)度，預(yù)置位即是預(yù)先設(shè)定好一個(gè)位置，當(dāng)需要攝像機(jī)鏡頭重新回到某個(gè)位置時(shí)候，只要調(diào)用預(yù)置位?；氐筋A(yù)置位的偏差越小，說(shuō)明云臺(tái)的精度越高，做的好的廠家像大華、?？档纫曨l監(jiān)控廠家云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)精度能達(dá)到0.2°以?xún)?nèi)，即設(shè)定一個(gè)預(yù)置的位置，云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到該位置的偏差不會(huì)超過(guò)0.2°。而精度差點(diǎn)的產(chǎn)品精度可能就大于這個(gè)值了，現(xiàn)在很多廠家都在致力于云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)精度問(wèn)題，主要是預(yù)置位的精度，以及如何自動(dòng)矯正預(yù)置位的偏差，目前大部分云臺(tái)都不帶轉(zhuǎn)動(dòng)偏差校正功能，而市場(chǎng)上有轉(zhuǎn)動(dòng)偏差校正的云臺(tái)雖然能在云臺(tái)出現(xiàn)較大偏差時(shí)候進(jìn)行校正，但是其每次轉(zhuǎn)動(dòng)的誤差會(huì)比沒(méi)有偏

3、差校正的云臺(tái)誤差大，因?yàn)樾Ｕ倪^(guò)程會(huì)引入偏差。因此，擁有轉(zhuǎn)動(dòng)偏差校正而且能夠?qū)⑿Ｕ`差減小的云臺(tái)是許多公司的追求。2、選題依據(jù)和意義：云臺(tái)在球型攝像機(jī)中扮演的角色非常重要。在一些大型場(chǎng)合，比如說(shuō)大型超市，一般都安裝球型攝像機(jī)，因?yàn)榍蛐蛿z像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，可以快速地轉(zhuǎn)動(dòng)到某個(gè)角度，也可以全場(chǎng)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)畫(huà)面中的某個(gè)區(qū)域有異常情況時(shí)候，操作人員可以手動(dòng)快速移動(dòng)到那個(gè)區(qū)域，再利用攝像機(jī)鏡頭變倍功能可進(jìn)一步查看異常區(qū)域。在一些大些場(chǎng)合，球型攝像機(jī)也可以設(shè)定幾個(gè)預(yù)置位，然后啟動(dòng)自動(dòng)巡航，每隔一段時(shí)間球型攝像機(jī)可以依據(jù)云臺(tái)自動(dòng)地切換另一個(gè)場(chǎng)景或畫(huà)面，使用非常靈活。然而在一些大型場(chǎng)合若使用不帶云臺(tái)的攝像機(jī)，比如

4、槍型攝像機(jī)，其只能查看一個(gè)場(chǎng)景，不能切換場(chǎng)景，使用上非常不靈活。若需要查看幾個(gè)場(chǎng)景的話(huà)，必須使用好幾臺(tái)槍型攝像機(jī)，大大的增加了成本及人力管理資源。由此可見(jiàn)云臺(tái)在視頻監(jiān)控行業(yè)里也是一個(gè)重要的模塊。我選擇的課題是“網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)云臺(tái)高精度控制算法與實(shí)現(xiàn)”。選擇該課題的目的是為了去研究如何通過(guò)軟件進(jìn)一步提高云臺(tái)預(yù)置位的精度?，F(xiàn)在大部分做視頻監(jiān)控的廠家云臺(tái)控制的電路雖然所使用的控制芯片有所差異，但是其電路基本原理基本上都是類(lèi)似的，但是有的廠家作出來(lái)的云臺(tái)精度能達(dá)到很高，而有些廠家云臺(tái)精度卻是另一個(gè)檔次，其中最重要的原因就是軟件上設(shè)計(jì)的不好，存在一些缺陷或者說(shuō)是存在一些轉(zhuǎn)動(dòng)誤差沒(méi)有克服。究其根本原因在于視頻

5、監(jiān)控行業(yè)起步比較晚，技術(shù)上發(fā)展水平趕不上國(guó)外的一些廠家，特別是軟件的算法和編碼。同樣，作為視頻監(jiān)控行業(yè)的一個(gè)模塊云臺(tái)控制目前在國(guó)內(nèi)沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的算法或者說(shuō)是軟件架構(gòu)，大部分廠家都是自主研發(fā)的，做的好的廠家軟件上的缺陷很少，而精度做的差點(diǎn)的廠家其軟件上沒(méi)能很好的克服轉(zhuǎn)動(dòng)誤差，導(dǎo)致預(yù)置位出現(xiàn)偏差。云臺(tái)這個(gè)模塊網(wǎng)上的資料也比較少，百度上最多告訴你云臺(tái)控制的大致原理，涉及到具體算法或者說(shuō)軟件架構(gòu)幾乎是一片空白。 選擇該課題的意義在于提高云臺(tái)預(yù)置位的精度?，F(xiàn)在百度一下就知道一般云臺(tái)的精度都在0.10.2度之間，而云臺(tái)精度在0.01度左右的幾乎沒(méi)有。雖然這個(gè)硬件有一定關(guān)系，但是若是能將云臺(tái)電機(jī)的最小微步數(shù)

6、減小到0.01度以下，那么只要軟件上算法沒(méi)有什么缺陷，有希望能將云臺(tái)的精度精確到0.01度左右。選擇本課題的目的是通過(guò)不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，通過(guò)軟件算法克服機(jī)械誤差，使云臺(tái)的精度提高到更好的水平。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題：云臺(tái)控制核心在于云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的精度，或者說(shuō)是到達(dá)某個(gè)預(yù)先設(shè)定好的位置的精度。因此研究的基本內(nèi)容是如何通過(guò)軟件算法克服云臺(tái)機(jī)械上的誤差，使云臺(tái)預(yù)置位的偏差在0.01°范圍左右。擬解決的問(wèn)題：1、控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)最小微步必須小于0.01°現(xiàn)在很多廠家生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)，即使是高精度的步進(jìn)電機(jī)，其精度也一般在0.9度/步左右，沒(méi)有最小步距角在0.01度

7、以下的。因此必須借助外圍電路，擬利用帶細(xì)分功能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和細(xì)分電機(jī)的每一步，這樣云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有抖動(dòng)現(xiàn)象，再利用軟件上的算法對(duì)高精度步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確微分，克服云臺(tái)機(jī)械上的偏差，使電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的最小步距角能小于0.01度。2、云臺(tái)安裝好后，設(shè)定好預(yù)置位后，球機(jī)能達(dá)到先前設(shè)定的預(yù)置位。云臺(tái)的最重要作用在于能夠準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)置位，而不是普通的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此要實(shí)現(xiàn)云臺(tái)能夠準(zhǔn)確地到達(dá)預(yù)置位，就必須借助傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里擬用光耦為云臺(tái)建立坐標(biāo)系，光耦觸發(fā)主控芯片外部中斷，一個(gè)光耦用于建立云臺(tái)水平坐標(biāo)原點(diǎn)，另一個(gè)電機(jī)用于云臺(tái)垂直方向建立坐標(biāo)系原點(diǎn)。然后在軟件上利用該原點(diǎn)進(jìn)行一系列的換算，依靠算法建立

8、云臺(tái)虛擬坐標(biāo)系，保證設(shè)定好的預(yù)置位后，云臺(tái)能夠準(zhǔn)確地到達(dá)該預(yù)置位。3、通信協(xié)議的制定要實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的高精度控制，必須要自定義一套通信協(xié)議，利用通信協(xié)議對(duì)云臺(tái)下發(fā)一系列命令，使云臺(tái)得到很好的控制，通信協(xié)議的定義必須考慮復(fù)雜度問(wèn)題，過(guò)于復(fù)雜的協(xié)議云臺(tái)會(huì)花費(fèi)較多時(shí)間解析協(xié)議，不利于云臺(tái)立即響應(yīng)收到的命令；而過(guò)于簡(jiǎn)單的話(huà)會(huì)給后期命令的增加造成困難，因此需要一套合適的協(xié)議，這里擬用少于13個(gè)字節(jié)組成的一組數(shù)據(jù)作為命令的一種格式，具體命令待詳細(xì)制定4、如何保證通信的可靠性除了擁有通信協(xié)議外，還有一個(gè)最重要的因素就是通信的可靠性，若云臺(tái)通信不可靠，則在通信過(guò)程中容易出現(xiàn)死機(jī)或者說(shuō)是下發(fā)的命令不再被執(zhí)行，這種情

9、況的出現(xiàn)是非常危險(xiǎn)的，像一些工作在監(jiān)獄里的帶云臺(tái)攝像機(jī)，若是不能轉(zhuǎn)動(dòng)了，產(chǎn)生后果將是十分嚴(yán)重的，所以通信的可靠性在設(shè)計(jì)時(shí)候必須考慮周全。通信過(guò)程中必須保證云臺(tái)時(shí)刻能夠接收上層下發(fā)的命令，并且及時(shí)響應(yīng)命令，對(duì)一些關(guān)鍵命令可以在算法上實(shí)現(xiàn)命令緩存，保證關(guān)鍵命令的有效執(zhí)行5、如何克服機(jī)械設(shè)計(jì)上的誤差總所周知，無(wú)論什么機(jī)械機(jī)構(gòu)，總是存在一定的機(jī)械誤差的，正如前人所說(shuō)的“世界上沒(méi)有兩樣完全相同的東西”，因此，在軟件上必須有克服一定機(jī)械因素導(dǎo)致偏差的能力。比如說(shuō)電機(jī)如何停止，假如在高速而且電機(jī)負(fù)載較大情況下，上面下發(fā)停止命令，算法上必須對(duì)電機(jī)做保護(hù)，讓電機(jī)先減速再停止，如果過(guò)分依賴(lài)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)停止的話(huà)會(huì)

10、對(duì)電機(jī)造成損害，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)偏差。6、如何測(cè)試云臺(tái)的偏差假如沒(méi)有一個(gè)很好的測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)偏差的方法，即使云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)存在偏差，我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)不了，因此必須找出一個(gè)很好的辦法能有效的檢查云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)存在的任何偏差。因?yàn)槟壳霸谝曨l監(jiān)控公司實(shí)習(xí)，所以擬用鏡頭作為測(cè)試偏差的工具。將鏡頭固定在云臺(tái)上，調(diào)到最大變倍，通過(guò)比較設(shè)定預(yù)置位時(shí)候的圖像和回到預(yù)置位后的圖像，來(lái)區(qū)別云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)或者預(yù)置位的偏差，若兩副圖像上的內(nèi)容偏差很大，說(shuō)明云臺(tái)預(yù)置位偏差較大，若兩副圖像肉眼看不出任何偏差，則說(shuō)明云臺(tái)精度很高。三、研究步驟、方法及措施：云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)高精度實(shí)現(xiàn)涉及到軟件模塊和硬件模塊，軟件模塊主要包括通信模塊、電機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊兩大模塊，硬件

11、上包括電機(jī)模塊、驅(qū)動(dòng)微分模塊、傳感器模塊、主控模塊。通信模塊主要包含通信協(xié)議制定、命令接收和發(fā)送接口、通信可靠性設(shè)計(jì)。電機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊包括電機(jī)細(xì)分算法和運(yùn)動(dòng)控制算法。電機(jī)模塊主要由控制水平方向的電機(jī)和控制垂直方向的電機(jī)組成。驅(qū)動(dòng)細(xì)分模塊包含細(xì)分芯片和DA芯片。傳感器模塊主要是光耦。主控模塊是以單片機(jī)LPC17XX系列中的一款芯片作為主控主要研究步驟和方法如下： 1、學(xué)習(xí)基于Cortex-M3內(nèi)核的LPC17系列單片機(jī)英文手冊(cè)LPC17XX.PDF，結(jié)合實(shí)際開(kāi)發(fā)板，熟練掌握LPC17XX系列單片機(jī)的定時(shí)器模塊，外部中斷模塊，GPIO模塊，I2C通信模塊，UART串口通信模塊，SPI通信模塊的使用2、

12、學(xué)習(xí)DA芯片的英文PDF手冊(cè)，熟悉DA芯片的功能，主要掌握DA芯片的時(shí)序電路，能利用單片機(jī)編寫(xiě)時(shí)序電路，從而熟練運(yùn)用DA芯片。3、學(xué)習(xí)光耦的工作原理，掌握光耦觸發(fā)單片機(jī)中斷的原理4、學(xué)習(xí)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分芯片的英文PDF手冊(cè)，掌握電機(jī)細(xì)分芯片的功能及其使用方法，主要掌握步進(jìn)電機(jī)細(xì)分芯片的時(shí)序電路及其使用5、學(xué)習(xí)步進(jìn)的電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握電機(jī)相位方面知識(shí)和電機(jī)能夠被細(xì)分的原理，了解電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)候相關(guān)注意事項(xiàng)主要實(shí)現(xiàn)措施：這里云臺(tái)以基于Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)LPC1754為主控芯片，LPC1754上擁有的資源較多，這里主要利用其定時(shí)器模塊、通信模塊、外部中斷模塊、GPIO模塊。 1、定時(shí)器模塊：利

13、用定時(shí)器0和定時(shí)器1來(lái)分別負(fù)責(zé)控制電機(jī)1和電機(jī)2，即電機(jī)運(yùn)動(dòng)程序都在定時(shí)器中斷程序里運(yùn)行，保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)候不受其他因素干擾。定時(shí)器2和定時(shí)器3分別負(fù)責(zé)控制電機(jī)1和電機(jī)2的加速或者減速，保證電機(jī)在負(fù)載情況下能夠正常啟動(dòng)和停止，不產(chǎn)生失步現(xiàn)象 2、通信模塊：兼容UART串口通信和 I2C通信，利用UART或者I2C通信對(duì)單片機(jī)下發(fā)命令，或者單片機(jī)向其他設(shè)備反饋信息。利用SPI接口與一塊DA芯片通信，對(duì)DA芯片下發(fā)命令，產(chǎn)生模擬電壓3、外部中斷模塊：該中斷由光耦產(chǎn)生，在產(chǎn)生中斷的時(shí)候即將此時(shí)的位置信息作為坐標(biāo)原點(diǎn)，可以利用算法建立坐標(biāo)系4、GPIO模塊：該模塊主要與電機(jī)細(xì)分芯片相連接，軟件上通過(guò)控制

14、GPIO口的高低狀態(tài)配合DA芯片來(lái)控制電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，圖1如下。 圖1 軟件框架四、研究工作進(jìn)度：序號(hào)時(shí)間內(nèi)容12012/09/16至2012/09/22了解單片機(jī)原理及相應(yīng)功能22012/09/23至2012/09/29實(shí)踐并掌握LPC1754單片機(jī)各個(gè)功能，比如GPIO端口 定時(shí)器，外部中斷，I2C, SPI, UART的使用32012/09/30至2012/10/06閱讀英文手冊(cè)，學(xué)習(xí)并掌握DA芯片的使用42012/10/07至2012/10/13學(xué)習(xí)并掌握步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)52012/10/14至2012/10/20學(xué)習(xí)并掌握細(xì)分芯片的使用62012/10/21至2012/10/27學(xué)習(xí)并

15、掌握光耦、齒輪和履帶的使用72012/10/28至2012/11/02自定義電機(jī)控制相關(guān)通信協(xié)議82012/11/03至2012/11/09結(jié)合前面所學(xué)模塊知識(shí)和通信協(xié)議調(diào)試云臺(tái)控制92012/11/10至2012/11/16增加預(yù)置位存儲(chǔ)和讀取功能，測(cè)試云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，優(yōu)化代碼102012/11/17至2012/12/27畢業(yè)論文書(shū)寫(xiě)112012/12/28至2012/1/10整理代碼及相關(guān)文檔五、主要參考文獻(xiàn)：1 朱正偉. 數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)M. 清華大學(xué)出版社. 2011.2 王德安.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制J.自動(dòng)化與儀表,2005,20(3).3 譚浩強(qiáng). C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)第二版 M. 清華大學(xué)出版社. 2009.4 章堅(jiān)武. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)M. 西安電子科技大學(xué)出版社. 2009.5 周黎.步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)建模及運(yùn)行曲線仿真J.電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2011,15(1).6 周興華. 手把手教你51單片機(jī)程序設(shè)計(jì)M. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2007.7 鮑蘇蘇.多步進(jìn)電機(jī)控制算法研究J.東華大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29(5).8 Joseph Yiu. ARM cortex-M3 權(quán)威指南M. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2009.9 TI. DRV8812M. Texas Instruments Inco