開題報告-網(wǎng)絡(luò)攝像機云臺高

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目網(wǎng)絡(luò)攝像機云臺高精度控制算法與實現(xiàn)學(xué) 院通信工程學(xué)院專 業(yè)通信工程姓 名班 級學(xué) 號指導(dǎo)教師一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義1、國內(nèi)云臺研究動態(tài)：隨著社會的發(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)控中攝像機的一部分云臺，也扮演著重要的角色。云臺是一種主要由兩個高精度步進電機組成的用于承載鏡頭的支架，其中一個步進電機負責(zé)控制云臺水平轉(zhuǎn)動，另一個步進電機用于控制云臺的垂直方向轉(zhuǎn)動，從而使攝像機鏡頭能夠在水平360°范圍內(nèi)，垂直180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。帶云臺的攝像機已占據(jù)了視頻監(jiān)控行業(yè)的半壁江山，很多廠家都有專門負責(zé)云

2、臺方面研究的團隊。云臺質(zhì)量的好壞，主要在于預(yù)置位的精準度，預(yù)置位即是預(yù)先設(shè)定好一個位置，當需要攝像機鏡頭重新回到某個位置時候，只要調(diào)用預(yù)置位?；氐筋A(yù)置位的偏差越小，說明云臺的精度越高，做的好的廠家像大華、海康等視頻監(jiān)控廠家云臺轉(zhuǎn)動精度能達到0.2°以內(nèi)，即設(shè)定一個預(yù)置的位置，云臺轉(zhuǎn)動到該位置的偏差不會超過0.2°。而精度差點的產(chǎn)品精度可能就大于這個值了，現(xiàn)在很多廠家都在致力于云臺轉(zhuǎn)動精度問題，主要是預(yù)置位的精度，以及如何自動矯正預(yù)置位的偏差，目前大部分云臺都不帶轉(zhuǎn)動偏差校正功能，而市場上有轉(zhuǎn)動偏差校正的云臺雖然能在云臺出現(xiàn)較大偏差時候進行校正，但是其每次轉(zhuǎn)動的誤差會比沒有偏

3、差校正的云臺誤差大，因為校正的過程會引入偏差。因此，擁有轉(zhuǎn)動偏差校正而且能夠?qū)⑿Ｕ`差減小的云臺是許多公司的追求。2、選題依據(jù)和意義：云臺在球型攝像機中扮演的角色非常重要。在一些大型場合，比如說大型超市，一般都安裝球型攝像機，因為球型攝像機轉(zhuǎn)動靈活，可以快速地轉(zhuǎn)動到某個角度，也可以全場監(jiān)控，當發(fā)現(xiàn)畫面中的某個區(qū)域有異常情況時候，操作人員可以手動快速移動到那個區(qū)域，再利用攝像機鏡頭變倍功能可進一步查看異常區(qū)域。在一些大些場合，球型攝像機也可以設(shè)定幾個預(yù)置位，然后啟動自動巡航，每隔一段時間球型攝像機可以依據(jù)云臺自動地切換另一個場景或畫面，使用非常靈活。然而在一些大型場合若使用不帶云臺的攝像機，比如

4、槍型攝像機，其只能查看一個場景，不能切換場景，使用上非常不靈活。若需要查看幾個場景的話，必須使用好幾臺槍型攝像機，大大的增加了成本及人力管理資源。由此可見云臺在視頻監(jiān)控行業(yè)里也是一個重要的模塊。我選擇的課題是“網(wǎng)絡(luò)攝像機云臺高精度控制算法與實現(xiàn)”。選擇該課題的目的是為了去研究如何通過軟件進一步提高云臺預(yù)置位的精度。現(xiàn)在大部分做視頻監(jiān)控的廠家云臺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似的，但是有的廠家作出來的云臺精度能達到很高，而有些廠家云臺精度卻是另一個檔次，其中最重要的原因就是軟件上設(shè)計的不好，存在一些缺陷或者說是存在一些轉(zhuǎn)動誤差沒有克服。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)的一個模塊云臺控制目前在國內(nèi)沒有一個標準的算法或者說是軟件架構(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，而精度做的差點的廠家其軟件上沒能很好的克服轉(zhuǎn)動誤差，導(dǎo)致預(yù)置位出現(xiàn)偏差。云臺這個模塊網(wǎng)上的資料也比較少，百度上最多告訴你云臺控制的大致原理，涉及到具體算法或者說軟件架構(gòu)幾乎是一片空白。 選擇該課題的意義在于提高云臺預(yù)置位的精度?，F(xiàn)在百度一下就知道一般云臺的精度都在0.10.2度之間，而云臺精度在0.01度左右的幾乎沒有。雖然這個硬件有一定關(guān)系，但是若是能將云臺電機的最小微步數(shù)

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

7、以下的。因此必須借助外圍電路，擬利用帶細分功能的電機驅(qū)動芯片來實現(xiàn)驅(qū)動和細分電機的每一步，這樣云臺轉(zhuǎn)動過程中沒有抖動現(xiàn)象，再利用軟件上的算法對高精度步進電機實現(xiàn)精確微分，克服云臺機械上的偏差，使電機的轉(zhuǎn)動的最小步距角能小于0.01度。2、云臺安裝好后，設(shè)定好預(yù)置位后，球機能達到先前設(shè)定的預(yù)置位。云臺的最重要作用在于能夠準確地到達預(yù)置位，而不是普通的轉(zhuǎn)動。因此要實現(xiàn)云臺能夠準確地到達預(yù)置位，就必須借助傳感器來實現(xiàn)。這里擬用光耦為云臺建立坐標系，光耦觸發(fā)主控芯片外部中斷，一個光耦用于建立云臺水平坐標原點，另一個電機用于云臺垂直方向建立坐標系原點。然后在軟件上利用該原點進行一系列的換算，依靠算法建立

8、云臺虛擬坐標系，保證設(shè)定好的預(yù)置位后，云臺能夠準確地到達該預(yù)置位。3、通信協(xié)議的制定要實現(xiàn)對云臺的高精度控制，必須要自定義一套通信協(xié)議，利用通信協(xié)議對云臺下發(fā)一系列命令，使云臺得到很好的控制，通信協(xié)議的定義必須考慮復(fù)雜度問題，過于復(fù)雜的協(xié)議云臺會花費較多時間解析協(xié)議，不利于云臺立即響應(yīng)收到的命令；而過于簡單的話會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，還有一個最重要的因素就是通信的可靠性，若云臺通信不可靠，則在通信過程中容易出現(xiàn)死機或者說是下發(fā)的命令不再被執(zhí)行，這種情

9、況的出現(xiàn)是非常危險的，像一些工作在監(jiān)獄里的帶云臺攝像機，若是不能轉(zhuǎn)動了，產(chǎn)生后果將是十分嚴重的，所以通信的可靠性在設(shè)計時候必須考慮周全。通信過程中必須保證云臺時刻能夠接收上層下發(fā)的命令，并且及時響應(yīng)命令，對一些關(guān)鍵命令可以在算法上實現(xiàn)命令緩存，保證關(guān)鍵命令的有效執(zhí)行5、如何克服機械設(shè)計上的誤差總所周知，無論什么機械機構(gòu)，總是存在一定的機械誤差的，正如前人所說的“世界上沒有兩樣完全相同的東西”，因此，在軟件上必須有克服一定機械因素導(dǎo)致偏差的能力。比如說電機如何停止，假如在高速而且電機負載較大情況下，上面下發(fā)停止命令，算法上必須對電機做保護，讓電機先減速再停止，如果過分依賴電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)來停止的話會

10、對電機造成損害，同時也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動偏差。6、如何測試云臺的偏差假如沒有一個很好的測量轉(zhuǎn)動偏差的方法，即使云臺轉(zhuǎn)動存在偏差，我們也會發(fā)現(xiàn)不了，因此必須找出一個很好的辦法能有效的檢查云臺轉(zhuǎn)動存在的任何偏差。因為目前在視頻監(jiān)控公司實習(xí)，所以擬用鏡頭作為測試偏差的工具。將鏡頭固定在云臺上，調(diào)到最大變倍，通過比較設(shè)定預(yù)置位時候的圖像和回到預(yù)置位后的圖像，來區(qū)別云臺轉(zhuǎn)動或者預(yù)置位的偏差，若兩副圖像上的內(nèi)容偏差很大，說明云臺預(yù)置位偏差較大，若兩副圖像肉眼看不出任何偏差，則說明云臺精度很高。三、研究步驟、方法及措施：云臺轉(zhuǎn)動高精度實現(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、電機運動模塊兩大模塊，硬件

11、上包括電機模塊、驅(qū)動微分模塊、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。電機運動模塊包括電機細分算法和運動控制算法。電機模塊主要由控制水平方向的電機和控制垂直方向的電機組成。驅(qū)動細分模塊包含細分芯片和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系列單片機英文手冊LPC17XX.PDF，結(jié)合實際開發(fā)板，熟練掌握LPC17XX系列單片機的定時器模塊，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，熟悉DA芯片的功能，主要掌握DA芯片的時序電路，能利用單片機編寫時序電路，從而熟練運用DA芯片。3、學(xué)習(xí)光耦的工作原理，掌握光耦觸發(fā)單片機中斷的原理4、學(xué)習(xí)步進電機細分芯片的英文PDF手冊，掌握電機細分芯片的功能及其使用方法，主要掌握步進電機細分芯片的時序電路及其使用5、學(xué)習(xí)步進的電機的基礎(chǔ)知識，掌握電機相位方面知識和電機能夠被細分的原理，了解電機運動時候相關(guān)注意事項主要實現(xiàn)措施：這里云臺以基于Cortex-M3內(nèi)核的單片機LPC1754為主控芯片，LPC1754上擁有的資源較多，這里主要利用其定時器模塊、通信模塊、外部中斷模塊、GPIO模塊。 1、定時器模塊：利

13、用定時器0和定時器1來分別負責(zé)控制電機1和電機2，即電機運動程序都在定時器中斷程序里運行，保證電機運動時候不受其他因素干擾。定時器2和定時器3分別負責(zé)控制電機1和電機2的加速或者減速，保證電機在負載情況下能夠正常啟動和停止，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通信對單片機下發(fā)命令，或者單片機向其他設(shè)備反饋信息。利用SPI接口與一塊DA芯片通信，對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)生中斷的時候即將此時的位置信息作為坐標原點，可以利用算法建立坐標系4、GPIO模塊：該模塊主要與電機細分芯片相連接，軟件上通過控制

14、GPIO口的高低狀態(tài)配合DA芯片來控制電機的平穩(wěn)運動，圖1如下。 圖1 軟件框架四、研究工作進度：序號時間內(nèi)容12012/09/16至2012/09/22了解單片機原理及相應(yīng)功能22012/09/23至2012/09/29實踐并掌握LPC1754單片機各個功能，比如GPIO端口 定時器，外部中斷，I2C, SPI, UART的使用32012/09/30至2012/10/06閱讀英文手冊，學(xué)習(xí)并掌握DA芯片的使用42012/10/07至2012/10/13學(xué)習(xí)并掌握步進電機的驅(qū)動52012/10/14至2012/10/20學(xué)習(xí)并掌握細分芯片的使用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)模塊知識和通信協(xié)議調(diào)試云臺控制92012/11/10至2012/11/16增加預(yù)置位存儲和讀取功能，測試云臺轉(zhuǎn)動情況，優(yōu)化代碼102012/11/17至2012/12/27畢業(yè)論文書寫112012/12/28至2012/1/10整理代碼及相關(guān)文檔五、主要參考文獻：1 朱正偉. 數(shù)字電路邏輯設(shè)計M. 清華大學(xué)出版社. 2011.2 王德安.基于單片機的步進電機控制J.自動化與儀表,2005,20(3).3 譚浩強. C語言程序設(shè)計第二版 M. 清華大學(xué)出版社. 2009.4 章堅武. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)M. 西安電子科技大學(xué)出版社. 2009.5 周黎.步進電機控制系統(tǒng)建模及運行曲線仿真J.電機與控制學(xué)報,2011,15(1).6 周興華. 手把手教你51單片機程序設(shè)計M. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2007.7 鮑蘇蘇.多步進電機控制算法研究J.東華大學(xué)學(xué)報,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