鄧炯 覃筱燕 蘇秋仁 李麗萍 衛(wèi)樹花

摘? 要：由于目標(biāo)追蹤系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)追蹤中心與目標(biāo)的偏移增大問題，導(dǎo)致追蹤誤差高，因此，設(shè)計(jì)一種采用探測(cè)器作為目標(biāo)標(biāo)志的激光目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。利用探測(cè)器采集追蹤激光信號(hào)，并傳遞給STM32。STM32對(duì)信號(hào)運(yùn)算處理，伺服電機(jī)調(diào)整追蹤激光器角度。結(jié)合光斑中心定位程序算法設(shè)計(jì)，完成對(duì)目標(biāo)的跟蹤。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的X軸和Y軸偏移量都低于現(xiàn)有系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)系統(tǒng)的偏移量只由相對(duì)速度決定，與速度無關(guān)，證明了設(shè)計(jì)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下運(yùn)行的可行性。

關(guān)鍵詞：追蹤激光器；四象限探測(cè)器；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；微處理器

中圖分類號(hào)：TN247? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）18-0069-04

Design of Laser Target Tracking System Based on STM32

DENG Jiong1，2， QIN Xiaoyan1，2， SU Qiuren1，2， LI Liping1，2， WEI Shuhua1，2

（1.Guangxi University Xingjian College of Science and Liberal Arts， Nanning? 530005， China;

2.Guangxi Vocational University of Agriculture， Nanning? 530009， China）

Abstract： Due to the problem of increasing offset between the tracking center and the target during the motion process of the target tracking system， which leads to high tracking error， a laser target tracking system using a detector as the target marker is designed. The detector is used to collect the tracking laser signal and transmit it to STM32. STM32 performs signal processing and servo motor adjusts the angle of the tracking laser. Combined with the design of program algorithm for locating the spot center， the tracking of the target is completed. The experiment shows that the X-axis and Y-axis offset of the designed system are lower than those of the existing system， and the offset of the designed system is only determined by the relative velocity， regardless of the speed， demonstrating the feasibility of the designed system under the motion platform.

Keywords： tracking laser; four-quadrant detector; motion platform; microprocessor

0? 引? 言

目標(biāo)追蹤技術(shù)是指通過對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的位置、速度、方向等信息進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤和預(yù)測(cè)的一種技術(shù)[1]。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等諸多領(lǐng)域的不斷發(fā)展，目標(biāo)追蹤技術(shù)的精度、可靠性也不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域越來越擴(kuò)大。例如在安防領(lǐng)域，利用目標(biāo)追蹤系統(tǒng)對(duì)公共場(chǎng)所、重要設(shè)施、住宅區(qū)等場(chǎng)所的人員、車輛等物體進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，可以有效保障社會(huì)安全[2]。但在目標(biāo)追蹤技術(shù)快速發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的穩(wěn)定追蹤性能提出了更高要求[3]。如何克服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中造成的追蹤中心與目標(biāo)的偏移、誤差增大問題，是研制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下的目標(biāo)追蹤系統(tǒng)的目的。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下目標(biāo)追蹤系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究。目前已取得的研究成果主要集中在提高目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤算法的精度、使用精密傳感器技術(shù)提高目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤的準(zhǔn)確性等方面。國(guó)外有學(xué)者提出了一種基于毫米波雷達(dá)與攝像頭融合的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)目標(biāo)追蹤系統(tǒng)，采用PDA算法對(duì)多傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，借以克服跟蹤誤差，但追蹤點(diǎn)與目標(biāo)中心偏移波動(dòng)較大。國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出一種基于GPS的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)目標(biāo)追蹤系統(tǒng)，采用EKF濾波算法，可有效降低粗差觀測(cè)值帶來的誤差，但是由于GPS信號(hào)的延遲，導(dǎo)致及時(shí)性不高。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)一種采用四象限探測(cè)器作為目標(biāo)標(biāo)志的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)激光目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，并對(duì)其深入研究。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)追蹤系統(tǒng)和被追蹤電路兩部分構(gòu)成。其中運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)由無線接收模塊、單片機(jī)、無刷步進(jìn)電機(jī)、激光發(fā)射器構(gòu)成[4]。被追蹤電路由四象限光電探測(cè)器、前端調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、無線發(fā)射模塊構(gòu)成[5]。其工作原理是：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)追蹤系統(tǒng)發(fā)射的激光信號(hào)照射到作為目標(biāo)標(biāo)志的四象限光電探測(cè)器時(shí)，四象限光電探測(cè)器把激光光斑信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過前端調(diào)理電路的低通濾波和放大，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，最后通過無線發(fā)射模塊把信號(hào)發(fā)射出去。無線接收模塊接收到探測(cè)器信號(hào)后傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)通過預(yù)制的算法程序進(jìn)行運(yùn)算，得到相應(yīng)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。依據(jù)該數(shù)據(jù)，電機(jī)帶動(dòng)固定在電機(jī)上的激光發(fā)射器旋轉(zhuǎn)到精準(zhǔn)的追蹤角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝有被追蹤電路的目標(biāo)的追蹤。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1? 追蹤目標(biāo)信號(hào)處理系統(tǒng)

激光光斑探測(cè)器可選擇PSD、CCD、四象限光電探測(cè)器等[6]，其中四象限光電探測(cè)器具有探測(cè)精度高、響應(yīng)快速、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)選用日本濱松S5981四象限光電探測(cè)器，有效面積為10 mm×10 mm，光譜識(shí)別區(qū)間320～1 100 nm，峰值靈敏度為960 nm，光敏度為0.72 A/W，暗電流最大值為4 000 pA。

前端放大電路選擇AD623，用于放大四象限光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào)，它具有低失調(diào)電壓、低偏置電流和高共模抑制比的特性，可保證系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性。AD623工作電壓為±2.25～±18 V，典型工作電流為800 ?A。四象限探測(cè)器的單個(gè)光電二極管的輸出采用差分信號(hào)的模式輸入放大電路的IN+口和IN-口，在前端通過由C1、C2、C3、R3、R4構(gòu)成低通濾波器輸入到AD623，然后由OUT口輸出放大信號(hào)。設(shè)計(jì)采用AD623單電源工作方式，電壓為10 V，設(shè)計(jì)輸入輸出增益倍數(shù)為100。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的芯片選擇ADS131A04同步采樣24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADS131A04輸入端為四通道，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)128 kSPS，有效分辨率達(dá)到8 kSPS，單電源供電3.3～5.5 V，采用SPI數(shù)據(jù)接口。前端放大電路輸出的四路放大信號(hào)差分輸入到ADS131A04的四路AIN口，使用晶振頻率16 MHz，采樣頻率16 K。其設(shè)計(jì)外圍電路如圖3所示。

2.2? 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)追蹤系統(tǒng)

2.2.1? 無線收發(fā)模塊

設(shè)計(jì)采用NRF24L無線收發(fā)模塊。接收模塊在收到數(shù)據(jù)后，無須編程即可發(fā)送應(yīng)答信號(hào)?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和重發(fā)功能，具備較高可靠性[7]。NRF24L技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.2.2? 微處理器

微處理器采用意法半導(dǎo)體的STM32F407IGT6，其內(nèi)核為32位ARM Cortex-M4。為了保證穩(wěn)定性，沒有使用內(nèi)部時(shí)鐘，而是采用8 MHz的晶振提供外部時(shí)鐘頻率。電源采用LD1117芯片提供3.3 V工作電壓，該芯片具備非常優(yōu)良的負(fù)載適應(yīng)性，輸出電壓可控制在1%的極低范圍內(nèi)[8]。

2.2.3? 追蹤激光器

為保證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的探測(cè)效果，采用808 nm的大功率高能半導(dǎo)體激光頭加強(qiáng)光信號(hào)，出射的激光穿過設(shè)置在激光頭前的可調(diào)光闌，調(diào)整光闌可改變照射到四象限光電探測(cè)器上的激光光斑大小，避光斑過大、超出探測(cè)器的探測(cè)面積。

2.2.4? 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

電機(jī)采用松下DSMFA6低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量伺服電機(jī)，額定輸出功率50～100 W，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定電壓200 V。電機(jī)通過A6SE伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接到STM32F407IGT6，實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)電機(jī)的控制。通過水平軸電機(jī)和垂直軸電機(jī)兩個(gè)電機(jī)，進(jìn)一步帶動(dòng)固定在電機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)上的激光器在兩個(gè)自由度上進(jìn)行跟蹤運(yùn)動(dòng)。

2.3? 光斑中心坐標(biāo)算法

單片機(jī)是通過獲得光斑中心的坐標(biāo)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)自動(dòng)跟蹤的，所以如何獲得光斑中心偏移初始位置的偏移量Δx和Δy是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

激光光斑照射到四象限探測(cè)器時(shí)，四個(gè)象限的電壓U1、U2、U3、U4滿足公式：

其中M是由四象限探測(cè)器決定的一個(gè)常數(shù)，可根據(jù)具體探測(cè)器來測(cè)定，x、y是初始時(shí)刻光斑中心相比于四象限探測(cè)器中心偏移的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，理想情況下應(yīng)該都是0。

聯(lián)立（2）式和（3）式，可算得偏移量Δx、Δy：

3? 實(shí)驗(yàn)分析

3.1? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)和追蹤目標(biāo)分別置于兩個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。保持追蹤目標(biāo)處于運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)的正上方，高度差為Δh = 1 m。然后通過改變運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)和追蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，測(cè)試激光跟蹤時(shí)光斑在不同時(shí)刻時(shí)偏離初始中心的偏移量Δx和Δy。數(shù)據(jù)讀取通過連接在STM32上的PC機(jī)完成，軟件采用ATK XCOM串口調(diào)試程序。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1? 運(yùn)動(dòng)速度和光斑偏移量關(guān)系的分析

分別設(shè)置運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)和追蹤目標(biāo)的速度，實(shí)驗(yàn)中具體設(shè)置了4組：第1組（50 mm/s，40 mm/s）、第2組（50 mm/s，30 mm/s）、第3組（50 mm/s，20 mm/s）、第4組（50 mm/s，10 mm/s）。分別測(cè)試Δx和Δy隨時(shí)間的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

分析圖4和圖5可發(fā)現(xiàn)，無論偏移量是Δx或Δy，它們都隨運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)和追蹤目標(biāo)的相對(duì)速度的增大而增大。這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)的工作頻率是固定的，只有在識(shí)別到偏移后才會(huì)通過追蹤來縮小偏移量，而相對(duì)速度的增加會(huì)導(dǎo)致兩次識(shí)別過程中的偏移量增加。

還可以發(fā)現(xiàn)，第一組Δx的最大值和最小值的偏差值為0.29 mm、第二組為0.32 mm、第三組為0.39 mm、第四組為0.56 mm，也隨相對(duì)速度的增大而增大，但增加量級(jí)是10-2 mm，在追蹤過程中可以忽略不計(jì)，表明系統(tǒng)具有持續(xù)追蹤的可靠性。偏移量Δy也具有和Δx類似的特點(diǎn)。

另外，當(dāng)相對(duì)速度增大到50 mm/s以上時(shí)，激光光斑的偏移會(huì)超出四象限探測(cè)器，導(dǎo)致無法記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以未記錄在圖4、圖5中。

3.2.2? 各自速度和光斑偏移量關(guān)系的分析

為了研究追蹤系統(tǒng)和追蹤目標(biāo)的各自速度對(duì)偏移量的影響，進(jìn)行了12組測(cè)試并分為4個(gè)系列分配如表2所示。

記錄各組偏移量Δx和Δy的平均值與相對(duì)速度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

分析圖7可發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)速度為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s時(shí)，相應(yīng)的四組速度的偏移量平均值幾乎重合，偏差值不超過0.5 mm/s，說明追蹤系統(tǒng)和追蹤目標(biāo)的各自速度與偏離值之間沒有決定性的關(guān)系，證明系統(tǒng)可以在各種速度下實(shí)施穩(wěn)定的追蹤。

4? 結(jié)? 論

在目標(biāo)追蹤器的研究領(lǐng)域中，提高追蹤精度是最重要的一個(gè)問題。為此采用了STM32F407IGT6為核心控制部件，借助四象限探測(cè)器，無線數(shù)據(jù)模塊等設(shè)備設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下的激光目標(biāo)追蹤系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程中，充分利用精密電機(jī)、算法程序來提高系統(tǒng)的追蹤精度。但在遠(yuǎn)程和高速條件下的追蹤設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步的提高和完善。本設(shè)計(jì)在動(dòng)作捕捉、物品搜尋、激光電力輸送、無人機(jī)定點(diǎn)作業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域具有參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：鄧炯（1977—），男，漢族，廣西柳州人，講師，碩士，研究方向：電路與系統(tǒng)；通訊作者：衛(wèi)樹花（1978—），女，漢族，廣西桂林人，中級(jí)經(jīng)濟(jì)師，本科，研究方向：財(cái)務(wù)裝備信息化。