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1 引言 空間光通信采用激光作為載波。與傳統(tǒng)微波通信相比，空間光通信具有傳輸容量大、方向性強(qiáng)、傳輸速率大、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星和航空航天等大容量通信方面具有巨大的應(yīng)用前景。但由于激光具有波束窄、發(fā)散角小的特點(diǎn)，空間太陽(yáng)、月亮等星體背景光的干擾，加之遠(yuǎn)距離通信信道對(duì)光信號(hào)的極大衰減等因素，因而空間光通信能夠快速實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、飛機(jī)等空間移動(dòng)平臺(tái)的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(Acquisition，Track—ing，Pointing，簡(jiǎn)稱ATP)，并建立穩(wěn)定而有效的通信鏈路。因此，介紹了一種基于DSP的移動(dòng)平臺(tái)ATP技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2．1 ATP系統(tǒng)架構(gòu) 為了模擬實(shí)驗(yàn)空間移動(dòng)平臺(tái)ATP過程，設(shè)計(jì)一套地面模擬ATP系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分為圖像處理模塊、電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)模塊、二軸電控轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、光學(xué)系統(tǒng)等，如圖1所示。圖像處理模塊核心是圖像處理器件。采用TMS320DM64(簡(jiǎn)稱DM642)作為圖像處理器，該器件是TI公司推出的一款針對(duì)多媒體處理應(yīng)用的高性能定點(diǎn)DSP器件，它具有C64X內(nèi)核，指令集與(264X全面兼容，其內(nèi)部工作時(shí)鐘達(dá)600 MHz，指令執(zhí)行速度高達(dá)4 000"4 800 MI/s，它擁有3個(gè)獨(dú)立配置的視頻端口，可獨(dú)立配置為視頻采集或顯示端口，采用EDMA方式快速地在存儲(chǔ)器與視頻端口之間傳輸視頻信號(hào)，另外DM642還擁有多路音頻端口(McASP0)，32位主機(jī)接口(HPI)，PCI總線接口，16位通用I／O端口(GPIO)，3個(gè)定時(shí)器以及I2C總線模塊。DM642對(duì)CCD采集的圖像信號(hào)進(jìn)行圖像處理和分析，判斷信標(biāo)光是否進(jìn)入視場(chǎng)，并利用灰度直方圖算法計(jì)算目標(biāo)與背景間的閾值，再利用質(zhì)心算法得出信標(biāo)光坐標(biāo)，并將信息實(shí)時(shí)傳輸給電機(jī)控制部分。 電機(jī)控制器采用專門用于工業(yè)控制的LPC2114ARM及其外圍電路。LPC211ARM采用ARM7TDMI—S核技術(shù)，采用RISC指令，流水線執(zhí)行結(jié)構(gòu)，嵌入式操作系統(tǒng)移植性強(qiáng)。根據(jù)DSP處理后的信息調(diào)整載有CCD的二軸電控轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用新型的雙極性恒流斬波驅(qū)動(dòng)技術(shù)，光電隔離信號(hào)輸入，自動(dòng)半流，可設(shè)置最大2 A電流和最大125級(jí)細(xì)分，振動(dòng)和噪聲小。 二軸電控轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)按照水平和俯仰兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其水平方向無(wú)最大角度限制，而俯仰方向接近360°，通過ARM控制器實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的方位和俯仰角的精密轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器為最大值128細(xì)分時(shí)，其方位和俯仰角的轉(zhuǎn)角精度達(dá)2．725μrad和1．635μrad。 光學(xué)系統(tǒng)由信標(biāo)光發(fā)射和CCD接收部分組成。CCD有效像素為582(H)×512(V)，像素尺寸為8．25(H)μm×7．03(V)μm，接收靈敏度為0．005勒克斯，CCD的視場(chǎng)角為3°x3°。CCD安裝于二軸電控轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，相當(dāng)于光學(xué)天線，用于接收光信號(hào)，通過ARM電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)CCD的全空間掃描和信標(biāo)光接收。信標(biāo)光置于單片機(jī)控制的小車，模擬實(shí)現(xiàn)空間移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。 2．2 圖像處理硬件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的圖像處理模塊采用DM642作為圖像處理核心器件以及其外圍電路組成的視頻通訊模塊(VCM)完成CCD視頻信號(hào)的采集和處理。VCM是由視頻處理單元、音頻處理單元、SDRAM、Flash、UART、以及網(wǎng)、I2C、JTAG單元等，其中視頻處理單元主要由DM642、視頻解碼器TVP5150APBS、視頻編碼器SAA7104、同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器SDRAM以及控制部分的通信器件UART等組成，如圖2所示。 DM642首先啟動(dòng)視頻解碼器TVP5150APBS，捕獲并解碼CCD攝像頭的每一幀視頻信號(hào)，然后讀取并存儲(chǔ)在SRDRAM中，然后處理所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)并提取信標(biāo)光坐標(biāo)，通過UART將相應(yīng)信息實(shí)時(shí)反饋給控制部分，同時(shí)輸出處理的數(shù)據(jù)，經(jīng)視頻編碼器SAA7104編碼，經(jīng)VPout端口輸出顯示。 由于DM642功能強(qiáng)大，其應(yīng)用電路涉及到大量外圍電路，因此整個(gè)圖像處理電路VCM相當(dāng)復(fù)雜，限于篇幅原因，這里只給出電源部分電路，以供參考。VCM采用12 V直流電源供電，經(jīng)DC／DC轉(zhuǎn)換器TPS54350PWP轉(zhuǎn)換成3.3V直流電壓作為DM642的電源，由于DM642工作在600 MHz的高頻率下，因此對(duì)電源穩(wěn)定性要求極高，其電路如圖3所示。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 當(dāng)CCD采集的視頻信號(hào)通過DM642的視頻輸入端口進(jìn)入視頻處理單元模塊，若發(fā)現(xiàn)信標(biāo)光不在視場(chǎng)中，則執(zhí)行光柵螺旋掃描算法，直到信標(biāo)光進(jìn)入視場(chǎng)，此時(shí)圖像處理模塊將提取出信標(biāo)光光斑的坐標(biāo)通過串口發(fā)送給電機(jī)控制模塊，電機(jī)控制模塊根據(jù)接收的信標(biāo)光坐標(biāo)信息對(duì)二軸電控轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行基于增量式PID跟蹤算法控制，該過程不斷反復(fù)，直到信標(biāo)光光斑始終保持在視場(chǎng)的中心位置，則建立通信鏈路，從而實(shí)現(xiàn)通信；另外，若信標(biāo)光一開始就位于視場(chǎng)，則直接進(jìn)入跟蹤過程，且整個(gè)掃描和跟蹤過程是相互嵌套的。跟蹤過程中一旦目標(biāo)突然從視場(chǎng)中丟失，則系統(tǒng)則轉(zhuǎn)去執(zhí)行掃描過程，直到再次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。整個(gè)ATP控制過程主要由掃描、捕獲和跟蹤3部分組成。圖4示出軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖。 3．1 信標(biāo)光坐標(biāo)閾值提取算法 系統(tǒng)首先采用直方圖法確定信標(biāo)光坐標(biāo)提取的閾值，具體做法：將CCD采集的MxN像素的黑白圖像存入數(shù)據(jù)緩存器，以灰度值(O～255)為x軸，以該灰度值的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為y軸。由于背景和目標(biāo)灰度值的不同，必然在坐標(biāo)系中形成兩個(gè)峰值，在兩峰值之間選取像素點(diǎn)個(gè)數(shù)最少的灰度值為閾值，可以使目標(biāo)和背景分割誤差最小。 3．2 信標(biāo)光坐標(biāo)質(zhì)心算法 DM642必須精確地從目標(biāo)圖像提取目標(biāo)位置信息。常用的定位算法：質(zhì)心算法、形心定位法、峰值定位法、匹配定位法和投影中心法。質(zhì)心算法的精度高、且算法簡(jiǎn)單，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用質(zhì)心來(lái)定位目標(biāo)。質(zhì)心法反映了目標(biāo)的能量的分布狀況。該方法在理想的情況下定位精度小于0．05個(gè)像素，且適用的光斑范圍大。 4 結(jié)論 在脫離PC機(jī)情況下對(duì)移動(dòng)平臺(tái)信標(biāo)光的捕獲與跟蹤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用載有信標(biāo)光的小車以不同速率在已設(shè)計(jì)的線路上運(yùn)動(dòng)，控制器控制二軸電控轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行光柵螺旋掃描，一旦捕獲信標(biāo)光則轉(zhuǎn)入到跟蹤狀態(tài)并鎖定目標(biāo)。如果信標(biāo)光突然脫離CCD視場(chǎng)，程序?qū)⒆詣?dòng)重新進(jìn)入掃描捕獲狀態(tài)。 實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)跟蹤角速度范圍是0～lOrad／s，跟蹤精度優(yōu)于0．5mrad，基本達(dá)到移動(dòng)平臺(tái)ATP技術(shù)粗跟蹤要求，也進(jìn)一步證明基于DM642的移動(dòng)平臺(tái)ATP技術(shù)在衛(wèi)星和航空航天等大容量通信方面具有更大的應(yīng)用潛力，特別是在改進(jìn)和優(yōu)化系統(tǒng)若在靈活性和實(shí)時(shí)性以及算法，將使ATP系統(tǒng)跟蹤精度進(jìn)一步提高。 |
