水下自適應(yīng)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

    人類(lèi)生活已滲入到海洋的各個(gè)領(lǐng)域，水下軍事、科研、生產(chǎn)、娛樂(lè)比比皆是。水下活動(dòng)如此多，水下的安全監(jiān)測(cè)就成為人們關(guān)心的一個(gè)熱門(mén)話題。水對(duì)光有著強(qiáng)烈的吸收作用，水下幾十米外的空間幾乎是漆黑一片，因此進(jìn)行水下安全監(jiān)測(cè)一般都需加人工照明。不同的環(huán)境使用的水下照明也就不同，設(shè)計(jì)一個(gè)合適的光源對(duì)水下成像監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。文章以水下反恐系統(tǒng)中的微光成像為例，對(duì)其監(jiān)測(cè)環(huán)境及成像特點(diǎn)進(jìn)行了研究，研制出一種適應(yīng)水下成像探測(cè)的自適應(yīng)照明系統(tǒng)。照明系統(tǒng)能夠根據(jù)周?chē)h(huán)境的光強(qiáng)變化，自行調(diào)整照明光源的亮度，從而達(dá)到光源自適應(yīng)調(diào)節(jié)的目的。

1. 監(jiān)測(cè)環(huán)境與照明系統(tǒng)概述

   水下反恐系統(tǒng)安裝于青島奧帆賽浮標(biāo)碼頭周?chē)暮５祝抢锼|(zhì)較差，海水不深，能見(jiàn)度在2m左右。白天太陽(yáng)光能夠一定程度的照射到監(jiān)測(cè)區(qū)域，但監(jiān)測(cè)環(huán)境仍處于微光照明狀態(tài)，晚上水下則漆黑一片。因此要進(jìn)行水下微光成像探測(cè)，就必須設(shè)計(jì)出合適的照明光源。

   水下自適應(yīng)照明系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)環(huán)境的亮暗，通過(guò)自適應(yīng)控制自動(dòng)調(diào)節(jié)光源的亮度，誤差不超過(guò)基準(zhǔn)光強(qiáng)的±8%，這有效改善了成像環(huán)境，提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。如何進(jìn)行自適應(yīng)控制，并保證系統(tǒng)的精度。文章設(shè)計(jì)了閉環(huán)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路由三部分組成，即信號(hào)反饋、自適應(yīng)控制和功率驅(qū)動(dòng)，組成框圖如圖1示。

圖1 自適應(yīng)照明系統(tǒng)框圖

2．控制電路的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

控制電路的總體框圖如圖2示，

圖2 控制電路組成框圖

2.1.1 光強(qiáng)反饋電路

    反饋電路由光敏器件、低通濾波、信號(hào)放大三部分組成。利用光敏器件探測(cè)出光的強(qiáng)弱，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。為提高反饋信號(hào)的精度，必須對(duì)光電轉(zhuǎn)換得道的電信號(hào)進(jìn)行通濾波，消除環(huán)境帶來(lái)的高頻干擾。由于光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)非常弱，必須對(duì)其放大。

2.1.2 控制電路

圖3 控制電路

   電路的控制部分是自適應(yīng)控制的核心部分，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的，如圖3。單片機(jī)控制的是數(shù)字信號(hào)而光強(qiáng)的反饋信號(hào)和光源的驅(qū)動(dòng)是模擬信號(hào)，所以須對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)系統(tǒng)所需精度和轉(zhuǎn)換速度，A/D轉(zhuǎn)換選用AD574快速型12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為15—35µs。D/A轉(zhuǎn)換選用DAC1232電流輸出型12位D/A轉(zhuǎn)換器。DAC1232的芯片內(nèi)部沒(méi)有參考電壓基準(zhǔn)源和輸出運(yùn)算放大器，需要外接電壓基準(zhǔn)源和信號(hào)放大電路。單片機(jī)對(duì)反饋回的亮度信號(hào)運(yùn)用PID算法進(jìn)行判斷，然后輸出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果給DAC1232，放大電路對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行放大。

2.1.3功率放大電路         

   大洋處的海水對(duì)藍(lán)光的吸收最少，而海岸附近的海水對(duì)綠光的透射率最高，根據(jù)監(jiān)測(cè)環(huán)境光源采用高亮度綠色LED面陣光源，面陣的額度功率為192W，額定電壓為24V。光源亮暗的控制采用調(diào)流式。功放電路的功率放大器件選擇放大電流式功放器件PA12A。PA12A的供電電壓在±10—50V之間，最大輸出電流可達(dá)±15A，重要的是該芯片在設(shè)計(jì)中使用了氧化鈹（BeO）使其阻抗的溫度系數(shù)降為最低，這大大提高其熱穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)光源的穩(wěn)定性。

2.2軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 PID算法

   自適應(yīng)控制的實(shí)現(xiàn)選擇PID算法。PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 

  （5-1）

   PID控制算式的一般形式有兩種，一種是增量型PID控制算法，一種是位置型PID算法。增量型PID算法適用于步進(jìn)電機(jī)、多圈電位器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只要求輸出一個(gè)增量信號(hào)。

位置型PID算法其控制規(guī)律為：

   在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器。由式（5-2）可得到離散化的PID表達(dá)式為：

                                  （5-3）

或

                                           （5-4）

   式中，k為采樣序號(hào)，k＝0，1，2…；P(k) 為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；E(k) 為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；E(k－1) 為第（k－1）次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KI為積分系數(shù)，KI＝KpT/TI；KD為微分系數(shù)，KD＝KpTD/T。

  在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此它的靈活性很大。一些原來(lái)在模擬PID控制器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，在引入計(jì)算機(jī)以后，就可以得到解決，于是產(chǎn)生了一系列的改進(jìn)算法，滿足不同控制系統(tǒng)的需要。

   在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了避免系統(tǒng)控制動(dòng)作的過(guò)于頻繁，消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，可采用帶死區(qū)的PID控制，相應(yīng)的控制算式為：

                               （5-6）

  式中，死區(qū)e0是一個(gè)可調(diào)的參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象由實(shí)驗(yàn)確定。若e0值太小，使控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，達(dá)不到穩(wěn)定被控對(duì)象的目的；若e0值太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后。此控制系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)非線性系統(tǒng)。即當(dāng)|e(k)|≤| e0|時(shí)，數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出為零；當(dāng)|e(k)|＞| e0|時(shí)，數(shù)字調(diào)節(jié)器有PID輸出。   

2.2.3 PID參數(shù)確定

    對(duì)于一定的系統(tǒng)，合理PID參數(shù)的組并不唯一。滿意的控制結(jié)果是相對(duì)于被控的對(duì)象和相應(yīng)的控制系統(tǒng)而言，另外，PID各參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響并不十分敏感，因此參數(shù)的選定沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。由于無(wú)法獲得LED面陣的精確數(shù)學(xué)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，在進(jìn)一步確定被控對(duì)象特性的基礎(chǔ)之上，我們采取湊試法確定PID參數(shù)。

2.2.3自適應(yīng)控制程序

   水下自適應(yīng)照明系統(tǒng)控制算法選擇位置式PID控制算法，并進(jìn)行必要改良，加入帶死區(qū)PID控制。算法流程如圖4所示：

圖4 算法流程圖

3. 結(jié)論

2006年8月，系統(tǒng)在青島帆船賽中成功通過(guò)預(yù)演試驗(yàn)。系統(tǒng)運(yùn)行后，水下探測(cè)器傳輸回的視頻亮暗均勻，視頻比使用一般照明系統(tǒng)的視頻圖像質(zhì)量高。同時(shí)使用水下照度計(jì)進(jìn)行24小時(shí)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，反復(fù)測(cè)量結(jié)果證明，監(jiān)測(cè)區(qū)域的光照度變化在預(yù)定值的±8%范圍內(nèi)，系統(tǒng)性能良好。