水下自適應照明系統(tǒng)的設計

0 引言

    人類生活已滲入到海洋的各個領域，水下軍事、科研、生產、娛樂比比皆是。水下活動如此多，水下的安全監(jiān)測就成為人們關心的一個熱門話題。水對光有著強烈的吸收作用，水下幾十米外的空間幾乎是漆黑一片，因此進行水下安全監(jiān)測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，設計一個合適的光源對水下成像監(jiān)測至關重要。文章以水下反恐系統(tǒng)中的微光成像為例，對其監(jiān)測環(huán)境及成像特點進行了研究，研制出一種適應水下成像探測的自適應照明系統(tǒng)。照明系統(tǒng)能夠根據(jù)周圍環(huán)境的光強變化，自行調整照明光源的亮度，從而達到光源自適應調節(jié)的目的。

1. 監(jiān)測環(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碼頭周圍的海底，那里水質較差，海水不深，能見度在2m左右。白天太陽光能夠一定程度的照射到監(jiān)測區(qū)域，但監(jiān)測環(huán)境仍處于微光照明狀態(tài)，晚上水下則漆黑一片。因此要進行水下微光成像探測，就必須設計出合適的照明光源。

   水下自適應照明系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測環(huán)境的亮暗，通過自適應控制自動調節(jié)光源的亮度，誤差不超過基準光強的±8%，這有效改善了成像環(huán)境，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的成像質量。如何進行自適應控制，并保證系統(tǒng)的精度。文章設計了閉環(huán)控制電路來實現(xiàn)，電路由三部分組成，即信號反饋、自適應控制和功率驅動，組成框圖如圖1示。

圖1 自適應照明系統(tǒng)框圖

2．控制電路的設計

2.1 硬件設計

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 光強反饋電路

    反饋電路由光敏器件、低通濾波、信號放大三部分組成。利用光敏器件探測出光的強弱，將光信號轉換成為電信號。為提高反饋信號的精度，必須對光電轉換得道的電信號進行通濾波，消除環(huán)境帶來的高頻干擾。由于光電轉換后的電信號非常弱，必須對其放大。

2.1.2 控制電路

圖3 控制電路

   電路的控制部分是自適應控制的核心部分，由單片機控制實現(xiàn)的，如圖3。單片機控制的是數(shù)字信號而光強的反饋信號和光源的驅動是模擬信號，所以須對信號進行A/D和D/A轉換。根據(jù)系統(tǒng)所需精度和轉換速度，A/D轉換選用AD574快速型12位逐次逼近式A/D轉換器，其轉換時間為15—35µs。D/A轉換選用DAC1232電流輸出型12位D/A轉換器。DAC1232的芯片內部沒有參考電壓基準源和輸出運算放大器，需要外接電壓基準源和信號放大電路。單片機對反饋回的亮度信號運用PID算法進行判斷，然后輸出相應的計算結果給DAC1232，放大電路對所得信號進行放大。

2.1.3功率放大電路         

   大洋處的海水對藍光的吸收最少，而海岸附近的海水對綠光的透射率最高，根據(jù)監(jiān)測環(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±15A，重要的是該芯片在設計中使用了氧化鈹（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軟件實現(xiàn)

2.2.1 PID算法

   自適應控制的實現(xiàn)選擇PID算法。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，其算法簡單、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)與實際輸出值c(t)構成控制偏差 

  （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算法適用于步進電機、多圈電位器等執(zhí)行機構，只要求輸出一個增量信號。

位置型PID算法其控制規(guī)律為：

   在計算機控制系統(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表達式為：

                                  （5-3）

或

                                           （5-4）

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

  在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用計算機程序來實現(xiàn)的，因此它的靈活性很大。一些原來在模擬PID控制器中無法實現(xiàn)的問題，在引入計算機以后，就可以得到解決，于是產生了一系列的改進算法，滿足不同控制系統(tǒng)的需要。

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

                               （5-6）

  式中，死區(qū)e0是一個可調的參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)實際控制對象由實驗確定。若e0值太小，使控制動作過于頻繁，達不到穩(wěn)定被控對象的目的；若e0值太大，則系統(tǒng)將產生較大的滯后。此控制系統(tǒng)實際上是一個非線性系統(tǒng)。即當|e(k)|≤| e0|時，數(shù)字調節(jié)器輸出為零；當|e(k)|＞| e0|時，數(shù)字調節(jié)器有PID輸出。   

2.2.3 PID參數(shù)確定

    對于一定的系統(tǒng)，合理PID參數(shù)的組并不唯一。滿意的控制結果是相對于被控的對象和相應的控制系統(tǒng)而言，另外，PID各參數(shù)對控制質量的影響并不十分敏感，因此參數(shù)的選定沒有統(tǒng)一的標準。由于無法獲得LED面陣的精確數(shù)學模型，通過實驗仿真，在進一步確定被控對象特性的基礎之上，我們采取湊試法確定PID參數(shù)。

2.2.3自適應控制程序

   水下自適應照明系統(tǒng)控制算法選擇位置式PID控制算法，并進行必要改良，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. 結論

2006年8月，系統(tǒng)在青島帆船賽中成功通過預演試驗。系統(tǒng)運行后，水下探測器傳輸回的視頻亮暗均勻，視頻比使用一般照明系統(tǒng)的視頻圖像質量高。同時使用水下照度計進行24小時長時間測試，反復測量結果證明，監(jiān)測區(qū)域的光照度變化在預定值的±8%范圍內，系統(tǒng)性能良好。