劉瑞華，蘇 倍（中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300300）

一種車載攝像系統(tǒng)的減振分析

劉瑞華，蘇 倍
（中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300300）

車載攝像系統(tǒng)減振的作用就是要減小行駛過(guò)程中路面顛簸不平對(duì)攝像輸出畫面帶來(lái)的不利影響。因此，將減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)彈簧加阻尼形式的二階控制系統(tǒng)，分別針對(duì)不同的路面情況，用Matlab來(lái)進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)出最佳的減振系統(tǒng)參數(shù)，保證減振后攝像機(jī)能輸出清晰的畫面。

減振系統(tǒng)；Matlab；車載攝像系統(tǒng)

社會(huì)治安是直接影響和諧社會(huì)構(gòu)建的關(guān)鍵因素之一。為了更好地防治犯罪行為，能在危險(xiǎn)意外事件發(fā)生的第一時(shí)間拍攝音像視頻，為法律部門提供取證支持是重要的防范技術(shù)之一。國(guó)外有類似的技術(shù)產(chǎn)品，如芝加哥警方使用一種“智能感應(yīng)威脅識(shí)別系統(tǒng)”，通過(guò)與監(jiān)控?cái)z像頭連接，可以在兩個(gè)街區(qū)的范圍內(nèi)識(shí)別槍聲并控制監(jiān)控?cái)z像頭指向開槍者且啟動(dòng)報(bào)警裝置。但這類系統(tǒng)是靜止放置的，不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

為解決這一問(wèn)題，可在原有聲源定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加車載攝像系統(tǒng)，以保證車在行駛時(shí)同樣能記錄下意外事件發(fā)生的過(guò)程，以進(jìn)行大范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)控。由于車輛行駛過(guò)程中會(huì)因道路顛簸或其他情形而影響攝像畫面質(zhì)量，因此需要采取相應(yīng)的減振措施。本文主要研究基于彈簧加阻尼器構(gòu)成的減振系統(tǒng)，在Matlab環(huán)境下分析了不同路況時(shí)對(duì)成像質(zhì)量的影響，并給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)[1-2]。

1 系統(tǒng)及器件介紹

系統(tǒng)分為兩部分，即聲源定位部分和攝像減振部分。本文主要討論的是圖像采集的問(wèn)題。

1.1 聲源定位器件

系統(tǒng)首先利用傳聲器陣列接收聲音信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡和A/D轉(zhuǎn)換器件將模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)送入嵌入式計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)聲音識(shí)別算法，識(shí)別危險(xiǎn)聲源種類，最后利用聲源定位算法確定危險(xiǎn)聲音至傳聲器參考點(diǎn)的距離和方位，并將計(jì)算判斷結(jié)果發(fā)送給高速球機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使攝像機(jī)指向目標(biāo)。

1.2 攝像減振器件

信號(hào)采集由聲音傳感器來(lái)完成，并送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理，由PC104工業(yè)控制計(jì)算機(jī)完成特征參數(shù)的提取和語(yǔ)音識(shí)別。畫面的拍攝由監(jiān)控?cái)z像頭來(lái)完成。

攝像減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)盡量具有過(guò)渡特性，如果減振系統(tǒng)的階躍響應(yīng)或沖激響應(yīng)呈現(xiàn)比較大的持續(xù)振蕩，那么路面上任意一個(gè)凸緣或者大的沖撞都會(huì)影響監(jiān)控畫面輸出效果。由此采用彈簧加阻尼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 減振系統(tǒng)示意圖Fig.1 Damping system schematic diagram

2 減振系統(tǒng)模型

設(shè)計(jì)減振系統(tǒng)的作用就是要在汽車行駛過(guò)程中減小路面不平對(duì)攝像機(jī)畫面輸出帶來(lái)的不利影響。可將這個(gè)減振系統(tǒng)看作為一個(gè)濾波器，濾波器的截止頻率可以通過(guò)彈簧系統(tǒng)的參數(shù)k來(lái)選擇。這里的k是底盤彈性系數(shù)與攝像減振彈性系數(shù)的串聯(lián)值，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記錄，整個(gè)汽車底盤可看做一個(gè)彈性系數(shù)為30 N/ mm的大彈簧，攝像減振裝置的彈簧系數(shù)取為15 N/ mm，由彈簧串聯(lián)公式可得，系統(tǒng)的彈性系數(shù)k可以近似取為10N/mm，整個(gè)攝像裝置的質(zhì)量為1kg，從而取ωn為3 rad/s。

減振系統(tǒng)用一個(gè)二階常系數(shù)微分方程來(lái)進(jìn)行建模分析，微分方程數(shù)學(xué)模型為

其中：M是攝像裝置的質(zhì)量；k是彈簧系統(tǒng)參數(shù)；u是減振器粘性系數(shù)。y（t）是遇到顛簸時(shí)從平衡點(diǎn)處的水平位移，x（t）是作用在攝像裝置上的外部力，其系統(tǒng)函數(shù)是

其中：ωn=，ωn稱為無(wú)阻尼自然頻率，ξ稱為阻尼系數(shù)[3]。

2.1 階躍信號(hào)影響

當(dāng)汽車行駛在路面上時(shí)，碰到一個(gè)大的凸起就相當(dāng)于一個(gè)階躍信號(hào)，會(huì)對(duì)攝像輸出畫面帶來(lái)很大的影響。設(shè)計(jì)的二階系統(tǒng)就是為了減小這種影響[4]。

階躍響應(yīng)形式為

其中

階躍信號(hào)響應(yīng)的頻譜圖如圖2和圖3所示。

圖2 單位階躍響應(yīng)曲線Fig.2 Unit step respnse curve

圖3 階躍響應(yīng)Bode圖Fig.3 Bode diagram of step response

如圖2所示，當(dāng)ξ=1即臨界阻尼響應(yīng)時(shí)，響應(yīng)速度最快，有最短的上升時(shí)間；當(dāng)0≤ξ≤1即欠阻尼響應(yīng)時(shí)，阻尼系數(shù)越小，超調(diào)量越大，上升越快，對(duì)畫面的影響越大；當(dāng)ξ≥1即過(guò)阻尼響應(yīng)時(shí)，阻尼系數(shù)越大，反應(yīng)變得比較遲鈍。通過(guò)圖3的頻率特性Bode圖可以看出，當(dāng)ω=ωn時(shí)，頻率響應(yīng)的幅度最大。從兩幅圖中可以看出，隨著阻尼系數(shù)的減小，過(guò)沖和振蕩趨于增加，系統(tǒng)頻率響應(yīng)截止的更陡峭一些，所以需在頻域和時(shí)域之間求得折中，所以ξ的值通常取0.4～0.8之間比較合適[5-6]。

2.2 正弦信號(hào)影響

當(dāng)汽車正常行駛在路面上的時(shí)候，除了考慮忽然遇到的大的凸起障礙之外，還要考慮的一點(diǎn)就是當(dāng)整個(gè)路面持續(xù)凹凸不平的時(shí)候，就可以將這種情況等效看成是正弦信號(hào)的影響。通過(guò)系統(tǒng)后正弦信號(hào)的頻譜圖如圖4和圖5所示[7]。

圖4 正弦信號(hào)輸出響應(yīng)Fig.4 Sinusoidal signal output response curve

圖5 正弦信號(hào)Bode圖Fig.5 Bode diagram of sinusoidal signal

2.3 沖激信號(hào)影響

當(dāng)汽車在路面上行駛的時(shí)候，碰到一個(gè)大的沖撞就相當(dāng)于沖激信號(hào)的影響，如果不采用減振設(shè)備會(huì)對(duì)攝像機(jī)輸出畫面影響很大。系統(tǒng)沖激響應(yīng)形式為

沖激響應(yīng)的頻譜圖如圖6和圖7所示。

圖6 沖激信號(hào)輸出響應(yīng)Fig.6 Impulse signal output response curve

圖7 沖激信號(hào)Bode圖Fig.7 Bode diagram of impulse signal

由圖6和圖7可見，當(dāng)ξ取值在0.7～1之間都是無(wú)振蕩的，理論上符合了減振的效果，但是我們還要從成像效果的質(zhì)量上來(lái)進(jìn)一步實(shí)際分析，確定二階參數(shù)的取值。

3 圖像對(duì)比分析

正常情況下，攝像機(jī)輸出的畫面應(yīng)該是清晰的，可是當(dāng)監(jiān)控設(shè)備安裝在車上時(shí)就要考慮汽車在行駛過(guò)程中的顛簸情況會(huì)使輸出畫面變得模糊不清，通過(guò)減振系統(tǒng)之后會(huì)有所改善，不同的減振系統(tǒng)改善的效果也不盡相同，下面將通過(guò)畫質(zhì)效果來(lái)進(jìn)一步確定減振系統(tǒng)的參數(shù)[8]。

3.1 無(wú)阻尼振蕩時(shí)成像情況

當(dāng)ξ=0.1時(shí)，由圖2和圖4可以看出，這種情況下基本上屬于無(wú)阻尼振蕩，相當(dāng)于沒有經(jīng)過(guò)減振的情況，超調(diào)量很大，響應(yīng)上升得很快，所以減振效果不佳，輸出畫面很模糊，如圖8所示。

圖8 無(wú)阻尼振蕩影響后的畫面Fig.8 Undamped oscillation effect picture

3.2 臨界阻尼時(shí)成像情況

當(dāng)ξ=1時(shí)，由圖2和圖4可以看出，無(wú)超調(diào)量，響應(yīng)速度最快，具有最短的上升時(shí)間，對(duì)于畫面清晰程度的輸出效果影響很小，但是ξ取值變大之后，反應(yīng)時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，導(dǎo)致畫面的定位不準(zhǔn)確，會(huì)有一定量的位移，如圖9所示。

圖9 臨界阻尼時(shí)的減振效果圖Fig.9 Critical damping effect diagram

3.3 最佳阻尼系數(shù)時(shí)成像情況

當(dāng)ξ=0.7時(shí)，這時(shí)超調(diào)量適度，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，不僅能夠起到良好的減振效果，而且還會(huì)保證畫面定位的準(zhǔn)確，如圖10所示[9-10]。

圖10 最佳減振效果圖Fig.10 Best damping effect diagram

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)這種車載攝像減振系統(tǒng)的時(shí)候，在無(wú)阻尼自然頻率確定的情況下，阻尼系數(shù)對(duì)攝像畫面輸出效果的影響最大，單純從減振效果來(lái)講當(dāng)然希望阻尼系數(shù)設(shè)計(jì)越大越好，這樣路面顛簸效果的影響會(huì)被降到最低，但是會(huì)導(dǎo)致成像位置的偏差，所以基于這兩方面綜合考慮和圖像效果的分析，阻尼系數(shù)取0.7時(shí)圖像效果最佳。

[1]趙曉艾．基于MATLAB的數(shù)據(jù)成像處理[J]．太原師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，7（1）：57-59．

[2]任衛(wèi)群，趙 峰，張 杰．汽車減振器阻尼特性的仿真分析[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（S2）：957-960．

[3]史廣奎，李 檳，孟憲民．汽車設(shè)計(jì)中減振器相對(duì)阻尼系數(shù)的確定[J]．汽車工程，1995，17（6）：367-373．

[4]劉才龍．粘彈性阻尼器振動(dòng)控制仿真分析[J]．淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9（3）：33-35．

[5]孫仲良．目前國(guó)內(nèi)幾種沖擊波測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差分析[C]//中國(guó)兵工學(xué)會(huì)測(cè)試技術(shù)學(xué)會(huì)第四屆年會(huì)論文集，1990（1）：71-84．

[6] SARDY S.Minimax threshold for denoising complex signals with waveshrink[J]．Signal Processing，IEEE Transactions，2000，48（4）：1023-1028．

[7]袁海濤，尹志宏，李鎖斌．汽車懸掛系統(tǒng)的減振仿真研究[J]．現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)，2010，39（3）：47-49．

[8]張曉冶．利用雷聲頻譜識(shí)別雹云的實(shí)驗(yàn)[J]．內(nèi)蒙古氣象，1993，3（4）：32-38．

[9]陳家焱，陳冬嬌，張達(dá)響．基于MATLAB的聲音信號(hào)采集與分析處理[J]．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2005，9（6）：91-92．

[10]寧大勇，高云國(guó)，劉稀鳳．基于高精度位移傳感器的減振平臺(tái)[J]．光學(xué)精密工程，2010，18（3）：646-652．

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Damping analysis of vehicle camera system

LIU Rui-hua，SU Bei
（College of Electronic and Information Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

The role of a vehicle damping camera system is to reduce the adverse effects of the output image when driving on the rough road.Therefore，we will design a second-order differential control system and discusses the applications of the software Matlab to emulation of vehicle damping camera system analysis and design covered，it describes how to make it simple and straightforward for the complicated compulation and abstract problems.

damping systom；Matlab；vehicle camera system

TP273

A

1674－5590（2013）01－0085－04

2012-06-06；

2012-09-12

劉瑞華（1965—），男，陜西藍(lán)田人，教授，博士，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航與組合導(dǎo)航，新一代空中交通管理系統(tǒng).