相机稳像系统中陀螺信号的实时采集与数据优化

     图像稳定是近年来数码相机上最流行的功能之一[1]。光学图像稳定(Optical Image Stabilization)通过光学修正系统对相机振动的补偿有效克服影像模糊。当用户在光线弱的环境中进行拍摄时,因为曝光时间更长,导致振动致使的影像模糊大大增加。一般来说,实现图像稳定所采用的方法包括镜头防抖[2],CCD防抖[3]和信号处理等。

    一种基于CCD防抖的光学图像稳定系统方案,如图1所示。镜头内的陀螺仪侦测拍摄时相机轻微的抖动,霍尔传感器感应CCD的当前位置。当光轴由于振动发生偏移时,微处理器对陀螺仪和霍尔信号进行处理,计算出足以抵消抖动的CCD移动量,传送到补偿装置,驱动音圈电机调整CCD的中心。

    图中虚框内部分为陀螺信号采集处理系统。它位于光学图像稳定系统的信号处理最前端,它携带着相机抖动的姿态信息,因此接收到陀螺信号质量的好坏对于整个图像稳定系统的性能具有决定性作用,它的设计尤为重要。

    1 陀螺信号实时处理系统硬件组成

    1.1 总体硬件组成

    图1是图像稳定系统中的陀螺仪信号采集处理电路框图,主要包括惯性敏感单元、DSP模块、数据采集模块、上位机通信模块和JTAG调试接口模块。其惯性敏感单元由两个正交放置的单轴压电随器、2路16位模数转换器ADS8341;DSP模块完成被采集信号的滤波、计算处理和对外通信等功能。

    2路电压跟随器是为了隔离前级对后续单元的影响和保证传感器信号的稳定。二阶低通滤波器的作用是滤除陀螺仪信号中的高频噪声。模数转换器螺信号。DSP主要完成陀螺信号的降噪与补偿计算。处理结果由外部扩展的16位D/A转换器DAC8574变换成模拟量送出,能够满足不同的需求[4]。

    1.2 通信接口设计

    F2812内部有两个采用双线通信的异步串行通讯模块(SCI),该串口支持16级接收和发送FIFO,可以与PC或其他异步通信外设进行数字通信。本数据采集系统采用RS232通信方式将数据发送给上位机,与DSP2812接口的外设选用MAX3232。

    2 信号处理

    压电陀螺作为核心的惯性器件,它的精度决定了整个系统的性能。它可在很宽的频带下实时测量姿态角的动态变化,但陀螺漂移将使其误差随时间积累[5]。如何对陀螺信号进行优化,使动态测量误差最小,成为系统设计的关键。

    2.1 陀螺漂移模型

    通常陀螺漂移可分为系统漂移和随机漂移。随机漂移是非线性、慢时变的,同时受外部环境噪声等不确定因素的影响,不能用简单的方法来补偿。一般来说,角速率陀螺的误差可能有角度随机游走、角速率随机游走、闪烁噪声(零偏不稳定度)、速率斜坡、速率量化噪声、正弦噪声、马尔科夫噪声等,其中角度随机游走和零偏不稳定度占主要因素。在短时间内可以将漂移模型描述为[6]: