水下自適應照明系統的設計

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測一般都需加人工照明。不同的環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測至關重要。文章以水下反恐系統中的微光成像為例，對其監測環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。照明系統能夠根據周圍環境的光強變化，自行調整照明光源的亮度，從而達到光源自適應調節的目的。

1. 監測環境與照明系統概述

?? 水下反恐系統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測區域，但監測環境仍處于微光照明狀態，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能夠根據監測環境的亮暗，通過自適應控制自動調節光源的亮度，誤差不超過基準光強的±8%，這有效改善了成像環境，提高了監測系統的成像質量。如何進行自適應控制，并保證系統的精度。文章設計了閉環控制電路來實現，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，由單片機控制實現的，如圖3。單片機控制的是數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。根據系統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，根據監測環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降為最低，這大大提高其熱穩定性，提高了系統光源的穩定性。

2.2軟件實現

2.2.1 PID算法

?? 自適應控制的實現選擇PID算法。PID控制是最早發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、多圈電位器等執行機構，只要求輸出一個增量信號。

位置型PID算法其控制規律為：

?? ?

?? 在計算機控制系統中，使用的是數字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，KI＝KpT/TI；KD為微分系數，KD＝KpTD/T。

? 在計算機控制系統中，PID控制規律是用計算機程序來實現的，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，滿足不同控制系統的需要。

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

?????????????????????????????? （5-6）

? 式中，死區e0是一個可調的參數，其具體數值可根據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，達不到穩定被控對象的目的；若e0值太大，則系統將產生較大的滯后。此控制系統實際上是一個非線性系統。即當|e(k)|≤| e0|時，數字調節器輸出為零；當|e(k)|＞| e0|時，數字調節器有PID輸出。???

2.2.3 PID參數確定

??? 對于一定的系統，合理PID參數的組并不唯一。滿意的控制結果是相對于被控的對象和相應的控制系統而言，另外，PID各參數對控制質量的影響并不十分敏感，因此參數的選定沒有統一的標準。由于無法獲得LED面陣的精確數學模型，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。

2.2.3自適應控制程序

?? 水下自適應照明系統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，系統在青島帆船賽中成功通過預演試驗。系統運行后，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，監測區域的光照度變化在預定值的±8%范圍內，系統性能良好。