一种车载摄像系统的减振分析

刘瑞华，苏 倍（中国民航大学电子信息工程学院，天津 300300）

一种车载摄像系统的减振分析

刘瑞华，苏 倍
（中国民航大学电子信息工程学院，天津 300300）

车载摄像系统减振的作用就是要减小行驶过程中路面颠簸不平对摄像输出画面带来的不利影响。因此，将减振系统设计成一个弹簧加阻尼形式的二阶控制系统，分别针对不同的路面情况，用Matlab来进行仿真，设计出最佳的减振系统参数，保证减振后摄像机能输出清晰的画面。

减振系统；Matlab；车载摄像系统

社会治安是直接影响和谐社会构建的关键因素之一。为了更好地防治犯罪行为，能在危险意外事件发生的第一时间拍摄音像视频，为法律部门提供取证支持是重要的防范技术之一。国外有类似的技术产品，如芝加哥警方使用一种“智能感应威胁识别系统”，通过与监控摄像头连接，可以在两个街区的范围内识别枪声并控制监控摄像头指向开枪者且启动报警装置。但这类系统是静止放置的，不能进行动态监控。

为解决这一问题，可在原有声源定位系统的基础上增加车载摄像系统，以保证车在行驶时同样能记录下意外事件发生的过程，以进行大范围动态监控。由于车辆行驶过程中会因道路颠簸或其他情形而影响摄像画面质量，因此需要采取相应的减振措施。本文主要研究基于弹簧加阻尼器构成的减振系统，在Matlab环境下分析了不同路况时对成像质量的影响，并给出了优化设计参数[1-2]。

1 系统及器件介绍

系统分为两部分，即声源定位部分和摄像减振部分。本文主要讨论的是图像采集的问题。

1.1 声源定位器件

系统首先利用传声器阵列接收声音信号，通过数据采集卡和A/D转换器件将模拟声音信号转换为数字电压信号送入嵌入式计算机，然后通过声音识别算法，识别危险声源种类，最后利用声源定位算法确定危险声音至传声器参考点的距离和方位，并将计算判断结果发送给高速球机控制执行机构，使摄像机指向目标。

1.2 摄像减振器件

信号采集由声音传感器来完成，并送入数据采集卡进行A/D转换处理，由PC104工业控制计算机完成特征参数的提取和语音识别。画面的拍摄由监控摄像头来完成。

摄像减振系统的设计会尽量具有过渡特性，如果减振系统的阶跃响应或冲激响应呈现比较大的持续振荡，那么路面上任意一个凸缘或者大的冲撞都会影响监控画面输出效果。由此采用弹簧加阻尼的结构设计，如图1所示。

图1 减振系统示意图Fig.1 Damping system schematic diagram

2 减振系统模型

设计减振系统的作用就是要在汽车行驶过程中减小路面不平对摄像机画面输出带来的不利影响。可将这个减振系统看作为一个滤波器，滤波器的截止频率可以通过弹簧系统的参数k来选择。这里的k是底盘弹性系数与摄像减振弹性系数的串联值，根据相关文献记录，整个汽车底盘可看做一个弹性系数为30 N/ mm的大弹簧，摄像减振装置的弹簧系数取为15 N/ mm，由弹簧串联公式可得，系统的弹性系数k可以近似取为10N/mm，整个摄像装置的质量为1kg，从而取ωn为3 rad/s。

减振系统用一个二阶常系数微分方程来进行建模分析，微分方程数学模型为

其中：M是摄像装置的质量；k是弹簧系统参数；u是减振器粘性系数。y（t）是遇到颠簸时从平衡点处的水平位移，x（t）是作用在摄像装置上的外部力，其系统函数是

其中：ωn=，ωn称为无阻尼自然频率，ξ称为阻尼系数[3]。

2.1 阶跃信号影响

当汽车行驶在路面上时，碰到一个大的凸起就相当于一个阶跃信号，会对摄像输出画面带来很大的影响。设计的二阶系统就是为了减小这种影响[4]。

阶跃响应形式为

其中

阶跃信号响应的频谱图如图2和图3所示。

图2 单位阶跃响应曲线Fig.2 Unit step respnse curve

图3 阶跃响应Bode图Fig.3 Bode diagram of step response

如图2所示，当ξ=1即临界阻尼响应时，响应速度最快，有最短的上升时间；当0≤ξ≤1即欠阻尼响应时，阻尼系数越小，超调量越大，上升越快，对画面的影响越大；当ξ≥1即过阻尼响应时，阻尼系数越大，反应变得比较迟钝。通过图3的频率特性Bode图可以看出，当ω=ωn时，频率响应的幅度最大。从两幅图中可以看出，随着阻尼系数的减小，过冲和振荡趋于增加，系统频率响应截止的更陡峭一些，所以需在频域和时域之间求得折中，所以ξ的值通常取0.4～0.8之间比较合适[5-6]。

2.2 正弦信号影响

当汽车正常行驶在路面上的时候，除了考虑忽然遇到的大的凸起障碍之外，还要考虑的一点就是当整个路面持续凹凸不平的时候，就可以将这种情况等效看成是正弦信号的影响。通过系统后正弦信号的频谱图如图4和图5所示[7]。

图4 正弦信号输出响应Fig.4 Sinusoidal signal output response curve

图5 正弦信号Bode图Fig.5 Bode diagram of sinusoidal signal

2.3 冲激信号影响

当汽车在路面上行驶的时候，碰到一个大的冲撞就相当于冲激信号的影响，如果不采用减振设备会对摄像机输出画面影响很大。系统冲激响应形式为

冲激响应的频谱图如图6和图7所示。

图6 冲激信号输出响应Fig.6 Impulse signal output response curve

图7 冲激信号Bode图Fig.7 Bode diagram of impulse signal

由图6和图7可见，当ξ取值在0.7～1之间都是无振荡的，理论上符合了减振的效果，但是我们还要从成像效果的质量上来进一步实际分析，确定二阶参数的取值。

3 图像对比分析

正常情况下，摄像机输出的画面应该是清晰的，可是当监控设备安装在车上时就要考虑汽车在行驶过程中的颠簸情况会使输出画面变得模糊不清，通过减振系统之后会有所改善，不同的减振系统改善的效果也不尽相同，下面将通过画质效果来进一步确定减振系统的参数[8]。

3.1 无阻尼振荡时成像情况

当ξ=0.1时，由图2和图4可以看出，这种情况下基本上属于无阻尼振荡，相当于没有经过减振的情况，超调量很大，响应上升得很快，所以减振效果不佳，输出画面很模糊，如图8所示。

图8 无阻尼振荡影响后的画面Fig.8 Undamped oscillation effect picture

3.2 临界阻尼时成像情况

当ξ=1时，由图2和图4可以看出，无超调量，响应速度最快，具有最短的上升时间，对于画面清晰程度的输出效果影响很小，但是ξ取值变大之后，反应时间会比较长，导致画面的定位不准确，会有一定量的位移，如图9所示。

图9 临界阻尼时的减振效果图Fig.9 Critical damping effect diagram

3.3 最佳阻尼系数时成像情况

当ξ=0.7时，这时超调量适度，调节时间较短，不仅能够起到良好的减振效果，而且还会保证画面定位的准确，如图10所示[9-10]。

图10 最佳减振效果图Fig.10 Best damping effect diagram

4 结语

设计这种车载摄像减振系统的时候，在无阻尼自然频率确定的情况下，阻尼系数对摄像画面输出效果的影响最大，单纯从减振效果来讲当然希望阻尼系数设计越大越好，这样路面颠簸效果的影响会被降到最低，但是会导致成像位置的偏差，所以基于这两方面综合考虑和图像效果的分析，阻尼系数取0.7时图像效果最佳。

[1]赵晓艾．基于MATLAB的数据成像处理[J]．太原师范学院学报，2008，7（1）：57-59．

[2]任卫群，赵 峰，张 杰．汽车减振器阻尼特性的仿真分析[J]．系统仿真学报，2006，18（S2）：957-960．

[3]史广奎，李 槟，孟宪民．汽车设计中减振器相对阻尼系数的确定[J]．汽车工程，1995，17（6）：367-373．

[4]刘才龙．粘弹性阻尼器振动控制仿真分析[J]．淮北职业技术学院学报，2010，9（3）：33-35．

[5]孙仲良．目前国内几种冲击波测量系统的测量误差分析[C]//中国兵工学会测试技术学会第四届年会论文集，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]袁海涛，尹志宏，李锁斌．汽车悬挂系统的减振仿真研究[J]．现代设计与先进制造技术，2010，39（3）：47-49．

[8]张晓冶．利用雷声频谱识别雹云的实验[J]．内蒙古气象，1993，3（4）：32-38．

[9]陈家焱，陈冬娇，张达响．基于MATLAB的声音信号采集与分析处理[J]．计算机与现代化，2005，9（6）：91-92．

[10]宁大勇，高云国，刘稀凤．基于高精度位移传感器的减振平台[J]．光学精密工程，2010，18（3）：646-652．

（责任编辑：杨媛媛）

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

刘瑞华（1965—），男，陕西蓝田人，教授，博士，研究方向为卫星导航与组合导航，新一代空中交通管理系统.