CN111083347A - 一种镜头驱动控制装置、镜头驱动装置及摄像机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镜头驱动控制装置、镜头驱动装置及摄像机。所述镜头驱动控制装置包括：控制单元(1)；位置检测单元(2)和电机驱动器(3)，所述电机驱动器(3)驱动与镜头群组(6)传动连接的音圈电机(4)，以调节镜头群组(6)的位置；所述位置检测单元(2)检测镜头群组(6)位置，并将检测的镜头群组位置反馈给所述控制单元，作为镜头群组检测位置；所述控制单元(1)接收及分析外部指令以确定镜头群组目标位置；并根据所述镜头群组目标位置和镜头群组检测位置控制所述电机驱动器(3)。

Description

一种镜头驱动控制装置、镜头驱动装置及摄像机

技术领域

本发明涉及变焦摄像机技术领域，特别是涉及一种镜头驱动控制装置、镜头驱动装置及摄像机。

背景技术

视频监控的一大发展方向是高清化，所以对于镜片位置、后焦等的控制精度要求也越来越高。在原来的较低分辨率下，人眼的分辨力可能分辨不出来变焦误差带来的影响，随着视频分辨率向4K,8K发展，变焦控制上的小的误差可能带来图像的解析度显著下降，影响用户体验。另外，自动变焦产品经过了多年发展，用户对产品体验的要求从能变焦清晰变成了快速变焦清晰的变化。因此，视频高清化的发展需要提高控制精度来配合完成快速和精确的自动变焦。

现有技术中，常见的变焦、调焦摄像机控制主流为STM+导螺杆型单元控制方案。在STM+导螺杆型单元中，采用步进马达，步进马达的导螺杆上刻有螺纹，步进马达转动时会驱动对焦镜组沿着导向杆前后移动。此种技术方案能较好地进行变焦与调焦，但是也存在一些问题。问题1：步进马达运行速度慢，跟不上快速移动的目标物体。问题2：导螺杆上的螺纹间距有误差，导致镜头群组定位不准确。问题3：步进马达容易失步，导致图像虚焦。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带音圈电机的摄像机来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。

为实现上述目的，本发明提供一种镜头驱动控制装置，所述镜头驱动控制装置包括：控制单元；位置检测单元和电机驱动器，

所述电机驱动器驱动与镜头群组传动连接的音圈电机，以调节镜头群组的位置；

所述位置检测单元检测镜头群组位置，并将检测的镜头群组位置反馈给所述控制单元，作为镜头群组检测位置；

所述控制单元接收及分析外部指令以确定镜头群组目标位置；并根据所述镜头群组目标位置和镜头群组检测位置控制所述电机驱动器。

优选地，所述外部指令为图像场同步指令，所述图像场同步指令与图像帧对应，且包括与所述图像帧对应的镜头群组目标位置或与镜头群组目标位置关联的信息。

优选地，所述位置检测单元包括光电编码器或磁电编码器，所述光电编码器或磁电编码器检测所述镜头群组的位置，或者所述音圈电机的位置，或者所述音圈电机与所述镜头群组之间的传动构件的位置和或位移。

优选地，所述控制单元为单片机，利用自带的计数器/定时器对所述光电编码器或磁电编码器的高频脉冲信号产生的波形进行计数。

优选地，所述控制单元在控制所述电机驱动器的同时，读取所述位置检测单元检测的镜头群组位置，并更新所述镜头群组当前位置。

优选地，所述控制单元执行帧外校正程序，

其中，所述控制单元在根据镜头群组目标位置计算出控制量(例如PWM占空比)后，对计算出的控制量进行修正，并基于修正后的控制量控制所述电机驱动器，

修正量根据当前镜头群组检测位置和前一镜头群组目标位置的差来确定。

优选地，在电机单步控制时间小于等于图像帧率时间的1/2的情况下，在本帧的图像帧率时间内执行帧内校正程序。

优选地，所述帧内校正程序包括：

S41：判断当前目标位置和当前镜头群组检测位置之差的绝对值是否小于第一设定阈值，如果是，结束；否则执行S42；

S42：判断当前帧剩余时间是否小于第二设定阈值，如果是，结束；否则执行S42；

S43：基于当前目标位置和当前镜头群组检测位置之差计算校正量，调整PWM占空比；

S44：基于调整后的PWM占空比控制所述电机驱动器，同时更新当前镜头群组检测位置，转到步骤S41。

优选地，在当前镜头群组目标位置与前一镜头群组目标位置不同的情况下，不执行帧外校正程序和帧内校正程序。

本发明还提供进一步提供一种镜头驱动装置，所述镜头驱动装置包括：镜头驱动控制装置和音圈电机，

其中，所述摄像机镜头驱动控制装置是如权利要求1-9中任一项所述的摄像机镜头驱动控制装置，所述摄像机镜头驱动控制装置的电机驱动器驱动所述音圈电机。

本发明还提供一种摄像机，所述摄像机带有与镜头群组传动连接的音圈电机，且包括如上所述的镜头驱动控制装置，所述镜头驱动控制装置的电机驱动器驱动所述音圈电机，所述音圈电机调整镜头群组的位置。

本发明的镜头驱动控制装置根据所述镜头群组目标位置和镜头群组检测位置控制所述电机驱动器，从而可以大大提高音圈电机的驱动精度，最终提高镜头群组的定位精度，以获得更好的成像效果。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的用于驱动音圈电机的摄像机镜头驱动装置的示意性结构图。

图2是场同步控制流程图。

图3是定位或位置检测流程图。

图4是整个驱动控制流程的示意图。

图5是帧内校正流程的示意图。

图6是帧外校正流程的示意图。

附图标记：

1	控制单元	4	音圈电机
				2	位置检测单元	5	控制命令接口
3	电机驱动器	6	镜头群组

具体实施方式

在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

音圈电机的工作原理是：通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流或电压成比例。基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧。本申请的发明人注意到：音圈电机具有高加速度、高速度、快速响应、平滑力特性等优良性能。相较于步进电机，具有更高的响应速度，且无需逐步运行，每一步的步长相同，而是可以一步直接运动到位。从而，如果将音圈电机应用于摄像机中用于调节镜头群组的位置，能够大大提高调节的响应速度，从而改善聚焦、调焦等装置的响应速度，最终提高成像性能。

需要指出的是，镜头群组在包括透镜外，还可以包括光阑。这样，镜头群组的位置，除了各透镜的位置之外，还可以包括光阑的位置，甚至包括光阑的孔径大小。当然，也可以仅仅控制个透镜的位置，而不控制光阑的位置或孔径大小。

为此，本发明的实施例提供一种镜头驱动控制装置，用于对驱动摄像机镜头群组的音圈电机进行良好的控制，以适应摄像机的要求。

参见图1，根据本发明实施例的镜头驱动控制装置包括控制单元1；位置检测单元2和电机驱动器3。根据需要，还可以包括控制命令接口5、供电电路等***辅助电路，以及还可以包括壳体等支撑、保护结构。

电机驱动器3驱动与镜头群组6传动连接的音圈电机4，以调节镜头群组6的位置。其中，音圈电机4与镜头群组6传动连接，并驱动镜头群组6运动。电机驱动器3可以采用任何适当的规格与形式，只要能够通过电流、电压等形式来控制音圈电机4即可。例如，在一个实施例中，电机驱动器3通过PWM形式来控制对音圈电机4的电源电压控制，来控制音圈电机的输出。在另一实施例中，电机驱动器3通过控制对音圈电机4供应的电流大小，来控制音圈电机的输出。

例如，电机驱动器3可以采用电机驱动芯片，通过获取的控制指令来对音圈电机5进行供电电压或电流控制。例如，通过获取的控制指令，来对音圈电机施加一定占空比的PWM电压，以及一定数量的脉冲(PWM电压周期)。从而控制音圈电机运动设定的行程(转动角度)。

位置检测单元2检测镜头群组6位置，并将检测的镜头群组位置反馈给控制单元1，作为镜头群组检测位置。通常，镜头群组检测位置存储在控制单元1自身带的寄存器、存储器等具有存储功能的器件内，可以存储在控制单元方便存取的存储器件内。

位置检测单元2用于确定镜头群组6的实际位置，以用作反馈量，以提高位置控制精度。更具体地，是以目标位置和实际位置(测量位置)之间的差作为反馈量。可以理解的是，由于音圈电机4、镜头群组6传动连接，从而，位置检测单元2实际上可以采集音圈电机4输出轴的位置、镜头群组6中各透镜或透镜组的位置、或者两者之间传动件的位置。具体采用的位置检测方式可以采用光编方式(光编码器，也称为光电编码器)、磁编方式(磁编码器，也称为磁电编码器)，或者可以采用任何形式的位置或位移传感装置或器件，只要能够检测并反馈镜头群组6的位置即可。

在一个备选实施例中，位置检测单元2包括光电编码器或磁电编码器，所述光电编码器或磁电编码器检测所述镜头群组6的位置，或者所述音圈电机4的位置，或者所述音圈电机4与所述镜头群组6之间的传动构件的位置和或位移。

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是应用最多的传感器。一般的光电编码器主要由光栅盘和光电探测装置组成。例如，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转.经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的2个通道的光码输出，根据双通道光码的状态变化确定电机的转向。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式3种。

增量式编码器优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

绝对编码器是直接输出数字量的传感器。可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失。

混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。

本发明优选采用绝对编码器或混合式绝对值编码器。

控制单元1接收及分析外部指令。用于获取或确定镜头群组目标位置。此外，控制单元1根据所述镜头群组目标位置和镜头群组检测位置控制所述电机驱动器3。控制单元1可以采用任何适当的电路结构。例如，可以是单片机***，也可以是微处理器芯片。

控制单元1通过控制指令接口5接收外部指令。外部指令是指来自整个摄像机镜头驱动装置之外的指令。例如，外部指令是来自摄像机主控芯片的指令。控制指令接口5可以集成在控制单元1内，也可以设置在控制单元1之外，作为控制单元1的***电路之一。

控制单元1对外部指令进行分析得出相应的控制电压参数和/或控制电流参数，并将所述控制电压参数和/或控制电流参数输出至电机驱动器3，或者基于所述控制电压参数和/或控制电流参数来控制电机驱动器3。可以立即的是，通常还有匹配的时间参数。对于音圈电机而言，时间参数通常是恒定的，也就是说，对于不同的运动距离，都设置相同的时间参数(设定电压或设定电流的保持时间)，以将音圈电机内的磁体驱动到所需位置。

例如，控制电压参数和/或控制电流参数对应不同的PWM占空比(是一个数值，例如可以采用百分比的形式)，时间参数对应固定的时间(例如几个毫秒)。也就是说，控制单元1计算出PWM的占空比，并调用预设的时间参数。由此，控制单元1对电机驱动器3进行控制。

在控制单元1为单片机的情况下，控制单元1本身的定时器驱动电机驱动器。所述电机驱动器3对音圈电机4施加所述占空比的PWM电压，以及施加设定的时间参数(即设定数量的PWM脉冲周期或脉冲数)。

控制单元1对位置检测单元2进行读取，例如对磁电编码器或光电编码器的信号进行识别。通过控制单元1(例如单片机)本身的计数器/定时器对位置检测单元2高频脉冲信号产生的波形进行计数。以获取位置检测单元2检测的位置。

外部控制指令是指来自控制器之外的控制指令。例如是摄像机主板发来的命令。通常，对于每一帧图像对应有一个控制指令。该控制指令例如包括镜头群组的目标位置，或者与所述目标位置相对应的焦距信息、光圈信息等。

优选地，所述外部指令为图像场同步指令，所述图像场同步指令与图像帧对应，且包括与所述图像帧对应的镜头群组目标位置或与镜头群组目标位置关联的信息。

优选地，所述控制单元1为单片机，利用自带的计数器/定时器对所述光电编码器或磁电编码器的高频脉冲信号产生的波形进行计数。

优选地，所述控制单元1在控制所述电机驱动器3的同时，读取所述位置检测单元2检测的镜头群组位置，并更新所述控制单元1存储的镜头群组当前位置。

为了提高定位精度，本发明的镜头驱动控制装置执行位置校正。镜头校正控制流程有如下两种情况：第一种情况：单步电机控制时间小于图像帧率时间时，在累计不超出帧率时间的前提下，本帧内进行修正镜头群组位置校正。第二种情况：单步电机控制时间大于等于图像帧率时间时，在下一帧进行修正镜头群组位置校正。

帧率(Frame rate)在本发明中是用于测量或表述单位时间拍摄帧数的量度，测量单位为每秒拍摄帧数(Frames per Second，简称：FPS)或“赫兹”(Hz)。例如，一般摄像机每秒25帧或者50帧，或者30帧和60帧。

具体地，本发明的位置校正包括帧外校正程序和帧内校正程序。帧外校正程序是指利用在上一帧图像的帧率时间内获取的检测位置来修正控制量，例如修正PWM占空比。换句话说，在一帧图像的帧率时间T1内获取的目标位置P1，以及读取位置检测单元获取的检测位置(实际位置)p1，将在下一帧图像的帧率时间T2内进行比较(P1-p1)。比较的结果(P1-p1)，用于在用于下一帧图像的帧率时间T2内，修正针对帧率时间T2内获取的目标位置P2的控制量进行校正。

帧率时间是指一个时间段，具有起始时刻与结束时刻。例如，假设摄像机的拍摄速度为每秒50帧，则帧率时间的时长为1/50秒(20毫秒)。具体的起始时刻与结束时刻根据***的具体运行情况确定。

帧内校正程序是指利用在本帧图像的帧率时间内获取的检测位置来修正控制量，例如修正PWM占空比。通常，帧内校正是在帧外校正的基础上进行的。也就是说，在进行帧外校正(目标位置不变，检测位置更新)后，比较当前目标位置与更新后的检测位置，如果存在差异，或者差异的量超过设定值，则进一步在剩余的帧内时间内进行修正，再次执行位置校正，直到剩余的帧内时间不足以再进行一次校正，或者位置已经校正到位。

在帧外校正程序中，所述控制单元1在根据当前帧的镜头群组目标位置计算出控制量(PWM占空比)后，对计算出的PWM占空比进行修正，并基于修正后的PWM占空比控制所述电机驱动器3同时读取并更新当前检测位置，

修正量根据当前镜头群组检测位置和前一镜头群组目标位置的差来确定。

在电机单步控制时间小于等于图像帧率时间的1/2的情况下，在本帧的图像帧率时间内执行帧内校正程序。也就是说，如果电机单步控制时间小于等于图像帧率时间的1/2，则启动帧内校正程序，否则不启动帧内校正程序。在执行帧内校正时，也是同时对电机驱动器发出驱动指令，以及同时读取位置检测单元，更新检测位置。

如图所示，帧内校正程序包括：

S41：判断当前目标位置和当前镜头群组检测位置之差的绝对值是否小于第一设定阈值，如果是，结束；否则执行S42；

S42：判断当前帧剩余时间是否小于第二设定阈值，如果是，结束；否则执行S42；

S43：基于当前目标位置和当前镜头群组检测位置之差计算校正量，调整PWM占空比S44：基于调整后的PWM占空比控制所述电机驱动器3，同时更新当前镜头群组检测位置，转到步骤S41。

为了减少计算量，提高响应速度，优选地，在当前镜头群组目标位置与前一镜头群组目标位置不同的情况下，不执行帧外校正程序和帧内校正程序。此种方式并不会实质性降低成像性能，但是可以大大减少计算量，并提高响应速度。

本发明的镜头驱动控制装置根据所述镜头群组目标位置和镜头群组检测位置控制所述电机驱动器，从而可以大大提高音圈电机的驱动精度，最终提高镜头群组的定位精度，以获得更好的成像效果。

本发明的镜头驱动控制装置可以对市场上的几乎全部的音圈电机应用于摄像机控制，具有适用面宽的特点。。在定位精度方面，也可以获得很高的定位精度。采用本发明的镜头驱动控制装置，可使定位精度大幅度提高，可达0.1度，对应镜头群组位移1μm。

而且，控制算法极其简单，无需知道音圈电机的控制模型，和定位***的传递方式，避免了电机运行过程中异常问题的出现。且仍有定位精度高的特点。此外，电路结构简单紧凑，由于采用了CPU，可使各类控制参数根据实际需要进行相应的调整。

本发明的实施例还提供进一步提供一种镜头驱动装置，所述镜头驱动装置包括：镜头驱动控制装置和音圈电机4。其中，所述摄像机镜头驱动控制装置是如上所述的摄像机镜头驱动控制装置，所述摄像机镜头驱动控制装置的电机驱动器3驱动所述音圈电机4。

本发明的实施例还提供一种摄像机，所述摄像机带有与镜头群组传动连接的音圈电机，且包括如上所述的镜头驱动控制装置，所述镜头驱动控制装置的电机驱动器3驱动所述音圈电机4，所述音圈电机4调整镜头群组6的位置。

单步控制时间即电机单步控制时间，是指进行一次位置驱动所需的时间(同时进行位置读取，位置读取时间通常大大短于驱动时间)。电机单步控制时间通常包括控制单元计算用的时间，发送指令给电机控制器用的时间，以及维持设定PWM脉冲数占用的时间。

如图2所示，场同步控制流程(相当于电机单步控制)是指在接收到场同步信号(或者驱动控制信号)后同时做如下操作。

S21：控制单元1根据目标位置，以计算的控制量，或者修正后的控制量控制电机驱动器3。

S22：控制单元1读取位置位置检测单元2，更新当前镜头群组实际位置(检测位置)。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种镜头驱动控制装置，其特征在于，包括：控制单元(1)；位置检测单元(2)和电机驱动器(3)，

所述电机驱动器(3)驱动与镜头群组(6)传动连接的音圈电机(4)，以调节镜头群组(6)的位置；

所述位置检测单元(2)检测镜头群组(6)位置，并将检测的镜头群组位置反馈给所述控制单元，作为镜头群组检测位置；

所述控制单元(1)接收及分析外部指令以确定镜头群组目标位置；并根据所述镜头群组目标位置和镜头群组检测位置控制所述电机驱动器(3)。

2.如权利要求1所述的镜头驱动控制装置，其特征在于，所述外部指令为图像场同步指令，所述图像场同步指令与图像帧对应，且包括与所述图像帧对应的镜头群组目标位置或与镜头群组目标位置关联的信息。

3.如权利要求1所述的镜头驱动控制装置，其特征在于，所述位置检测单元(2)包括光电编码器或磁电编码器，所述光电编码器或磁电编码器检测所述镜头群组(6)的位置，或者所述音圈电机(4)的位置，或者所述音圈电机(4)与所述镜头群组(6)之间的传动构件的位置和或位移。

4.如权利要求3所述的摄像机镜头驱动控制装置，其特征在于，所述控制单元(1)为单片机，利用自带的计数器/定时器对所述光电编码器或磁电编码器的高频脉冲信号产生的波形进行计数。

5.如权利要求1所述的镜头驱动控制装置，其特征在于，所述控制单元(1)在控制所述电机驱动器(3)的同时，读取所述位置检测单元(2)检测的镜头群组位置，并更新所述镜头群组当前位置。

6.如权利要求1所述的镜头驱动控制装置，其特征在于，所述控制单元(1)执行帧外校正程序，

其中，所述控制单元(1)在根据当前帧的镜头群组目标位置计算出控制量后，对计算出的控制量进行修正，并基于修正后的控制量控制所述电机驱动器(3)，

修正量根据当前镜头群组检测位置和前一镜头群组目标位置的差来确定。

7.如权利要求1所述的镜头驱动控制装置，其特征在于，在电机单步控制时间小于等于图像帧率时间的1/2的情况下，在本帧的图像帧率时间内执行帧内校正程序。

8.如权利要求7所述的镜头驱动控制装置，其特征在于，所述帧内校正程序包括：

S41：判断目标位置和当前镜头群组检测位置之差的绝对值是否小于第一设定阈值，如果是，结束；否则执行S42；

S42：判断当前帧剩余时间是否小于第二设定阈值，如果是，结束；否则执行S42；

S43：基于当前目标位置和当前镜头群组检测位置之差计算校正量，调整PWM占空比；

S44：基于调整后的PWM占空比控制所述电机驱动器(3)，同时更新当前镜头群组检测位置，转到步骤S41。

9.如权利要求6-8中任一项所述的镜头驱动控制装置，其特征在于，在当前镜头群组目标位置与前一镜头群组目标位置不同的情况下，不执行帧外校正程序和帧内校正程序。

10.一种镜头驱动装置，其特征在于，包括：镜头驱动控制装置和音圈电机(4)，

其中，所述摄像机镜头驱动控制装置是如权利要求1-9中任一项所述的摄像机镜头驱动控制装置，所述摄像机镜头驱动控制装置的电机驱动器(3)驱动所述音圈电机(4)。

11.一种摄像机，所述摄像机带有与镜头群组传动连接的音圈电机，其特征在于，包括：如权利要求1-9中任一项所述的镜头驱动控制装置，所述镜头驱动控制装置的电机驱动器(3)驱动所述音圈电机(4)，所述音圈电机(4)调整镜头群组(6)的位置。

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