一种基于远程监控的冷柜摄像头调节系统及方法与流程

本发明涉及冷柜远程监控中的摄像装置控制，具体是一种基于远程监控的冷柜摄像头调节系统及方法。

背景技术：

1、随着冷链物流与无人零售业态的快速发展，冷柜内部远程视频监控已成为商品库存管理、防盗监控及设备运行状态巡检的标配功能。现有冷柜监控摄像头通常安装于冷柜顶部或玻璃门内侧，配备两轴云台执行机构以实现水平方位角和垂直俯仰角的远程调节，同时配备独立的聚焦电机驱动内部透镜组移动以实现自动或半自动对焦。

2、在云台控制方面，现有技术普遍采用图像清晰度评价函数作为反馈信号，通过闭环控制方式驱动云台电机，直至画面清晰度满足预设阈值。在聚焦控制方面，现有技术普遍采用“爬山搜索法”或其改进型，即驱动聚焦电机沿正反两个方向试探性移动，比较各位置点的清晰度评价值，逐步逼近评价函数的极值点。此外，为避免步进电机长期运行后因齿轮间隙导致的位置漂移，部分现有系统在每次上电时执行一次云台归零操作，通过运行至物理限位开关来校准机械零点。

3、上述现有技术方案在常规室内监控场景下能够基本满足使用需求，但将其移植至冷柜这一特殊封闭场景时，暴露出以下缺陷：

4、其一，冷柜透明防护层内表面因低温与柜外温湿度的交互作用，附着有密集的冷凝水珠或冰晶微粒层。该介质层构成随机微透镜阵列。当云台角度变化时，光线穿过水珠微曲面的入射角随之改变，产生随角度非线性的额外光程偏移。然而现有云台控制方法仅依据图像清晰度进行反馈调节，忽略了该光程偏移对成像位置的实际影响，导致云台物理转动到位后，目标物体在cmos上的实际成像位置发生显著横向漂移。

5、其二，穿过冷凝水珠微透镜阵列后的成像光束发生波前畸变，导致清晰度评价函数曲线在有效焦深范围内呈现多个局部伪极大值。在此情况下，传统爬山搜索法无法区分真实焦面与伪峰，驱动聚焦电机在多个伪峰之间反复正反转试探，聚焦收敛时间长甚至无法收敛，同时聚焦电机频繁换向加剧了传动副的磨损。

6、其三，云台电机频繁正反转导致蜗轮蜗杆传动副啮合间隙累积，编码器读数与真实机械角度偏差持续增大；云台角度的漂移直接改变了光线入射角条件，使已标定的光程偏移量-角度对应关系整体失效。云台误差与聚焦误差通过光学路径产生交叉耦合放大，而现有系统仅在上电时执行一次硬归零，无法消除单次运行周期内因频繁换向导致的实时累积误差。

7、综上，现有技术将云台角度控制与焦距控制割裂处理的思路，在冷柜高湿低温远程操控场景下，因冷凝介质层的光学耦合作用，导致定位精度、聚焦速度和长期稳定性三项核心指标无法同时满足工程需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于远程监控的冷柜摄像头调节系统及方法，以解决现有技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于远程监控的冷柜摄像头调节方法，具体包括如下步骤：

3、在冷柜处于设定工况下，遍历云台执行机构的可转动角度区间，测量并记录各离散角度节点下，摄像头的成像光路穿过冷柜透明防护层表面附着介质时所产生的光程偏移量，将所述角度节点与对应的所述光程偏移量进行关联存储，构建第一补偿数据集；

4、响应于远程输入的云台目标角度指令，查询所述第一补偿数据集，获取与所述目标角度相对应的光程偏移量，并根据所述光程偏移量计算补偿偏转量；以所述目标角度与所述补偿偏转量的合成结果作为执行驱动角度，控制所述云台执行机构进行一次到位式转动；

5、在所述云台执行机构转动到位后，根据当前所述云台执行机构确定视场中心对应的目标深度值，依据所述目标深度值调取预设的物距-焦距映射关系，生成第一驱动位移量；控制云台驱动装置移动至与所述第一驱动位移量对应的目标聚焦位置；

6、在每次聚焦锁定指令完成或每次上电初始化时，控制所述云台驱动装置沿预设方向执行超额步进动作，随后反向退回等量步进，使传动机构内的啮合面保持单一方向贴合；同时执行硬归零操作，刷新所述预补偿数据集的绝对坐标基准零点。

7、进一步的，在冷柜内部实际温湿度工况下，如玻璃门制成的透明防护层表面附着的水珠或冰晶等冷凝介质对不同入射角光线的光程偏移量具有未知的分布特性；导致后续动态调节时无法建立精准的输入-输出映射模型；本步骤通过离线标定，将该物理扰动量化为确定性数据，为后续开环预补偿提供先验基准。

8、在冷柜处于设定工况下，遍历云台执行机构的可转动角度区间，测量并记录各离散角度节点下，摄像头的成像光路穿过冷柜透明防护层表面附着介质时所产生的光程偏移量，将所述角度节点与对应的所述光程偏移量进行关联存储，构建第一补偿数据集，具体为：

9、在冷柜达到设定的稳定工况且内部靶标物固定不动时，执行一次离线标定；

10、控制云台执行机构遍历其水平方位角与垂直俯仰角的全部机械行程范围，按固定采样步长分别取值，在每一个离散角度节点上，向所述靶标物投射一束机载近红外测距光斑，通过接收反射回波并计算发射-接收时间差，测量该角度下实际光线从摄像头前端透镜至靶标物的往返行程总时间，并与真空理论行程时间作差，得到该离散角度节点下的光程偏移量；

11、将该离散角度节点下对应的水平方位角、垂直俯仰角与所述光程偏移量作为一条三元组，写入非易失性存储器中的二维数据表，形成第一补偿数据集。

12、进一步的，响应于远程输入的云台目标角度指令，查询所述第一补偿数据集，获取与所述目标角度相对应的光程偏移量，并根据所述光程偏移量计算用于抵消光路折射偏差的补偿偏转量；以所述目标角度与所述补偿偏转量的合成结果作为执行驱动角度，控制所述云台执行机构进行一次到位式转动，具体为：

13、基于远程输入的云台目标角度，调用所述双线性插值模型，计算出所述云台目标角度对应的光程偏移量；

14、根据费马原理的差分近似，推算出为抵消当前视角下折射偏差所需的补偿偏转量；

15、不直接驱动至所述云台目标角度，而是计算合成执行驱动角度；控制脉宽调制驱动器以所述合成执行驱动角度为目标，以驱动云台执行机构一次连续转动到位。

16、在本发明的一个实施例中，记目标水平方位角为αx，目标垂直俯仰角为βy；目标水平方位角与目标垂直俯仰角共同组成云台目标角度(αtgt,βtgt)；

17、可得到光程偏移量相对目标水平方位角的偏导数为∂αδ(αx,βy)，相对目标垂直俯仰角的偏导数为∂βδ(αx,βy)；

18、需要注意的是，由于δ(αx,βy)在离散角度节点间为线性插值，其偏导数可通过邻近节点的差分精确计算；以目标水平方位角为例，若αx位于节点αi与αi+1之间，则：∂αδ(αx,βy)=(δi+1,j-δi,j)/δα；式中，δi+1,j表示在角度节点(αi+1,βj)处测量得到的光程偏移量；

19、可选的，当云台目标角度落于边界，则取单侧差分；同理，可得到光程偏移量相对目标垂直俯仰角的偏导数为∂βδ(αx,βy)；

20、根据几何光学中的光程扰动定理，机械补偿角与光程梯度成正比。

21、记水平补偿系数为kα，垂直补偿系数为kβ；则补偿偏转量(δα,δβ)表征为：

22、δα=-kα∙∂αδ(αx,βy)；δβ=-kβ∙∂βδ(αx,βy)；

23、计算水平执行驱动角度：αcmd=αx+δα；垂直执行驱动角度：βcmd=βy+δβ；

24、则合成执行驱动角度为(αcmd,βcmd)。

25、将合成执行驱动角度发送至云台执行机构的步进驱动细分器；若云台步进电机的步距角记为θstep，则水平方向需输出的脉冲数量标量pα为：

26、pα=round[(αcmd-αcur)/θstep]；式中，αcur表示当前水平方位角；round表示取整至最接近的整数脉冲；

27、同理可得到垂直方向需输出的脉冲数量标量pβ；

28、驱动云台执行机构按脉冲数pα和pβ直接驱动，实现一次到位。

29、其中，需要说明的是，水平补偿系数kα与垂直补偿系数kβ由摄像头镜头组的等效焦距和透明防护层厚度计算得出，均为出厂固定已知量，此处视为常数标量。

30、本步骤将云台控制从机械角度闭环调整为有效光学角度闭环，使得尽管机械角度闭环可能未达到目标角度，但光学上目标物体恰好位于视场中心。该开环一步到位法将云台响应时间进一步压缩，且消除了传统闭环调节中的超调与振荡。

31、进一步的，在所述云台执行机构转动到位后，根据当前所述云台执行机构的俯仰姿态确定视场中心对应的目标深度值，依据所述目标深度值调取预设的物距-焦距映射关系，生成聚焦透镜组的第一驱动位移量；控制驱动电机从当前聚焦位置沿单一方向移动至与所述第一驱动位移量对应的目标聚焦位置，并在抵达后执行单向截止锁定，即在移动方向上仅进行单向微调逼近或直接锁定，禁止向相反方向回退搜索，具体为：

32、在云台执行机构转动到位并完全静止后，读取当前云台的垂直俯仰角反馈值；

33、结合云台旋转中心到货架平面的垂向安装高度，基于三角函数计算当前光轴与货架平面的目标深度值；

34、根据高斯成像公式，预先在出厂时标定出物距-聚焦电机步数对应表；

35、根据计算出的目标深度值查表获得第一驱动位移量。

36、令聚焦电机从当前所在位置，沿预设方向推进至所述第一驱动位移量；到达后，在该位置处向前再多走一个微步，并比较走过该微步前后的图像高频能量值；若能量值上升，则继续向前微步推进；若能量值下降或不变，则立即执行聚焦锁定指令，禁止电机反向回退，将当前位置记为聚焦位置。

37、其中，所述预设方向统一设定为远离摄像头镜头方向，即聚焦步数递增方向。

38、本步骤通过三角测距取代了图像盲搜，将聚焦时间大幅压缩；强制单向运动彻底规避了齿轮反转间隙造成的非线性回差，同时杜绝了在多峰伪极值间徘徊的可能，极大地提高了聚焦的一次性成功率。

39、进一步的，在每次聚焦锁定指令完成或每次上电初始化时，控制所述驱动电机沿预设的固定方向执行超额步进动作，随后反向退回等量步进，使传动机构内的啮合面保持单一方向贴合；同时，周期性控制所述云台执行机构运行至物理限位开关执行硬归零操作，以刷新所述预补偿数据集的绝对坐标基准零点，具体为：

40、每次聚焦锁定指令完成之后、云台进入待机省电状态之前，控制所述驱动电机沿所述预设方向输出超越目标角度的额外脉冲串，其脉冲数为预先测定的传动齿轮组最大空程齿隙对应的脉冲数的两倍；随后立即控制该电机沿相反方向回退等量的脉冲数；

41、这一正一反的往返运动使齿轮组始终从同一侧靠紧啮合面，消除了两侧间隙。

42、在系统每次上电初始化时，控制云台执行机构先以低速向水平方向的正限位开关运转，触发电平跳变后，将该位置标定为0；再向垂直方向的负限位开关运转，触发电平跳变后，标定0；

43、标定位置记为新的物理零点，将存储的所述第一补偿数据集的坐标原点与新的物理零点重新对齐。

44、一种基于远程监控的冷柜摄像头调节系统，包括：

45、标定与存储模块，其输入端连接至摄像装置的测距单元，用于在冷柜处于设定工况下，遍历云台执行机构的可转动角度区间，测量并记录各离散角度节点下摄像头的成像光路穿过冷柜透明防护层表面附着介质时所产生的光程偏移量，将各所述角度节点与对应的所述光程偏移量关联存储为第一补偿数据集；

46、角度预补偿驱动模块，其输入端分别连接至所述标定与存储模块的输出端和远程指令接收端，用于响应于远程输入的目标角度指令，查询所述第一补偿数据集获取对应的光程偏移量，据此计算补偿偏转量，并以所述目标角度与所述补偿偏转量的合成结果作为执行驱动角度，驱动所述云台执行机构进行一次到位式转动，其控制输出端连接至所述云台驱动装置；

47、深度联动聚焦模块，其输入端连接至所述云台驱动装置的角度反馈输出端，用于在所述云台驱动装置转动到位后，根据当前俯仰角度反馈值计算目标深度值，并依据预设的物距-焦距映射关系生成聚焦透镜组的第一驱动位移量，驱动云台聚焦装置从当前位置沿单一方向移动至目标聚焦位置，并在抵达后执行单向截止锁定，其控制输出端连接至云台聚焦装置；

48、消隙与基准维护模块，其输入端连接至系统上电信号端和所述深度联动聚焦模块的锁定完成信号输出端，其控制输出端分别连接至云台聚焦装置和云台驱动装置，用于在每次聚焦锁定完成后控制所述云台聚焦装置沿预设固定方向执行超额步进动作后反向退回等量步进，使传动机构的啮合面保持单一方向贴合，并用于在系统上电时控制所述云台驱动装置运行至物理限位开关执行硬归零操作，以刷新所述预补偿数据集的绝对坐标基准零点。

49、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

50、1、本发明将冷凝介质层对不同入射角的复杂折射扰动转化为固定的二维查表物理先验；在响应远程目标角度指令时，不依赖实时图像反馈驱动云台趋近目标，而是反向计算出抵消光路折射偏差所需的补偿偏转量，直接驱动云台执行机构一步到位至预补偿后的合成机械角度；使云台在冷凝介质层任意厚度分布下均可实现有效光学角度的一次性精准到位，响应时间大幅缩短且不受冷凝水珠密度和分布形态变化的影响；

51、2、本发明根据云台当前俯仰角的物理反馈值，利用固定安装几何参数直接计算当前视场中心的目标深度值，并据此查表获得聚焦透镜组的理论位移量，其中，本发明规定聚焦电机仅沿单一方向推进至目标位置，并在抵达后执行单向截止锁定，该策略完全避开了冷凝介质层导致的多峰伪极值陷阱，使得聚焦收敛时间稳定在电机单次行程的毫秒级水平，且无任何往复振荡磨损；

52、3、本发明针对云台电机与聚焦电机分别设计了差异化的机械误差消除策略，对于聚焦电机，杜绝了因频繁单向推进后偶发回退需求造成的齿隙不确定问题；对于云台电机，使得云台角度漂移误差与聚焦丝杆间隙误差分别被钳制在各自的基准域内，二者不再通过光学路径产生交叉耦合放大，显著延长了免维护周期。