專利名稱：機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自主跟蹤系統(tǒng)的圖像穩(wěn)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種目標(biāo)自主跟蹤系統(tǒng)的圖像穩(wěn)定方法，特別是一種基于類人眼復(fù)合運(yùn)動(dòng)的機(jī)載云臺(tái)目標(biāo)自主跟蹤系統(tǒng)的圖像穩(wěn)定方法。
背景技術(shù)：
對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的自主跟蹤是視覺監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在一些具體的監(jiān)控系統(tǒng)中，攝像機(jī)往往裝在一些小型無人飛行器上，通過有效控制小型無人飛行器的姿態(tài)信息和機(jī)載云臺(tái)，使被跟蹤的地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)始終保持在圖像中心位置，并將圖像傳回地面指揮中心，輔助監(jiān)控人員對(duì)可疑目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)視，擴(kuò)大監(jiān)控的范圍，減輕監(jiān)控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度， 增強(qiáng)了監(jiān)控的可靠性，具有廣泛的軍用與民用價(jià)值。目前的基于視覺的監(jiān)控系統(tǒng)主要集中在一些公共場(chǎng)所、重要部門等，監(jiān)控?cái)z像頭通常都是固定安裝的，監(jiān)控的場(chǎng)景范圍比較有限，通過監(jiān)控人員操作攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)跟蹤可疑目標(biāo)，基本上沒有識(shí)別和自動(dòng)跟蹤的功能，屬于被動(dòng)監(jiān)視。為了擴(kuò)大監(jiān)控范圍，常采用多攝像頭監(jiān)控，相鄰攝像頭的監(jiān)控范圍部分重疊，場(chǎng)景固定，攝像頭不能對(duì)可疑運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)視，而且此種方法成本較高。因此，許多研究機(jī)構(gòu)將攝像機(jī)安裝在機(jī)載轉(zhuǎn)動(dòng)伺服云臺(tái)上。在控制機(jī)載云臺(tái)的過程中，云臺(tái)的調(diào)節(jié)主要集中在圖像處理方面，通過圖像處理，提取圖像特征檢測(cè)目標(biāo)并進(jìn)行匹配等獲取目標(biāo)偏差位置，從而使目標(biāo)處于攝像機(jī)的圖像中心位置。但是，在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自主跟蹤系統(tǒng)中，由于復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境、目標(biāo)位置的動(dòng)態(tài)變化、小型無人飛行器姿態(tài)變化以及機(jī)體振動(dòng)等影響，因此對(duì)單純通過圖像處理方法來調(diào)節(jié)伺服云臺(tái)，補(bǔ)償范圍小，圖像穩(wěn)定性差，在跟蹤過程中容易出現(xiàn)目標(biāo)丟失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種新的基于類人眼復(fù)合運(yùn)動(dòng)的機(jī)載云臺(tái)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的圖像穩(wěn)定方法，用于提高無人機(jī)機(jī)載視頻系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤性能。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是人眼具有很多特殊功能，這是因?yàn)槿搜垩矍蛟谀X認(rèn)知學(xué)習(xí)以及眼球運(yùn)動(dòng)神經(jīng)回路的控制下，可以實(shí)現(xiàn)眼球的多種運(yùn)動(dòng)，例如前庭動(dòng)眼反射、視動(dòng)反射、急動(dòng)，平滑追蹤運(yùn)動(dòng)等。然而在大多數(shù)情況下，人眼獲得外界信息不是一種運(yùn)動(dòng)完成的，例如人類在顛簸的環(huán)境中仍能實(shí)時(shí)注視或跟蹤運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，這是由于人眼的前庭動(dòng)眼反射以及平滑跟蹤運(yùn)動(dòng)所組成復(fù)合運(yùn)動(dòng)。類人眼的前庭動(dòng)眼反射與平滑追蹤融合復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如附

圖1所示，已被生理學(xué)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。在這個(gè)系統(tǒng)中，無人飛行器相當(dāng)于人的頭部，機(jī)載傳感器相當(dāng)于人的前庭器官，機(jī)載攝像機(jī)相當(dāng)于眼球，機(jī)載云臺(tái)相當(dāng)于眼球外部的六條眼肌，通過圖像采集卡獲得偏差信息類似于人眼視網(wǎng)膜的滑動(dòng)誤差。機(jī)載云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用類人眼的前庭動(dòng)眼反射和平滑追蹤運(yùn)動(dòng)融合的復(fù)合運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模型，使得當(dāng)跟蹤目標(biāo)的位置發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，盡管受到無人機(jī)機(jī)體振動(dòng)以及姿態(tài)變化的影響，仍能使跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)處于圖像位置的中心區(qū)域。
根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自主跟蹤系統(tǒng)的圖像穩(wěn)定方法，其特征在于采用人眼的前庭動(dòng)眼反射與平滑追蹤融合的眼球復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，以獲得在顛簸環(huán)境下機(jī)載云臺(tái)在跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)中的圖像信息穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)的操作步驟如下
1)選定跟蹤目標(biāo)監(jiān)控人員通過控制小型無人飛行器與機(jī)載云臺(tái)，選定需跟蹤的可疑目標(biāo)；
2)傳感器測(cè)量姿態(tài)傳感器測(cè)量小型無人飛行器的姿態(tài)位置，視覺傳感器(攝像機(jī))通過圖像采集卡獲得跟蹤目標(biāo)信息；
3)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)傳感器(姿態(tài)與視覺)得到的連續(xù)模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量采樣信號(hào)；
4)數(shù)字濾波對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑加工，增強(qiáng)有效信號(hào)，消除或減少噪聲；
5)標(biāo)度轉(zhuǎn)換分別對(duì)視頻傳感器和姿態(tài)傳感器進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定與轉(zhuǎn)換；
6)信息融合對(duì)采集到目標(biāo)圖像偏差信息與無人飛行器姿態(tài)信息以及機(jī)載云臺(tái)姿態(tài)信息根據(jù)建立的眼球復(fù)合運(yùn)動(dòng)的輸入關(guān)系，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理，從而獲得跟蹤目標(biāo)與攝像機(jī)視軸的相對(duì)偏差；
7)系統(tǒng)控制運(yùn)算獲得的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)值通過處理器的控制算法，得到機(jī)載云臺(tái)補(bǔ)償偏差所需旋轉(zhuǎn)的速度和方向；
8)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)將得到的攝像機(jī)云臺(tái)所需旋轉(zhuǎn)的速度和方向，發(fā)送給機(jī)載云臺(tái)的電機(jī)，控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)；
9)監(jiān)控人工干預(yù)地面工作站監(jiān)控人員如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)丟失，重復(fù)步驟1)到步驟9)循環(huán)，如果目標(biāo)跟蹤處于圖像監(jiān)控中，按正常的步驟。上述的控制運(yùn)算采用了人眼的前庭動(dòng)眼反射與平滑追蹤融合的復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如附圖1和圖2所示
圖中眼球半規(guī)管的傳遞函數(shù)表示為
權(quán)利要求
1.一種機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自主跟蹤系統(tǒng)的圖像穩(wěn)定方法，其特征在于將眼球的前庭動(dòng)眼反射和平滑追蹤運(yùn)動(dòng)融合一起，即為眼球的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并采用的基于這種類人眼的復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)機(jī)載云臺(tái)進(jìn)行控制，以達(dá)到無人飛行器在惡劣環(huán)境下，仍能穩(wěn)定平穩(wěn)的實(shí)時(shí)跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；其操作步驟如下1)選定跟蹤目標(biāo)監(jiān)控人員通過控制小型無人飛行器與機(jī)載云臺(tái)，選定所需跟蹤的可疑目標(biāo)；2)傳感器測(cè)量姿態(tài)傳感器測(cè)量小型無人飛行器的姿態(tài)位置，視覺傳感器一攝像機(jī)通過圖像采集卡獲得跟蹤目標(biāo)信息；3)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)傳感器(姿態(tài)與圖像)得到的連續(xù)模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量采樣信號(hào)；4)數(shù)字濾波對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑加工，增強(qiáng)有效信號(hào)，消除或減少噪聲；5)標(biāo)度轉(zhuǎn)換分別對(duì)視覺傳感器和姿態(tài)傳感器進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定與轉(zhuǎn)換；6)信息融合對(duì)采集到目標(biāo)圖像偏差信息與無人飛行器姿態(tài)信息以及機(jī)載云臺(tái)姿態(tài)信息根據(jù)建立的眼球復(fù)合運(yùn)動(dòng)的輸入關(guān)系，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理，從而獲得跟蹤目標(biāo)與攝像機(jī)視軸的相對(duì)偏差；7)系統(tǒng)控制運(yùn)算獲得的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)值通過處理器的控制算法，得到補(bǔ)償偏差機(jī)載云臺(tái)所需旋轉(zhuǎn)的速度和方向；8)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)將得到的攝像機(jī)云臺(tái)所需旋轉(zhuǎn)的速度和方向，發(fā)送給機(jī)載云臺(tái)的電機(jī)，控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)；9)監(jiān)控人工干預(yù)地面工作站監(jiān)控人員如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)丟失，重復(fù)步驟1)到步驟9)循環(huán)，如果目標(biāo)跟蹤處于圖像監(jiān)控中，按正常的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自主跟蹤系統(tǒng)的圖像穩(wěn)定方法，其特征在于所述步驟7)中的控制算法，所采用的算法模型如下其中模型的輸出[五O)]是視軸轉(zhuǎn)角，模型的輸入[ITCf)]是頭部運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角， [T(S)]運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置；α n分別是神經(jīng)回路對(duì)頭部角速度信號(hào)、被跟蹤目標(biāo)的角位移和角速度的轉(zhuǎn)換增益，取值范圍0 丨T是半規(guī)管的時(shí)間常數(shù)，Tc =IBs ； 7；是眼球裝置的時(shí)間常數(shù)，T =0. 24s ； T是積分器的時(shí)間常數(shù)，g。是神經(jīng)直接通路的增益，在正常情況下，Tn =25s, gg =0. 24 ； Tq表示濾波器的時(shí)間常數(shù)，Tq =0. 2s ； |是重復(fù)誤差補(bǔ)償間隔時(shí)間，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)采集頻率可進(jìn)行調(diào)整，這里一般選用I =0. 012s ；釭和μ分別代表對(duì)視網(wǎng)膜滑動(dòng)位移和速度誤差重復(fù)補(bǔ)償?shù)臋?quán)值，k =2.5, μ =u
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于類人眼復(fù)合運(yùn)動(dòng)的機(jī)載云臺(tái)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自主跟蹤系統(tǒng)的圖像穩(wěn)定方法。它包括無人飛行器及其飛控系統(tǒng)、機(jī)載云臺(tái)攝像機(jī)、機(jī)載圖像處理單元和機(jī)載仿生控制微處理器。其步驟為姿態(tài)傳感器測(cè)量小型無人飛行器的姿態(tài)位置，并且視覺傳感器采集攝像機(jī)的目標(biāo)信息，兩者信息經(jīng)過相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波之后，根據(jù)建立的眼球復(fù)合運(yùn)動(dòng)的輸入關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算處理，獲得跟蹤目標(biāo)與攝像機(jī)視軸的相對(duì)偏差，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)度轉(zhuǎn)換，將處理好的信息作為機(jī)載云臺(tái)控制器的控制律，分別控制機(jī)載云臺(tái)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)眼球復(fù)合運(yùn)動(dòng)的特性。這種方法根據(jù)跟蹤的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置信息與無人飛行器的姿態(tài)信息，通過本發(fā)明上述步驟，可以對(duì)機(jī)載云臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)無人飛行器在顛簸環(huán)境中，對(duì)可疑的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行自主跟蹤，并能對(duì)跟蹤圖像具有一定的穩(wěn)定作用。
文檔編號(hào)H04N5/232GK102355574SQ201110312090
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者李恒宇, 李磊, 王濤, 羅均, 謝少榮 申請(qǐng)人:上海大學(xué)