??? 摘 要：采用圖像識別以及目標(biāo)快速跟蹤算法，實現(xiàn)對飛行中火箭的實時跟蹤，使用高性能MSP430、CPLD芯片實現(xiàn)傳統(tǒng)的只有通過多單片機(jī)才能實現(xiàn)云臺" title="云臺">云臺在水平垂直方向的同時獨立運動" title="獨立運動">獨立運動，消除了多單片機(jī)通信過程的時間消耗所造成的步進(jìn)電機(jī)" title="步進(jìn)電機(jī)">步進(jìn)電機(jī)控制失效因素，解決了單片CPLD實現(xiàn)內(nèi)部資源短缺的問題，并結(jié)合實際實現(xiàn)系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了火箭目標(biāo)跟蹤的快速性、安全性和精確性。
??? 關(guān)鍵詞: 火箭? MSP430? CPLD? 云臺
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??? 從火箭發(fā)射到起飛后的一段時間內(nèi)，由于受地形等因素的影響，外測系統(tǒng)（雷達(dá)、光學(xué)等設(shè)備）常常難以正常跟蹤火箭。尤其在發(fā)射失敗時，外測系統(tǒng)很難捕獲到目標(biāo)，致使指揮人員無法得到火箭飛行數(shù)據(jù)，并作出正確的判斷和指揮[1]。這樣在火箭起飛的初始階段，采用攝像機(jī)的自動跟蹤就顯得非常重要。但目前的方式仍是操作人員手動控制攝像機(jī)進(jìn)行跟蹤，其安全性和可靠性都存在較大的問題。同時，也無法實現(xiàn)幾臺攝像機(jī)在多角度多方位進(jìn)行跟蹤。
??? 隨著微電子技術(shù)與工藝的發(fā)展，高性能單片機(jī)不斷推陳出新，可編程邏輯器件也取得了長足發(fā)展[2]。高速運行并更好地實現(xiàn)硬件控制算法，縮小通信時耗，提高快速性，這在目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤的安全性與精確性是非常重要的。
1 目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的整體設(shè)計
??? 系統(tǒng)由攝像機(jī)、圖像監(jiān)視系統(tǒng)、圖像處理模塊" title="處理模塊">處理模塊、MSP430+CPLD控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成。其中，圖像處理模塊、MSP430+CPLD控制系統(tǒng)實現(xiàn)和系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。系統(tǒng)框架如圖1所示。
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??? 火箭圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過攝像機(jī)采集后，送圖像處理模塊進(jìn)行處理，產(chǎn)生目標(biāo)偏差信號，偏差信號經(jīng)控制驅(qū)動電路產(chǎn)生控制信號，控制機(jī)械系統(tǒng)帶動云臺上的攝像機(jī)運動將目標(biāo)回到視野，使火箭目標(biāo)圖像始終保持在監(jiān)視顯示區(qū)域的中心位置附近，從而實現(xiàn)火箭連續(xù)視頻運動圖像的跟蹤。若控制器脫離控制范圍可通過人工方式進(jìn)行控制。
2 運動火箭圖像處理模塊
??? 火箭的圖像處理在PC機(jī)中完成。系統(tǒng)采用幀差算法與模板匹配算法相結(jié)合的方法實現(xiàn)目標(biāo)火箭的檢測與鎖定，在跟蹤目標(biāo)背景簡單的情況下使用幀差方法，在背景復(fù)雜的情況下使用模板匹配方法，并在目標(biāo)跟蹤失效時，使用卡爾曼濾波器對目標(biāo)位置進(jìn)行預(yù)測。
2.1 數(shù)字化圖像預(yù)處理
??? 攝像機(jī)拍攝到的火箭圖像要經(jīng)過采樣量化得到數(shù)字化圖像，然后對灰度圖像進(jìn)行降噪，消除圖像在輸入、傳送、處理過程中形成的干擾噪聲和假輪廓，形成具體算法的輸入圖像。
??? 圖像的灰度化和中值濾波可以很好地進(jìn)行降噪和保護(hù)圖像所蘊含的豐富信息[1]。
2.2 運動火箭目標(biāo)檢測與跟蹤
??? 要在視頻流中提取目標(biāo)，一般要依據(jù)目標(biāo)前景所處的背景環(huán)境確定目標(biāo)所在的區(qū)域和顏色等特征?？梢允褂卯?dāng)前監(jiān)視環(huán)境中的一幅靜態(tài)圖像作為“靜態(tài)”前景目標(biāo)，然后利用背景圖像與當(dāng)前幀圖像的差進(jìn)行運動火箭目標(biāo)的檢測，即采用“靜態(tài)”背景幀差方法[3-4]。不過此種幀差算法一般只適用于背景單一、所受干擾較小的環(huán)境。
??? 在火箭發(fā)射開始時，由于日光、火箭噴發(fā)的氣體、火花以及發(fā)射架影響使得背景復(fù)雜，使用幀差分算法很難把背景與目標(biāo)分離開來。這時，模板匹配算法可以較好地實現(xiàn)目標(biāo)的識別功能[5-6]。在實現(xiàn)過程中，通過灰度直方圖來判斷當(dāng)前背景的復(fù)雜程度，進(jìn)而確定采用幀差算法還是模板匹配算法。
??? 當(dāng)火箭開始升空，目標(biāo)背景變得單一，外界干擾也小，系統(tǒng)通過灰度直方圖判斷背景為簡單，同時火箭飛行速度也開始加快，正好適用幀差算法，從而代替計算量大的模板匹配的方法。
??? 當(dāng)火箭上升到一定高度，火箭速度加快和受到外界云層的遮擋，可能導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)失效，此時利用卡爾曼濾波器的遞推估計能力對火箭目標(biāo)在下一時刻可能處于的區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，以縮小搜索的目標(biāo)范圍，從而保證目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確性[4，7]。實踐中，此法滿足了跟蹤的實時性，同時具有很好的魯棒性，解決了圖像受污染或者遮擋導(dǎo)致無法識別的問題。
3 MSP430+CPLD控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 控制方案優(yōu)點
??? 系統(tǒng)控制方案：使用MSP430處理器作為主控芯片，負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行通信并實現(xiàn)對CPLD的控制。利用CPLD內(nèi)部進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行特性實現(xiàn)多路驅(qū)動脈沖的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)云臺水平和垂直方向同時不相關(guān)獨立運動。該控制方案，一方面消除了通過多片單片機(jī)進(jìn)行多機(jī)通信才能實現(xiàn)過程中的通信時間消耗帶來的步進(jìn)電機(jī)失步的因素，另一方面解決了通過單片CPLD芯片實現(xiàn)過程中與PC機(jī)通信及實現(xiàn)控制消耗過多內(nèi)部資源且不易實現(xiàn)控制、導(dǎo)致沒有足夠資源實現(xiàn)多路驅(qū)動脈沖產(chǎn)生的問題。
3.2 控制方案實現(xiàn)
??? 在PC機(jī)上完成圖像數(shù)據(jù)的處理后，PC機(jī)就要與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，發(fā)送偏差控制數(shù)據(jù)。通過MAX1487實現(xiàn)MSP430與PC機(jī)之間的串行RS485通信[5]，然后MSP430根據(jù)接收到的控制信息，控制CPLD芯片實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制。控制系統(tǒng)流程如圖2所示。
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??? MSP430接收到偏差控制信息，經(jīng)過校驗無誤后，根據(jù)信息控制CPLD產(chǎn)生具體的驅(qū)動控制信號。系統(tǒng)要完成云臺攝像機(jī)水平和垂直方面的獨立運動。其中控制信息格式如圖3所示。
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??? 此信息格式分為兩部分：步進(jìn)電機(jī)1＃與步進(jìn)電機(jī)2＃，分別用于控制云臺系統(tǒng)兩臺步進(jìn)電機(jī)，達(dá)到兩電機(jī)同時不相關(guān)地獨立運動。
??? 另外加入了人為控制機(jī)制，以便及時處理跟蹤中的異常情況，同時也方便調(diào)試。
3.3 步進(jìn)電機(jī)定位控制
??? CPLD根據(jù)MSP430的控制信號（包括方向控制信號和移動定位控制信息），產(chǎn)生所需脈沖的數(shù)量和脈沖的頻率。脈沖的數(shù)量用于控制步進(jìn)電機(jī)運行步數(shù)，即攝像頭的位置偏差，而脈沖的頻率則用于實現(xiàn)跟蹤圖像的速度選擇。
??? 在軟件上，CPLD基于VHDL語言編程，程序中可以實現(xiàn)不同進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行。由此可知，只需要編寫多路能夠?qū)崿F(xiàn)單個步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向與移動定位的控制進(jìn)程，便可實現(xiàn)云臺的多角度獨立控制[8]。單路進(jìn)程定位控制如圖4所示。
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4 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能分析與實現(xiàn)
??? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架主要由底座、攝像機(jī)固定架、機(jī)械架構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)以及限位控制機(jī)構(gòu)等部分組成。
4.1 減速機(jī)減速比的計算
??? 攝攝像機(jī)固定架如圖5所示。假定像機(jī)質(zhì)量為m，重心在M，Cg的距離為r=(h2+l2)1/2，則轉(zhuǎn)過a角后的力矩為：
M=Grsina=mg(h2+l2)1/2sina，所以力矩最大值Mmax為mg(h2+l2)1/2，如果m=40kg，g=9.8m/s2，h=0.2m，l=0.4m，Mmax=179牛米，則變速比為179/2.4＝79(實際中取80)。
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4.2 物像跟蹤能力計算
??? 目標(biāo)鎖定圖如圖6所示。假定計算機(jī)計算誤差的速度為t0秒/次；圖像鎖定范圍RL為RLW×RLH像素；圖像模板計算范圍RC為RCW×RCH像素。只討論垂直方向的跟蹤能力。
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??? 對于一個高為H的物體O，如要能跟蹤且便于觀察，則其最佳位置如圖6所示。若物體被鎖定，且被跟蹤。物體在計算誤差的速度容許的前提下，物體始終處于如圖6所示位置，則系統(tǒng)能夠滿足“物體被鎖定，且被跟蹤”的要求,即有如下條件成立：
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??? 對于云臺而言，由圖7可知，其垂直方向旋轉(zhuǎn)角速度ω0應(yīng)滿足如下條件:
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??? 要注意,攝像機(jī)的運動范圍一般都是已知的，由此一般要在云臺中加入限位控制裝置。
??? 本文結(jié)合火箭飛行過程中目標(biāo)識別跟蹤算法，并通過MSP430+CPLD控制步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)了云臺控制系統(tǒng)和連續(xù)視頻運動圖像中火箭目標(biāo)的實時跟蹤，并取得了良好的效果。
參考文獻(xiàn)
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