基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置及方法
2023-07-31 20:16:51
基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及基於目標跟蹤識別的測距技術，具體為一種基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置及方法。解決了目前對於動態目標進行測距時目標鎖定困難導致測量不夠準確的技術問題。一種基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置，包括一個光電智能感知平臺、圖像採集模塊以及中央處理器；所述光電智能感知平臺包括一個內設CPU的雲臺以及設置在雲臺上的雷射測距儀；所述圖像採集模塊也設置在雲臺上；所述雲臺、圖像採集模塊以及雷射測距儀的信號輸出端均與中央處理器的信號輸入端相連接；雲臺、圖像採集模塊及雷射測距儀的信號輸入端與中央處理器的信號輸出端相連接。本發明裝置及方法對目標的跟蹤與定位有效性強、實時性高。
【專利說明】基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基於目標跟蹤識別的測距技術，屬於自動控制【技術領域】，具體為一種基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置及方法。
【背景技術】
[0002]目前在測距【技術領域】，對於固定目標的測距已經非常成熟，但是對於動態目標的跟蹤以及測距仍是一個技術難點，具體表現在待測目標不能有效的、準確的鎖定，導致對目標的測距不能精確的完成；即使是鎖定後的目標，由於目標位置始終處於動態變化之中，後續的鎖定以及測距仍然不能夠精確的完成。
[0003]本發明就是在此背景下提出一種能夠實現對動態目標的距離準確測定的裝置以及方法。
【發明內容】
[0004]本發明為解決目前對於動態目標進行測距時目標鎖定困難導致測量不夠準確的技術問題，提供一種基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置及方法。
[0005]本發明所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置是採用以下技術方案實現的:一種基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置，包括一個光電智能感知平臺、圖像採集模塊以及中央處理器；所述光電智能感知平臺包括一個內設CPU的雲臺以及設置在雲臺上的雷射測距儀；所述圖像採集模塊也設置在雲臺上；所述雷射測距儀的雷射軸與圖像採集模塊的圖像軸平行；所述雲臺、圖像採集模塊以及雷射測距儀的信號輸出端均與中央處理器的信號輸入端相連接；雲臺、圖像採集模塊及雷射測距儀的信號輸入端與中央處理器的信號輸出端相連接。
[0006]雲臺內設有CPU，中央處理器可以向雲臺內設的CPU輸入相應的指令，以控制雲臺的轉動；雲臺的轉動有兩個自由度，其中水平可轉動0°?350° (即偏航角範圍)，垂直旋轉角度為+90° (即俯仰角)。圖像採集模塊可採用各種成像設備。雲臺為市場上能夠購買到的。
[0007]進一步的，所述圖像採集模塊包括紅外熱像儀以及顯示器；所述紅外熱像儀的信號輸出端與中央處理器的信號輸入端相連接；中央處理器的信號輸出端與顯不器的信號輸入端相連接。
[0008]紅外熱像儀可以實現夜晚、煙霧以及些許遮擋等特殊條件下的圖像信息採集。應用領域較廣。
[0009]本發明所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距方法是採用以下技術方案實現的:一種基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置進行測距的方法，包括以下步驟:(a)通過紅外熱像儀採集待測目標的圖像，使目標在顯示界面中的面積保持固定比例；中央處理器在相應軟體的支持下以顯示界面中心即由圖像採集模塊和雷射測距儀組成的光電系統的中心為原點，在顯示界面建立該時刻的坐標系XOY ；(b)設目標中心在此坐標系中的坐標為A[X(l，y0]，根據目標中心與原點的距離確定雲臺運動的俯仰角和偏航角，中央處理器控制雲臺隨動，使光電系統的中心向目標中心所在位置移動；(C)光電系統的中心經過時間間隔At移動到[xa，yj ;所述At為紅外熱像儀兩次採集信號的時間間隔；此時以光電系統的中心[Xa，yj為原點建立新的坐標系XaOYa,目標中心在此坐標系中的坐標為AJx1, yj ;設定一個閾值Ar，如果目標中心與光電系統的中心的間距小於等於Ar，則認為光電系統的中心與目標中心重合,此時光電系統將目標瞄準；如果目標中心與光電系統的中心的間距大於Δι.，則認為光電系統的中心與目標中心不重合，中央處理器根據顯示界面上原點與目標中心的間距值控制雲臺繼續移動，並在經歷一個At後建立新的坐標系並判斷光電系統的中心與目標中心是否重合；不斷重複上述過程，直到目標中心與光電系統的中心重合；(d)光電系統的中心與目標中心重合後，中央處理器向雷射測距儀發送測量距離的指令，雷射測距儀向目標發出雷射，測得的距離值傳輸至中央處理器儲存。
[0010]圖像採集模塊圖像軸(即紅外熱像儀的圖像軸)與雷射測距儀的雷射軸平行，可以保證對於遠距離的目標，圖像採集模塊和雷射測距儀所組成的光電系統的中心和圖像採集模塊的中心可以看作是重合的。
[0011]紅外熱像儀採集到的目標顯示在顯示界面上，通過調節紅外熱像儀的焦距可以使目標在顯示界面中保持固定的比例，以便於光電系統的中心與目標中心距離值的測算；紅外熱像儀顯示界面的中心對準目標後，就可以認為是整個光電系統的中心對準了目標；目標在顯示界面上成像且大小固定後，中央處理器開始操縱雲臺進行跟蹤。中央處理器根據接收到的紅外熱像儀採集到的包括目標信號在內的信號圖像，在紅外熱像儀顯示界面上建立一個以此時刻光電系統的中心為原點的坐標系,並計算出目標中心在此坐標系中的坐標值，進而計算出雲臺在水平方向和垂直方向需要轉動的角度，並發出指令控制雲臺向目標中心轉動；但是由於目標處在動態變化之中，在雲臺向目標中心移動過程中目標可能已經移動到了下一個位置；設在經過At後光電系統的中心即界面中心移動到了 [xa，ya]，中央處理器以此時刻光電系統的中心[xa，yj為原點建立新的坐標系，在新的坐標系中目標中心的坐標就成了 AJx1, yj ;預先設定一個閾值Ar作為判斷光電系統的中心與目標中心是否重合的依據，中央處理器根據接收到的信號判斷光電系統的中心是否與目標原點相重合；如果重合，則中央處理器向雷射測距儀發出指令，雷射測距儀將測得的距離值發送至中央處理器儲存；如果目標中心與光電系統的中心沒有重合(即光電系統的中心與目標中心間距大於Ar)，中央處理器控制雲臺繼續向目標中心移動，並在經過At時段後繼續建立新的坐標系，分析出雲臺需要轉動的角度，控制雲臺轉動，這樣不斷的重複這一過程，直到光電系統的中心與目標中心相重合。
[0012]中央處理器根據接收到的信號建立坐標系、計算目標中心與坐標原點的距離、將距離值換算成雲臺的轉動角度等工作均是在相應軟體的支持下實現的，中央處理器發出指令信號控制雷射測距儀進行測距，也是在相應軟體的支持下完成的；將目標中心與坐標原點的距離值換算成雲臺的轉動角度是現有公知常識，有多種方法可供選擇；本領域技術人員可根據實際採用的設備型號以及相關參數合理選擇適當的計算方法以滿足測量精度的要求；所述的閾值可以根據設備的信號採集速率、雲臺的轉動速率以及雷射測距儀的測量精度進行設定；本領域技術人員在閱讀了本發明所述的方法後，可以很容易的編寫出相應的軟體。[0013]進一步的，還包括步驟(e):在光電系統的中心軸與目標中心第一次重合併測距後，此時中央處理器以目標中心作為坐標原點建立坐標系X』 O』 Y』，在新的坐標系下確定經過At時間間隔後目標中心的位置並操縱雲臺隨動，在光電系統的中心軸與目標中心再次重合後進行測距；不斷重複上述步驟，即可得到目標的實時距離。
[0014]中央處理器通過控制雲臺轉動實現對目標的再一次重合；不斷重複這一步驟，實現了對目標的精確跟蹤測距。
[0015]本發明有益效果是:引入自動目標識別技術，利用紅外熱像儀實現對動態目標的識別；先確定目標在顯示界面的位置，然後根據顯示界面上目標的位置通過相應軟體控制雲臺隨動使光電系統的中心與目標重合，發送指令進行測距，實現對動態目標自動識別定位。該系統對目標的跟蹤與定位有效性強、實時性高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明所述的裝置的電連接關係示意圖。
[0017]圖2為本發明所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距系統的整體結構框圖。
[0018]圖3為本發明所述的測距系統的測距流程圖。
[0019]圖4為最初建立的坐標系。
[0020]圖5為初始坐標系以及光電系統中心與目標中心重合時的坐標系。
[0021]圖6為目標的運動軌跡示意圖。
[0022]圖7為目標運動過程中不斷地更新坐標系的示意圖。
[0023]1-雲臺，2-圖像採集模塊，3-雷射測距儀，4-中央處理器。
【具體實施方式】
[0024]一種基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置，包括一個光電智能感知平臺、圖像採集模塊2以及中央處理器4;所述光電智能感知平臺包括一個內設CPU的雲臺I以及設置在雲臺I上的雷射測距儀3 ;所述圖像採集模塊2也設置在雲臺I上；所述雷射測距儀3的雷射軸與圖像採集模塊2的圖像軸平行；所述雲臺1、圖像採集模塊2以及雷射測距儀3的信號輸出端均與中央處理器4的信號輸入端相連接；雲臺1、圖像採集模塊2及雷射測距儀3的信號輸入端與中央處理器4的信號輸出端相連接。
[0025]所述圖像採集模塊2包括紅外熱像儀以及與紅外熱像儀信號輸出端相連接的顯示器；所述紅外熱像儀的信號輸出端與中央處理器4的信號輸入端相連接；中央處理器4的信號輸出端與顯示器的信號輸入端相連接。
[0026]所述中央處理器4採用DSP微處理器。
[0027]一種基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置進行測距的方法，包括以下步驟:(a)通過紅外熱像儀採集待測目標的圖像，使目標在顯示界面中的面積保持固定比例；中央處理器4在相應軟體的支持下以顯示界面中心即由圖像採集模塊2和雷射測距儀3組成的光電系統的中心為原點，在顯不界面建立該時刻的坐標系XOY ； (b)設目標中心在此坐標系中的坐標為A[X(l，yJ，根據目標中心與原點的距離確定雲臺I運動的俯仰角和偏航角，中央處理器4控制雲臺I隨動,使光電系統的中心向目標中心所在位置移動；(c)光電系統的中心經過時間間隔At移動到[xa，ya];所述At為紅外熱像儀兩次採集信號的時間間隔；此時以光電系統的中心[Xa，ya]為原點建立新的坐標系XaOYa,目標中心在此坐標系中的坐標為AJx1, yj ;設定一個閾值Ar，如果目標中心與光電系統的中心的間距小於等於Ar，則認為光電系統的中心與目標中心重合，此時光電系統將目標瞄準；如果目標中心與光電系統的中心的間距大於Δι.，則認為光電系統的中心與目標中心不重合，中央處理器4根據顯示界面上原點與目標中心的間距值控制雲臺I繼續移動，並在經歷一個Λ t後建立新的坐標系並判斷光電系統的中心與目標中心是否重合；不斷重複上述過程，直到目標中心與光電系統的中心重合；(d)光電系統的中心與目標中心重合後，中央處理器4向雷射測距儀3發送測量距離的指令，雷射測距儀3向目標發出雷射，測得的距離值傳輸至中央處理器4儲存。
[0028]還包括步驟(e):在光電系統的中心與目標中心第一次重合併測距後，此時中央處理器4以目標中心作為坐標原點建立坐標系X』O』Y』，在新的坐標系下確定經過Λ t時間間隔後目標中心的位置並操縱雲臺I隨動，在光電系統的中心與目標中心再次重合後進行測距；不斷重複上述步驟，即可得到目標的實時距離。
[0029]步驟(b)中操縱雲臺I隨動時，是先沿X軸移動，再沿Y軸移動的。
[0030]步驟(b)中操縱雲臺I隨動時，是先沿Y軸移動，再沿X軸移動的。
[0031]如圖1所示，光電綜合智能感知平臺包括三部分:雷射測距儀3、紅外熱像儀和雲臺I。紅外熱像儀部分可解決在隱蔽、遮擋、夜晚及煙霧等條件下圖像採集的問題；雷射測距儀解決對跟蹤到的目標的距離測定的問題；根據目標的運動控制雲臺隨動，實現對目標的實時跟蹤。紅外熱像儀與雷射測距儀相結合既實現目標圖像採集，又可測定目標的距離，同時通過雲臺的隨動系統實時跟蹤目標並獲得目標運動過程中各個時段的距離。中央處理器4可以連接一個主控模塊，主控模塊可以對中央處理器4進行控制並發出指令。
[0032]如圖2所示，本發明所述的測距裝置主要由兩部分組成，即圖像採集模塊和測距單元部分。其中測距單元主要由坐標建立模塊、距離模塊、隨動系統模塊、測距模塊組成。圖像採集模塊採用的是基於光電綜合智能感知平臺的紅外熱像儀，其可以實現夜晚、煙霧以及些許遮擋等特殊條件下的圖像信息採集。在測距單元中，坐標建立模塊的主要任務是在紅外熱像儀顯示界面建立坐標系以標測出目標在顯示界面的坐標值；距離模塊的主要任務是通過顯示界面上的坐標值得到目標與圖像中心也即光電系統中心的距離；隨動控制模塊的主要任務是根據距離值運用算法指令控制雲臺的俯仰偏航使光電系統的中心與目標重合；測距模塊的主要任務是發送測距指令測定目標的距離。圖像採集模塊與測距單元共同組成了測距系統。另外，決策單元中，數據傳輸模塊的主要任務是將目標識別跟蹤結果以及距離的測量結果實時的傳給主控模塊；主控模塊的主要任務是對數據的結果進行分析，給出下一步的動作指示。目標識別跟蹤模塊主要任務是根據自動目標識別算法對檢測到的目標進行識別，運用運動目標跟蹤算法對目標進行實時跟蹤，為本發明的測距單元做準備。
[0033]如圖3所示，本發明中測距流程如下:目標識別跟蹤模塊選定目標之後，測距系統啟動，通過變焦控制使目標在畫面中的面積保持一定比例。如圖4所示，在顯示界面建立坐標系Χ0Υ，坐標原點0(0，O)即為光電系統的中心，假設目標在界面坐標系中的坐標為A(x0, yd，根據目標中心與光電系統的中心的距離，確定雲臺運動的方向及幅度。通過串口發送算法指令控制雲臺隨動，由於目標是運動的，所以這個過程中需要不斷地對目標的位置信息進行更新，通過不斷地修正目標與光電系統中心的距離，實現實時地調整雲臺隨動控制的參數。在光電系統的中心與目標重合後，即光電系統的中心瞄準目標以後控制系統依據雷射測距儀的通訊協議發送測量距離的指令，返回的值即為目標的距離值。最後，目標的距離值將被傳至主控模塊，等待下一步動作的命令的下達。
[0034]如圖5所示,在初始坐標系上坐標原點為光電系統的中心所在的點,在目標運動過程中，不斷地更新顯示界面的坐標系，並對目標的坐標值與光電系統中心點的坐標值進行更新、修正，最終達到光電系統中心與目標完全重合，實現測距；對目標進行測距後，繼續進行坐標的更新修正，此時，目標(目標中心與圖像中心重合)變為坐標原點，在新的坐標系X』O』Y』下確定下一時刻目標的位置並控制雲臺隨動，在光電系統的中心與目標再次重合後進行下一次的測距。在目標運動過程中，整個隨動、瞄準的過程不斷進行更新與修正，使得對目標的測距更精準。
[0035]如圖6所示，圖中為若系統沒有雲臺隨動系統，在圖像採集系統是靜止的狀態下目標在顯示界面可能的軌跡。圖7為在目標運動過程中，通過不斷地更新坐標系，雲臺隨動系統不斷調整方位及幅度所經歷的過程，可以看出，在目標從Atl到A3的過程中，光電系統中心軸(即坐標原點)與目標的距離越來越接近，直到重合。
[0036]光電系統的中心與目標重合的判斷:對於行人,光電系統的中心(即圖像中心)與人的中上部位(即腰以上部位)重合即可(光電系統的中心與人體腰部以上部位間距小於設定的閾值△ r);對於車輛，因為車身存在斜面會使得雷射脈衝信號很難被反射回接收鏡，從而導致測距的失敗，因此本發明中的光電系統的中心與車輛重合指的是光電系統的中心與車輛的中下部分重合(光電系統的 中心與車輛中下部分間距小於設定的閾值Ar)。
【權利要求】
1.一種基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置，其特徵在於，包括一個光電智能感知平臺、圖像採集模塊(2)以及中央處理器(4);所述光電智能感知平臺包括一個內設CPU的雲臺(I)以及設置在雲臺(I)上的雷射測距儀(3);所述圖像採集模塊(2)也設置在雲臺(I)上；所述雷射測距儀(3)的雷射軸與圖像採集模塊(2)的圖像軸平行；所述雲臺(I)、圖像採集模塊(2)以及雷射測距儀(3)的信號輸出端均與中央處理器(4)的信號輸入端相連接；雲臺(I)、圖像採集模塊(2)及雷射測距儀(3)的信號輸入端與中央處理器(4)的信號輸出端相連接。
2.如權利要求1所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置，其特徵在於，所述圖像採集模塊(2)包括紅外熱像儀以及顯示器；所述紅外熱像儀的信號輸出端與中央處理器(4)的信號輸入端相連接；中央處理器(4)的信號輸出端與顯示器的信號輸入端相連接。
3.如權利要求1或2所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置，其特徵在於，所述中央處理器(4)採用DSP微處理器。
4.一種使用如權利要求2所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距裝置進行測距的方法，其特徵在於，包括以下步驟:(a)通過紅外熱像儀採集待測目標的圖像，使目標在顯示界面中的面積保持固定比例；中央處理器(4)在相應軟體的支持下以顯示界面中心即由圖像採集模塊(2)和雷射測距儀(3)組成的光電系統的中心為原點，在顯示界面建立該時刻的坐標系XOY ； (b)設目標中心在此坐標系中的坐標為A[X(I，yj，根據目標中心與原點的距離確定雲臺(I)運動的俯仰角和偏航角，中央處理器(4)控制雲臺(I)隨動，使光電系統的中心向目標中心 所在位置移動；(c)光電系統的中心經過時間間隔Λ t移動到[xa，ya];所述At為紅外熱像儀兩次採集信號的時間間隔；此時以光電系統的中心[xa，ya]為原點建立新的坐標系XaOYa,目標中心在此坐標系中的坐標為A1Iix1, yj ;設定一個閾值Ar，如果目標中心與光電系統的中心的間距小於等於Ar，則認為光電系統的中心與目標中心重合，此時光電系統將目標瞄準；如果目標中心與光電系統的中心的間距大於Ar，則認為光電系統的中心與目標中心不重合，中央處理器(4)根據顯示界面上原點與目標中心的間距值控制雲臺(I)繼續移動，並在經歷一個At後建立新的坐標系並判斷光電系統的中心與目標中心是否重合；不斷重複上述過程,直到目標中心與光電系統的中心重合；(d)光電系統的中心與目標中心重合後，中央處理器(4)向雷射測距儀(3)發送測量距離的指令，雷射測距儀(3)向目標發出雷射，測得的距離值傳輸至中央處理器(4)儲存。
5.如權利要求4所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距方法，其特徵在於，還包括步驟(e):在光電系統的中心與目標中心第一次重合併測距後，此時中央處理器(4)以目標中心作為坐標原點建立坐標系V O』 Y』，在新的坐標系下確定經過Λ t時間間隔後目標中心的位置並操縱雲臺(I)隨動，在光電系統的中心與目標中心再次重合後進行測距；不斷重複上述步驟，即可得到目標的實時距離。
6.如權利要求4或5所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距方法，其特徵在於，步驟(b)中操縱雲臺(I)隨動時，是先沿X軸移動，再沿Y軸移動的。
7.如權利要求5所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距方法，其特徵在於，步驟(e)中操縱雲臺(I)隨動時，是先沿X軸移動，再沿Y軸移動的。
8.如權利要求4或5所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距方法，其特徵在於，步驟(b)中操縱雲臺(I)隨動時，是先沿Y軸移動，再沿X軸移動的。
9.如權利要求5所述的基於光電智能感知平臺目標跟蹤識別的測距方法，其特徵在於，步驟(e)中操縱雲臺(I)隨動時，是先沿Y軸移動，再沿X軸移動的。
【文檔編號】G01S7/48GK103777204SQ201410009893
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】楊衛, 張文棟, 熊繼軍, 白曉方, 金曉會, 劉前進, 徐勝, 趙迪, 侯爽, 王寶祥, 王淑平 申請人:中北大學