基于PC的目標(biāo)追蹤系統(tǒng)

系統(tǒng)概述]該系統(tǒng)采用凌華公司的基于PC機(jī)的圖像捕捉卡（Picolo）以及運(yùn)動(dòng)控制卡（PCI-8164）來(lái)完成目標(biāo)的捕捉及追蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制。選用標(biāo)準(zhǔn)視頻輸入的黑白攝像機(jī)，每秒可以拍攝25張照片，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像采集。用凌華公司提供的用于圖像分析的二次軟件開發(fā)包，可以很輕松的對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行分析，找出所關(guān)心的目標(biāo)并計(jì)算目標(biāo)的位置。采用微分控制方式通過運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出指令，實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)
[關(guān)鍵詞] 運(yùn)動(dòng)控制，圖像采集，機(jī)器視覺，目標(biāo)追蹤，CCD攝像機(jī)，伺服電機(jī)

一、系統(tǒng)構(gòu)成與原理
1.1機(jī)器視覺
所謂機(jī)器視覺就是：賦予機(jī)器以人類視覺功能，突破人類自身視覺的局限性，把計(jì)算機(jī)的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復(fù)性，與人類視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此逐漸形成了一門新學(xué)科。機(jī)器視覺系統(tǒng)采用CCD照相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，如：面積、長(zhǎng)度、數(shù)量、位置等；根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出分析結(jié)果。機(jī)器視覺系統(tǒng)一般由光源，鏡頭，CCD照相機(jī)，圖像處理單元（或圖像捕獲卡），圖像處理軟件，監(jiān)視器，通訊/輸入輸出單元等部分組成。（見圖 1）
圖 1


1.2伺服電機(jī)
伺服電機(jī)把輸入的控制電壓信號(hào)變?yōu)檩敵龅慕俏灰苹蚪撬俣龋倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)由控制信號(hào)控制，加上控制電壓，他應(yīng)當(dāng)馬上旋轉(zhuǎn)，去掉控制電壓它應(yīng)馬上停轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高低應(yīng)用控制電壓成正比。相對(duì)于同樣應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制的的步進(jìn)電機(jī)它有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.控制精度更高：伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，對(duì)于17位的旋轉(zhuǎn)編碼器而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217＝131072個(gè)脈沖電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈，其脈沖當(dāng)量為360°/131072＝0.0027
2.伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象
3.伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
4.交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力 。一般是額定轉(zhuǎn)矩的2-3倍。
5.伺服系統(tǒng)的加速性能較好從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。
6.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。（如圖 2）
圖 2


1.3 基于PC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、柔性、開放性等要求；在各種工業(yè)設(shè)備（如包裝機(jī)械、印刷機(jī)械等）、國(guó)防裝備（如跟蹤定位系統(tǒng)等）、智能醫(yī)療裝置等設(shè)備的自動(dòng)化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模塊的硬件平臺(tái)；同時(shí)PC機(jī)在各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用，也促使配備相應(yīng)的控制卡以充分發(fā)揮PC機(jī)的強(qiáng)大功能。基于PC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3
圖 3


上圖所示是目標(biāo)追蹤系統(tǒng)的控制單元部分的結(jié)構(gòu)圖。選用凌華公司的運(yùn)動(dòng)控制卡（PCI-8164）、三菱公司的伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、和專為配合三菱伺服電機(jī)而設(shè)計(jì)的端子板（DIN-814M）。由于有相配合的端子板，整個(gè)控制部分的接線非常簡(jiǎn)單。

1.4運(yùn)動(dòng)控制卡：PCI-8164
1. 支持OUT/DIR和CW/CCW脈沖輸出方式，最大脈沖輸出頻率：6.55Mpps
2. 可同時(shí)控制四軸電機(jī)，任意兩軸、三軸的直線插補(bǔ)，任意兩軸的圓弧插補(bǔ)
3. 支持持續(xù)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)
4. 梯形與S曲線速度曲線
5. 可編程控制加速與減速時(shí)間
6. 可以在運(yùn)動(dòng)中改變速度
7. 多軸同步啟動(dòng)/停止
8. 位置比較與捕捉位置功能
9. 回差補(bǔ)償功能

1.5圖像捕捉卡：Picolo
1. 可接1個(gè)攝像頭
2. 三種模擬視頻信號(hào)輸入方式
3. 支持PAL / NTSC / CCIR / RS170制式
4. 一個(gè)S-Video視頻輸入
5. 實(shí)時(shí)視頻捕捉(PCI總線主控DMA方式)
6. 四個(gè)數(shù)字量輸入/輸出通道

1.6圖像分析軟件包：Evision_EasyMatch
EasyMatch是顏色和灰度級(jí)別的模式匹配庫(kù)。它可以讓系統(tǒng)在圖像中找到與基準(zhǔn)模式相匹配的部分，并計(jì)算出目標(biāo)的位置。即使目標(biāo)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，等放性或任意方向的縮放，它都可以找到目標(biāo)。（如圖 4）
圖 4


二、結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)已在標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)上得到驗(yàn)證，同時(shí)可擴(kuò)展到嵌入式結(jié)構(gòu)中。可應(yīng)用于汽車、船舶、飛機(jī)等對(duì)尺寸有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。