CN102860300A - 一种基于模式识别的自动瞄准激光驱鸟装置及驱鸟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模式识别的自动瞄准激光驱鸟装置，包括水平转台、垂直转台；垂直转台设置在水平转台上，且水平转台与垂直转台活动连接；垂直转台内设置有摄像头；垂直转台上设置有激光器。此外，本发明还公开了一种基于识别模式的驱鸟方法，首先利用摄像头寻找目标和定位目标，激光器再发射激光达到驱鸟的目的。本发明提供的驱鸟装置及驱鸟方法不仅避免了激光的随意照射，从而避免激光器对人和过往车辆的干扰，而且对鸟类定位精准，采用低功率的激光器进行驱赶，降低成本；不会对鸟类造成严重伤害，也避免了由于鸟类对驱鸟装置的适应而导致的驱鸟效果下降；还可根据不同应用场合更新控制器数据库和应用程序，增加本装置适应性。

Description

一种基于模式识别的自动瞄准激光驱鸟装置及驱鸟方法

技术领域

本发明属于驱鸟装置技术领域，具体涉及一种基于模式识别的自动瞄准激光驱鸟装置及驱鸟方法。

背景技术

目前在航空、电力等领域，鸟类对航空领域飞机的飞行安全造成严重的安全隐患；而鸟类在高压杆塔上筑巢，也会对电力系统的安全造成影响；同时，鸟类的排泄物会腐蚀金属设备，造成设备使用寿命缩短、提前报废以及各类使用故障。

目前一般采用人工驱鸟，不仅浪费人力财力，效果也不甚理想。而捕杀鸟类则会影响生态平衡，非长久之计。还有利用各种声音驱鸟的装置，虽然初期会起到一些作用，但由于鸟类的适应能力极强，其效果会逐渐下降。利用仿生拟态之类的装置驱鸟，同样由于鸟类的适应能力而难以起到应有的作用。还有利用闪光之类的方法驱鸟，由于白天自然光很强，闪光的作用范围极有限，仅在自然光较弱的条件下能够体现效果，且也会逐渐被鸟类所适应。

目前的激光驱鸟装置，如专利号CN200820068090.8的专利，是一种靠人工瞄准的激光驱鸟装置，由于人工瞄准的精度差，且浪费人力资源，所以其效果受到影响。而专利号为CN200520029033.5的专利激光驱鸟灯，则是在水平360度和垂直90度的范围内进行扫描(半球形覆盖整个天空)，其激光功率分散严重，驱鸟效果也会受到影响，如果想达到理想效果，则需使用大功率的激光器，其散热等条件相当苛刻，会造成成本上升；且大范围的无差别扫描照射，可能会对周围的行人、车辆甚至飞机等设备造成影响，造成严重后果。专利号为CN201110330328.6的专利激光驱鸟器采用一束功率为500mW，直径152mm的绿色激光向下贴着地面扫描，能够驱赶落在地上的鸟类，也在一定程度上避免了扫描激光对过往行人、车辆和飞机的干扰。但是对飞行中的鸟类无能为力，且有可能对小孩和宠物造成影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于模式识别的自动瞄准激光驱鸟装置及驱鸟方法，不仅可以实现对鸟类的自动跟踪和瞄准，而且能够采用低功率激光扫描，降低了能耗和对激光器的要求，进而降低成本。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种基于模式识别的自动瞄准激光驱鸟装置，其特征在于：包括水平转台、垂直转台；所述垂直转台设置在水平转台上，且水平转台与垂直转台活动连接；所述垂直转台内设置有摄像头；所述垂直转台上设置有激光器。

所述摄像头的轴线与和激光器的轴线互相平行。

所述水平转台、垂直转台、摄像头、激光器均通过数据线与控制器连接。

所述控制器通过以太网与后台设备的服务器连接。

所述控制器为PC机或能够实现图像处理功能的嵌入式处理器。

一种基于模式识别的驱鸟方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、开始，打开水平转台电源、垂直转台电源、摄像头电源、激光器电源、和控制器；

b、程序初始化，对水平转台、垂直转台、控制器进行程序初始化；控制水平转台和垂直转台复位；使摄像头和激光器处于关闭状态；

c、启动摄像头，摄像头进入摄像模式；

d、按照设置路径扫描，控制器启动扫描路径程序，同时启动水平转台和垂直转台；水平转台和垂直转台带动摄像头和激光器按照扫描路径程序设定的路径进行扫描，摄像头将采集的图像数据传送至控制器；

e、图像背景差分，控制器对接收到的图像数据进行背景差分处理；

f、是否有活动物体，根据步骤e中背景差分处理结果，判断是否存在移动的物体，如果存在移动的物体，则提取运动物体的图像数据，并进入步骤g；如果不存在移动的物体，则返回步骤d，继续扫描；

g、图形特征匹配，控制器将步骤f提取的运动物体图像数据结合控制器数据库中的鸟类特征图像进行图形特征匹配；

h、活动物体是否为鸟类，根据步骤g图形特征匹配的结果，如果是鸟类，则进入步骤i；如果不是鸟类，则返回步骤d，继续扫描；

i、执行驱鸟程序，驱鸟程序执行完成后返回步骤d，继续扫描。

所述步骤i包括以下分步骤：

i1、开始，根据步骤d控制器接收到的图像数据，确定鸟类图像在采集图像中的位置；

i2、锁定目标，根据步骤i1确定的鸟类图像在采集图像中的位置，控制器驱动水平转台和垂直转台转动，水平转台和垂直转台带动摄像头移动至鸟类图像位于采集图像上的瞄准中心位置，锁定目标；

i3、开启激光器，控制器启动激光器，对鸟类进行定点照射；

i4、跟踪目标，控制器启动跟踪目标程序，根据鸟类图像在采集图像中的位置，控制水平转台和垂直转台带动摄像头转动，保持鸟类图像位于采集图像上的瞄准中心位置，并利用激光器对鸟类进行定点照射；

i5、目标是否离开，摄像头将采集的图像数据实时传送至控制器，控制器对摄像头采集的图像数据进行背景差分处理和进行图形特征匹配，并根据背景差分处理结果和图形特征匹配结果判断鸟类是否离开探测区域，如果鸟类已经离开探测区域，控制器关闭激光器，驱鸟程序结束；如果鸟类没有离开探测区域，则返回步骤i4，继续跟踪照射。

所述步骤i2和步骤i4中根据鸟类图像在采集图像中的位置实现锁定目标和跟踪目标任务的过程包括以下分步骤：

①、开始，根据步骤i1确定的鸟类图像在采集图像中的位置，以采集图像上的瞄准中心位置为原点，建立直角坐标系，进而确定鸟类图像在直角坐标系中的坐标；

②、计算垂直偏离误差，根据步骤①确定的鸟类图像在直角坐标系中的坐标，计算鸟类图像距采集图像中心位置的垂直距离；

③、计算水平偏离误差，根据步骤①确定的鸟类图像在直角坐标系中的坐标，计算鸟类图像距采集图像中心位置的水平距离；

④、通过PID计算垂直控制量，根据步骤②计算的鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置的垂直距离，通过PID计算出控制器应对垂直转台输出的垂直控制量；

⑤、通过PID计算水平控制量，根据步骤③计算的鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置的水平距离，通过PID计算出控制器应对水平转台输出的水平控制量；

⑥、垂直控制量输出，控制器根据步骤④得到的垂直控制量驱动垂直转台；

⑦、水平控制量输出，控制器根据步骤⑤得到的水平控制量驱动水平转台；

⑧、结束，垂直转台和水平转台根据控制器的指示旋转至鸟类图像位于采集图像上的瞄准中心位置，完成锁定目标或跟踪目标的任务。

本发明提供的基于模式识别的自动瞄准激光驱鸟装置及驱鸟方法具有以下有益效果：

1、该自动瞄准驱鸟装置及驱鸟方法首先利用摄像头寻找目标和定位目标，激光器再发射激光达到驱鸟的目的，这样不仅避免了激光的随意照射，从而避免激光器对人和过往车辆的干扰，而且降低了功耗，可以采用低功率的激光器，降低成本；

2、该自动瞄准驱鸟装置由于采用低功率的激光器，仅对鸟类暂时性致盲，不会对鸟类造成严重伤害，也避免了由于鸟类对驱鸟装置的适应而导致的驱鸟效果下降；

3、该驱鸟方法利用摄像头实时采集数据，并利用控制器对采集的数据进行图像背景差分处理和图形特征匹配处理，能够精准的锁定目标并实时跟踪目标，为驱鸟任务的完成提供了可靠的保证；

4、该自动瞄准驱鸟装置可以通过以太网更新控制器数据库中的鸟类特征图像、扫描路径程序等以适应不同应用场合的需求；

5、该自动瞄准驱鸟装置及驱鸟方法能够自动完成驱鸟作业，节省了人力和财力。

附图说明

图1为基于模式识别的自动瞄准激光驱鸟装置的结构示意图。

图2为基于模式识别的驱鸟方法流程图。

图3为驱鸟程序流程图。

图4为根据鸟类在摄像头中的位置实现锁定目标和跟踪目标任务过程流程图。

图5为自动瞄准驱鸟装置寻找到目标时示意图。

图6为自动瞄准驱鸟装置锁定目标时示意图。

其中，1、水平转台；2、垂直转台；3、摄像头；4、激光器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述，但它不是对本发明的进一步限制。

如图1所示，该自动瞄准激光驱鸟装置包括水平转台1、垂直转台2；垂直转台2设置在水平转台1上，且水平转台1与垂直转台2活动连接；垂直转台2内设置有摄像头3；垂直转台2上设置有激光器4。摄像头3的轴线与和激光器4的轴线互相平行。水平转台1、垂直转台2、摄像头3、激光器4均通过数据线与控制器连接。控制器通过以太网与后台设备的服务器连接，协调工作；控制器也可以不接入以太网，独立工作。控制器为PC机或能够实现图像处理功能的嵌入式处理器。能够实现图像处理功能的嵌入式处理器可以为ARM(Advanced RISC Machines)、DSP(Digital Signal Processing)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)的控制器。

由于采用的水平转台1可以实现水平面内360°旋转，垂直转台2可以实现90°旋转，因此自动瞄准激光驱鸟装置可以带动摄像头3和激光器4实现半球形的全方位瞄准。

由于摄像头3和激光器4平行安装，激光器4发出的激光束和摄像头3采集的图像的中心并不重合，其误差为摄像头3镜头中轴线与激光器4中轴线之间的距离。该误差的存在将导致系统瞄准后，激光无法准确照射目标。为解决上述问题，须采用机械直径较小的摄像头3和激光器4，同时在制造驱鸟装置过程中对系统瞄准装置进行标定。在有效距离内使用该设备照射在不同距离、与激光束垂直的平面上，并记录激光落点在摄像头3采集图像上的位置，对所有的激光落点进行统计，其几何中心即为采集图像上的瞄准中心位置。

如图2所示，基于模式识别的驱鸟方法，包括以下步骤：

a、开始，打开水平转台电源、垂直转台电源、摄像头电源、激光器电源、和控制器；

b、程序初始化，对水平转台1、垂直转台2、控制器进行程序初始化；控制水平转台1和垂直转台2复位；使摄像头3和激光器4处于关闭状态；

c、启动摄像头3，摄像头3进入摄像模式；

d、按照设置路径扫描，控制器启动扫描路径程序，同时启动水平转台1和垂直转台2；水平转台1和垂直转台2带动摄像头3和激光器4按照扫描路径程序设定的路径进行扫描，摄像头3将采集的图像数据传送至控制器；

e、图像背景差分，控制器对接收到的图像数据进行背景差分处理；

f、是否有活动物体，根据步骤e中背景差分处理结果，判断是否存在移动的物体，如果存在移动的物体，则提取运动物体的图像数据，并进入步骤g；如果不存在移动的物体，则返回步骤d，继续扫描；

g、图形特征匹配，控制器将步骤f提取的运动物体图像数据结合控制器数据库中的鸟类特征图像进行图形特征匹配；

h、活动物体是否为鸟类，根据步骤g图形特征匹配的结果，如果是鸟类，则进入步骤i；如果不是鸟类，则返回步骤d，继续扫描；

i、执行驱鸟程序，驱鸟程序执行完成后返回步骤d，继续扫描。

如图3所示，上述步骤i包括以下分步骤：

i1、开始，根据步骤d控制器接收到的图像数据，确定鸟类图像在采集图像中的位置(如图5所示)；

i2、锁定目标，根据步骤i1确定的鸟类图像在采集图像中的位置，控制器驱动水平转台1和垂直转台2转动，水平转台1和垂直转台2带动摄像头3移动至鸟类图像位于采集图像上的瞄准几何中心位置，锁定目标(如图6所示)；

i3、开启激光器4，控制器启动激光器4，对鸟类进行定点照射；

i4、跟踪目标，控制器启动跟踪目标程序，控制器实时接收摄像头3传输的图像数据，根据鸟类图像在采集图像中的位置，控制水平转台1和垂直转台2带动摄像头3转动，保持鸟类图像位于采集图像上的瞄准中心位置(如图6所示)，并利用激光器4对鸟类进行定点照射；

i5、目标是否离开，摄像头3将采集的图像数据实时传送至控制器，控制器对摄像头3采集的图像数据进行背景差分处理和进行图形特征匹配，并根据背景差分处理结果和图形特征匹配结果判断鸟类是否离开探测区域(也即摄像头3沿扫描路径程序设定的路径所能覆盖的区域)，如果鸟类已经离开探测区域，控制器关闭激光器4，驱鸟程序结束；如果鸟类没有离开探测区域，则返回步骤i4，继续跟踪照射。

如图4所示，上述步骤i2和步骤i4中根据鸟类图像在采集图像中的位置实现锁定目标和跟踪目标任务的过程包括以下分步骤：

①、开始，根据步骤i1确定的鸟类图像在采集图像中的位置，以采集图像上的瞄准中心位置为原点，建立直角坐标系，进而确定鸟类图像在直角坐标系中的坐标；

②、计算垂直偏离误差，根据步骤①确定的鸟类图像在直角坐标系中的坐标，计算鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置的垂直距离(也即鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置垂直方向的像素点个数)(如图5所示)；

③、计算水平偏离误差，根据步骤①确定的鸟类图像在直角坐标系中的坐标，计算鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置的水平距离(也即鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置水平方向的像素点个数)(如图5所示)；

④、通过PID(比例微分积分)计算垂直控制量，根据步骤②计算的鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置的垂直距离，通过PID计算出控制器应对垂直转台2输出的垂直控制量；

⑤、通过PID计算水平控制量，根据步骤③计算的鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置的水平距离，通过PID计算出控制器应对水平转台1输出的水平控制量；

⑥、垂直控制量输出，控制器根据步骤④得到的垂直控制量驱动垂直转台2；

⑦、水平控制量输出，控制器根据步骤⑤得到的水平控制量驱动水平转台1；

⑧、结束，垂直转台2和水平转台1根据控制器的指示旋转至鸟类图像位于采集图像上的瞄准中心位置，完成锁定目标或跟踪目标的任务(如图6所示)。

Claims (8)

1.一种基于模式识别的自动瞄准激光驱鸟装置，其特征在于：包括水平转台(1)、垂直转台(2)；所述垂直转台(2)设置在水平转台(1)上，且水平转台(1)与垂直转台(2)活动连接；所述垂直转台(2)内设置有摄像头(3)；所述垂直转台(2)上设置有激光器(4)。

2.根据权利要求1所述的自动瞄准激光驱鸟装置，其特征在于：所述摄像头(3)的轴线与和激光器(4)的轴线互相平行。

3.根据权利要求1或2所述的自动瞄准激光驱鸟装置，其特征在于：所述水平转台(1)、垂直转台(2)、摄像头(3)、激光器(4)均通过数据线与控制器连接。

4.根据权利要求3所述的自动瞄准激光驱鸟装置，其特征在于：所述控制器通过以太网与后台设备的服务器连接。

5.根据权利要求3所述的自动瞄准激光驱鸟装置，其特征在于：所述控制器为PC机或能够实现图像处理功能的嵌入式处理器。

6.一种基于模式识别的驱鸟方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、开始，打开水平转台电源、垂直转台电源、摄像头电源、激光器电源、和控制器；

b、程序初始化，对水平转台(1)、垂直转台(2)、控制器进行程序初始化；控制水平转台(1)和垂直转台(2)复位；使摄像头(3)和激光器(4)处于关闭状态；

c、启动摄像头(3)，摄像头(3)进入摄像模式；

d、按照设置路径扫描，控制器启动扫描路径程序，同时启动水平转台(1)和垂直转台(2)；水平转台(1)和垂直转台(2)带动摄像头(3)和激光器(4)按照扫描路径程序设定的路径进行扫描，摄像头(3)将采集的图像数据传送至控制器；

e、图像背景差分，控制器对接收到的图像数据进行背景差分处理；

f、是否有活动物体，根据步骤e中背景差分处理结果，判断是否存在移动的物体，如果存在移动的物体，则提取运动物体的图像数据，并进入步骤g；如果不存在移动的物体，则返回步骤d，继续扫描；

g、图形特征匹配，控制器将步骤f提取的运动物体图像数据结合控制器数据库中的鸟类特征图像进行图形特征匹配；

h、活动物体是否为鸟类，根据步骤g图形特征匹配的结果，如果是鸟类，则进入步骤i；如果不是鸟类，则返回步骤d，继续扫描；

i、执行驱鸟程序，驱鸟程序执行完成后返回步骤d，继续扫描。

7.根据权利要求6所述的基于模式识别的驱鸟方法，其特征在于：所述步骤i包括以下分步骤：

i1、开始，根据步骤d控制器接收到的图像数据，确定鸟类图像在采集图像中的位置；

i2、锁定目标，根据步骤i1确定的鸟类图像在采集图像中的位置，控制器驱动水平转台(1)和垂直转台(2)转动，水平转台(1)和垂直转台(2)带动摄像头(3)移动至鸟类图像位于采集图像上的瞄准中心位置，锁定目标；

i3、开启激光器(4)，控制器启动激光器(4)，对鸟类进行定点照射；

i4、跟踪目标，控制器启动跟踪目标程序，根据鸟类图像在采集图像中的位置，控制水平转台(1)和垂直转台(2)带动摄像头(3)转动，保持鸟类图像位于采集图像上的瞄准中心位置，并利用激光器(4)对鸟类进行定点照射；

i5、目标是否离开，摄像头(3)将采集的图像数据实时传送至控制器，控制器对摄像头(3)采集的图像数据进行背景差分处理和进行图形特征匹配，并根据背景差分处理结果和图形特征匹配结果判断鸟类是否离开探测区域，如果鸟类已经离开探测区域，控制器关闭激光器(4)，驱鸟程序结束；如果鸟类没有离开探测区域，则返回步骤i4，继续跟踪照射。

8.根据权利要求7所述的基于模式识别的驱鸟方法，其特征在于：所述步骤i2和步骤i4中根据鸟类图像在采集图像中的位置实现锁定目标和跟踪目标任务的过程包括以下分步骤：

①、开始，根据步骤i1确定的鸟类图像在采集图像中的位置，以采集图像上的瞄准中心位置为原点，建立直角坐标系，进而确定鸟类图像在直角坐标系中的坐标；

②、计算垂直偏离误差，根据步骤①确定的鸟类图像在直角坐标系中的坐标，计算鸟类图像距采集图像中心位置的垂直距离；

③、计算水平偏离误差，根据步骤①确定的鸟类图像在直角坐标系中的坐标，计算鸟类图像距采集图像中心位置的水平距离；

④、通过PID计算垂直控制量，根据步骤②计算的鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置的垂直距离，通过PID计算出控制器应对垂直转台(2)输出的垂直控制量；

⑤、通过PID计算水平控制量，根据步骤③计算的鸟类图像距采集图像上的瞄准中心位置的水平距离，通过PID计算出控制器应对水平转台(1)输出的水平控制量；

⑥、垂直控制量输出，控制器根据步骤④得到的垂直控制量驱动垂直转台(2)；

⑦、水平控制量输出，控制器根据步骤⑤得到的水平控制量驱动水平转台(1)；

⑧、结束，垂直转台(2)和水平转台(1)根据控制器的指示旋转至鸟类图像位于采集图像上的瞄准中心位置，完成锁定目标或跟踪目标的任务。

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