CN106156764B - 实现高速跟踪的光学跟踪系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现高速跟踪的光学跟踪系统，包括具有光学镜头的摄像机、图像识别处理模块、主控制器和控制摄像机运动的伺服系统；所述摄像机的信号输出端连接所述图像识别处理模块的信号输入端，所述图像识别处理模块的信号输出端连接所述主控制器的信号输入端，所述主控制器的信号输出端连接所述伺服系统的信号输入端。本发明还公司了一种实现高速跟踪的光学跟踪系统的控制方法。

Description

实现高速跟踪的光学跟踪系统及其控制方法

技术领域

本发明属于反无人机技术领域，具体涉及一种实现高速跟踪的光学跟踪系统及其控制方法。

背景技术

随着新式无人机井喷式的涌现，与无人机相关的意外事故也不断进人人们的视野，使用无人机发生的意外事故也不再少见。失控的无人机摔落在了行人或物体上；业余无人机操作员操作无人机飞入禁飞区，无人机干扰民航飞行、干扰救火行动。于是，反无人机系统也在无人机产业蓬勃发展的过程中应运而生。

反无人机技术体系中首要也是主要的技术就是探测跟踪，传统的探测跟踪技术大多是获取目标图像，通过对目标图像分析后得出目标位置后进行跟踪。在反无人机这一特殊领域，传统的探测跟踪技术由于其跟踪的滞后性，和无法预先判定目标下一时刻位置的技术局限性以无法满足反无人机技术的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种实现高速跟踪的光学跟踪系统及其控制方法，其包含的图像识别处理模块包括存储有全球各种无人机图片资料的参考库，数字视频流直接进入图像识别处理模块，完成视频采集，缓冲预处理，特征提取和特征匹配；将获得的图像特征与参考库中的无人机图片进行匹配，从而判断出有威胁的飞行器，当判断为有威胁的飞行器后可驱动摄像机进行高速跟踪，并具有预先判断飞行器运动轨迹的能力。

本发明为了实现上述发明目的，采用如下技术方案：

一种实现高速跟踪的光学跟踪系统，包括具有光学镜头的摄像机、图像识别处理模块、主控制器和控制摄像机运动的伺服系统；所述摄像机的信号输出端连接所述图像识别处理模块的信号输入端，所述图像识别处理模块的信号输出端连接所述主控制器的信号输入端，所述主控制器的信号输出端连接所述伺服系统的信号输入端。

所述图像识别处理模块包括存储有全球各种无人机图片资料的参考库，数字视频流直接进入图像识别处理模块，完成视频采集，缓冲预处理，特征提取和特征匹配；将获得的图像特征与参考库中的无人机图片进行匹配，从而判断出有威胁的飞行器。

优选地，所述摄像机为热成像摄像机，内置高清CMOS成像系统。

热成像摄像机具备夜视功能，晚上也能清楚的扫描空中的飞行器；该光学跟踪系统还可搭配液晶屏，在液晶屏上可以通过人工确认有效目标，防止误判。

优选地，所述摄像机为图像传感器尺寸为1/2in,图像分辨率为1080p，有效像素为2000W像素的高清摄像机。

较高的图像分辨率和有效像素可以使得无人机这种小型机的拍摄图像清晰，使后续图像处理提高效率。

优选地，所述光学镜头由750mm—1500mm的长焦变焦镜头和瞄准镜组成。

本发明的所述光学镜头由750mm—1500mm的长焦变焦镜头和瞄准镜组成，可以清楚的看到数公里以外的目标，瞄准镜方便快速对准目标。

优选地，所述图像识别处理模块内置DSP图像识别系统。

DSP图像识别系统具有如下优点：1、精度高；2、可靠性强；3、集成度高；

4、接口方便；5、灵活性好；6、保密性好；7、时分复用。

优选地，所述主控制器包括高速帧缓存器、图像对比器和Kalman滤波器，所述图像对比器的第一信号输入端连接所述图像识别处理模块的信号输出端，所述高速帧缓存器的信号输出端连接所述图像对比器的第二信号输入端，所述高速帧缓存器的信号输入端连接所述图像对比器的第一信号输出端，所述图像对比器的第二信号输出端连接所述Kalman滤波器的信号输入端，所述Kalman滤波器的信号输出端连接所述伺服系统的信号输入端。

Kalman滤波器是一套基本公式，用于预测修正的评估，在最小化协方差估计误差方面表现出众。它不要求保存过去的测量数据，新的数据和前一刻保存的数据估值，根据递推公式，可计算出新的参考值，这样就大大减少了滤波器的存储和计算量。

优选地，所述伺服系统包括驱动摄像机在水平方向上运动的水平驱动电机、驱动摄像机在垂直方向上运动的垂直驱动电机、电机驱动板、LPF低通滤波器和D/A转换信号放大器，所述D/A转换信号放大器的信号输入端连接所述Kalman滤波器的信号输出端，所述D/A转换信号放大器的信号输出端连接所述LPF低通滤波器的信号输入端，所述LPF低通滤波器的信号输出端连接所述电机驱动板的信号输入端，所述电机驱动板的第一信号输出端连接所述水平驱动电机的信号输入端，所述电机驱动板的第二信号输出端连接所述垂直驱动电机的信号输入端。

通过Kalman滤波器计算出水平偏移量和垂直偏移量，并通过D/A转换信号放大器对信号转换后，由电机驱动板发出信号控制水平驱动电机和垂直驱动电机的工作，从而完成高速跟踪。

优选地，所述Kalman滤波器包括实现Kalman算法的FPGA芯片。

FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA的主要特点如下：

1、采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片；

2、FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片；

3、FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚；

4、FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；

5、FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容；

本发明还提供了一种实现高速跟踪的光学跟踪系统的控制方法，包括如下步骤：

S100、获取目标图像；

S200、将目标图像输送至图像识别处理模块进行特征匹配，如果匹配成功，则判定为有威胁的飞行器；如果匹配失败，则转为人工判断是否为有威胁的飞行器；

S300、判定为无威胁的飞行器后，继续步骤S100；判定为有威胁的飞行器后，通过Kalman算法对飞行器的位置进行计算预判；

S400、根据步骤S300计算出的偏差值驱动摄像机跟踪目标飞行器。

本发明的有益效果在于：

1、采用存储有全球各种无人机图片资料的参考库的图像识别处理模块，数字视频流直接进入图像识别处理模块，完成视频采集，缓冲预处理，特征提取和特征匹配，将获得的图像特征与参考库中的无人机图片进行匹配，从而判断出有威胁的飞行器，当判断为有威胁的飞行器后，伺服系统即可驱动摄像机实时高速跟踪；

2、采用具备夜视功能的热成像摄像机，晚上也能清楚的扫描空中的飞行器；该光学跟踪系统还可搭配液晶屏，在液晶屏上可以通过人工确认有效目标，防止误判；

3、所述摄像机为图像传感器尺寸为1/2in,图像分辨率为1080p，有效像素为2000W像素的高清摄像机，较高的图像分辨率和有效像素可以使得无人机这种小型机的拍摄图像清晰，使后续图像处理提高效率；

4、本发明的所述光学镜头由750mm—1500mm的长焦变焦镜头和瞄准镜组成，可以清楚的看到数公里以外的目标，瞄准镜方便快速对准目标；

5、所述图像识别处理模块内置DSP图像识别系统，DSP图像识别系统具有如下精度高、可靠性强、集成度高、接口方便、灵活性好、保密性好、时分复用等优点；

6、采用Kalman滤波器，Kalman滤波器是一套基本公式，用于预测修正的评估，在最小化协方差估计误差方面表现出众。它不要求保存过去的测量数据，新的数据和前一刻保存的数据估值，根据递推公式，可计算出新的参考值，这样就大大减少了滤波器的存储和计算量；

7、通过Kalman滤波器计算出水平偏移量和垂直偏移量，并通过D/A转换信号放大器对信号转换后，由电机驱动板发出信号控制水平驱动电机和垂直驱动电机的工作，从而完成可预判位置的高精度高速跟踪；

8、所述Kalman滤波器包括实现Kalman算法的FPGA芯片，利用FPGA芯片可达到成本低、定制性高、触发器和I/O引脚丰富、设计周期短、功耗低、兼容性强的优点。

附图说明

图1为本发明实现高速跟踪的光学跟踪系统的系统原理框图；

图2为本发明实现高速跟踪的光学跟踪系统的控制方法的流程图；

图中标记为：100-摄像机，200-图像识别处理模块，300-主控制器，301-高速帧缓存器，302-图像对比器，303-Kalman滤波器，400-伺服系统，401-D/A转换信号放大器，402-LPF低通滤波器，403-电机驱动板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的实质性内容作进一步详细的描述。

实施例1

如图1所示，一种实现高速跟踪的光学跟踪系统，包括具有光学镜头的摄像机100、图像识别处理模块200、主控制器300和控制摄像机运动的伺服系统400；所述摄像机100的信号输出端连接所述图像识别处理模块200的信号输入端，所述图像识别处理模块200的信号输出端连接所述主控制器300的信号输入端，所述主控制器300的信号输出端连接所述伺服系统400的信号输入端。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

所述摄像机100为热成像摄像机，内置高清CMOS成像系统。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上：

所述摄像机100为热成像摄像机，内置高清CMOS成像系统；

所述摄像机100为图像传感器尺寸为1/2in,图像分辨率为1080p，有效像素为2000W像素的高清摄像机。

实施例4

本实施例在实施例1的基础上：

所述摄像机100为热成像摄像机，内置高清CMOS成像系统；

所述摄像机100为图像传感器尺寸为1/2in,图像分辨率为1080p，有效像素为2000W像素的高清摄像机；

所述光学镜头由750mm—1500mm的长焦变焦镜头和瞄准镜组成。

实施例5

本实施例在实施例1的基础上：

所述摄像机100为热成像摄像机，内置高清CMOS成像系统；

所述摄像机100为图像传感器尺寸为1/2in,图像分辨率为1080p，有效像素为2000W像素的高清摄像机；

所述光学镜头由750mm—1500mm的长焦变焦镜头和瞄准镜组成；

所述图像识别处理模块200内置DSP图像识别系统。

实施例6

本实施例在实施例1的基础上：

所述摄像机100为热成像摄像机，内置高清CMOS成像系统；

所述摄像机100为图像传感器尺寸为1/2in,图像分辨率为1080p，有效像素为2000W像素的高清摄像机；

所述光学镜头由750mm—1500mm的长焦变焦镜头和瞄准镜组成；

所述图像识别处理模块200内置DSP图像识别系统；

所述主控制器300包括高速帧缓存器301、图像对比器302和Kalman滤波器303，所述图像对比器302的第一信号输入端连接所述图像识别处理模块200的信号输出端，所述高速帧缓存器301的信号输出端连接所述图像对比器302的第二信号输入端，所述高速帧缓存器301的信号输入端连接所述图像对比器302的第一信号输出端，所述图像对比器302的第二信号输出端连接所述Kalman滤波器303的信号输入端，所述Kalman滤波器303的信号输出端连接所述伺服系统400的信号输入端。

实施例7

本实施例在实施例1的基础上：

所述摄像机100为热成像摄像机，内置高清CMOS成像系统；

所述摄像机100为图像传感器尺寸为1/2in,图像分辨率为1080p，有效像素为2000W像素的高清摄像机；

所述光学镜头由750mm—1500mm的长焦变焦镜头和瞄准镜组成；

所述图像识别处理模块200内置DSP图像识别系统；

所述主控制器300包括高速帧缓存器301、图像对比器302和Kalman滤波器303，所述图像对比器302的第一信号输入端连接所述图像识别处理模块200的信号输出端，所述高速帧缓存器301的信号输出端连接所述图像对比器302的第二信号输入端，所述高速帧缓存器301的信号输入端连接所述图像对比器302的第一信号输出端，所述图像对比器302的第二信号输出端连接所述Kalman滤波器303的信号输入端，所述Kalman滤波器303的信号输出端连接所述伺服系统400的信号输入端；

所述伺服系统400包括驱动摄像机在水平方向上运动的水平驱动电机、驱动摄像机在垂直方向上运动的垂直驱动电机、电机驱动板403、LPF低通滤波器402和D/A转换信号放大器401，所述D/A转换信号放大器401的信号输入端连接所述Kalman滤波器303的信号输出端，所述D/A转换信号放大器401的信号输出端连接所述LPF低通滤波器402的信号输入端，所述LPF低通滤波器402的信号输出端连接所述电机驱动板403的信号输入端，所述电机驱动板403的第一信号输出端连接所述水平驱动电机的信号输入端，所述电机驱动板403的第二信号输出端连接所述垂直驱动电机的信号输入端。

实施例8

本实施例在实施例1的基础上：

所述摄像机100为热成像摄像机，内置高清CMOS成像系统；

所述摄像机100为图像传感器尺寸为1/2in,图像分辨率为1080p，有效像素为2000W像素的高清摄像机；

所述光学镜头由750mm—1500mm的长焦变焦镜头和瞄准镜组成；

所述图像识别处理模块200内置DSP图像识别系统；

所述主控制器300包括高速帧缓存器301、图像对比器302和Kalman滤波器303，所述图像对比器302的第一信号输入端连接所述图像识别处理模块200的信号输出端，所述高速帧缓存器301的信号输出端连接所述图像对比器302的第二信号输入端，所述高速帧缓存器301的信号输入端连接所述图像对比器302的第一信号输出端，所述图像对比器302的第二信号输出端连接所述Kalman滤波器303的信号输入端，所述Kalman滤波器303的信号输出端连接所述伺服系统400的信号输入端；

所述伺服系统400包括驱动摄像机在水平方向上运动的水平驱动电机、驱动摄像机在垂直方向上运动的垂直驱动电机、电机驱动板403、LPF低通滤波器402和D/A转换信号放大器401，所述D/A转换信号放大器401的信号输入端连接所述Kalman滤波器303的信号输出端，所述D/A转换信号放大器401的信号输出端连接所述LPF低通滤波器402的信号输入端，所述LPF低通滤波器402的信号输出端连接所述电机驱动板403的信号输入端，所述电机驱动板403的第一信号输出端连接所述水平驱动电机的信号输入端，所述电机驱动板403的第二信号输出端连接所述垂直驱动电机的信号输入端；

所述Kalman滤波器303包括实现Kalman算法的FPGA芯片。

实施例9

如图2所示，本发明一种实现高速跟踪的光学跟踪系统的控制方法，包括如下步骤：

S100、获取目标图像；

S200、将目标图像输送至图像识别处理模块进行特征匹配，如果匹配成功，则判定为有威胁的飞行器；如果匹配失败，则转为人工判断是否为有威胁的飞行器；

S300、判定为无威胁的飞行器后，继续步骤S100；判定为有威胁的飞行器后，通过Kalman算法对飞行器的位置进行计算预判；

S400、根据步骤S300计算出的偏差值驱动摄像机跟踪目标飞行器。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现高速跟踪的光学跟踪系统，其特征在于，包括具有光学镜头的摄像机、存储有全球各种无人机图片资料的参考库的图像识别处理模块、主控制器和控制摄像机运动的伺服系统；所述摄像机的信号输出端连接所述图像识别处理模块的信号输入端，所述图像识别处理模块的信号输出端连接所述主控制器的信号输入端，所述图像识别处理模块内置DSP图像识别系统，所述主控制器的信号输出端连接所述伺服系统的信号输入端；所述主控制器包括高速帧缓存器、图像对比器和Kalman滤波器，所述图像对比器的第一信号输入端连接所述图像识别处理模块的信号输出端，所述高速帧缓存器的信号输出端连接所述图像对比器的第二信号输入端，所述高速帧缓存器的信号输入端连接所述图像对比器的第一信号输出端，所述图像对比器的第二信号输出端连接所述Kalman滤波器的信号输入端，所述Kalman滤波器的信号输出端连接所述伺服系统的信号输入端；所述伺服系统包括驱动摄像机在水平方向上运动的水平驱动电机、驱动摄像机在垂直方向上运动的垂直驱动电机、电机驱动板、LPF低通滤波器和D/A转换信号放大器，所述D/A转换信号放大器的信号输入端连接所述Kalman滤波器的信号输出端，所述D/A转换信号放大器的信号输出端连接所述LPF低通滤波器的信号输入端，所述LPF低通滤波器的信号输出端连接所述电机驱动板的信号输入端，所述电机驱动板的第一信号输出端连接所述水平驱动电机的信号输入端，所述电机驱动板的第二信号输出端连接所述垂直驱动电机的信号输入端。

2.根据权利要求1所述实现高速跟踪的光学跟踪系统，其特征在于，所述摄像机为热成像摄像机，内置高清CMOS成像系统。

3.根据权利要求1所述实现高速跟踪的光学跟踪系统，其特征在于，所述摄像机为图像传感器尺寸为1/2in,图像分辨率为1080p，有效像素为2000W像素的高清摄像机。

4.根据权利要求1或2或3所述实现高速跟踪的光学跟踪系统，其特征在于，所述光学镜头由750mm—1500mm的长焦变焦镜头和瞄准镜组成。

5.根据权利要求1所述实现高速跟踪的光学跟踪系统，其特征在于，所述Kalman滤波器包括实现Kalman算法的FPGA芯片。

6.如权利要求1所述实现高速跟踪的光学跟踪系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100、获取目标图像；

S200、将目标图像输送至图像识别处理模块中与参考库中的无人机进行特征匹配，如果匹配成功，则判定为有威胁的飞行器；如果匹配失败，则转为人工判断是否为有威胁的飞行器；

S300、判定为无威胁的飞行器后，继续步骤S100；判定为有威胁的飞行器后，通过Kalman算法对飞行器的位置进行计算预判；

S400、根据步骤S300计算出的偏差值驱动摄像机跟踪目标飞行器。