CN113008079A - 一种基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，用于能够在一定范围内对目标进行自动定位跟踪，主要包括底座、转台、俯仰调节执行机构、发射枪、视觉系统及运动控制系统，所述发射枪的枪头位置装有摄像头，所述视觉系统包括摄像头和图像处理器单元。转台由驱动装置驱动旋转，运动控制系统和驱动装置、俯仰调节执行机构电连接，根据视觉系统所标定的目标，进行实时调整转角与俯仰角，实现发射枪对目标的定位和跟踪。机器视觉伺服控制利用环境的视觉信息进行相关反馈，对环境进行非接触测量，获取目标的相关位置信息，从而调整发射枪的俯仰角和转角，实时定位跟踪目标，相对于人工瞄准，具有更高的精度和命中率。

Description

一种基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置
技术领域
本发明涉及捕捉网发射装置，具体为一种基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置。
背景技术
目前市面上的捕捉网发射装置，皆是人工手持瞄准发射，这种方法对于始终处于运动状态的目标来说，瞄准精度低，捕捉网命中率低，由于对操作人员的要求较高，故该方法存在一定的局限性和单一性。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，以实现对捕捉目标的实时定位跟踪和捕捉。
技术方案：本发明所述的一种基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：包括装置本体、视觉系统和运动控制系统；
所述视觉系统包括摄像头(10)和图像处理单元；
所述装置本体包括底座(1)，底座(1)上方安装有转台(2)，转台(2)由驱动装置驱动旋转；转台(2)上安装有俯仰调节执行机构，俯仰调节执行机构上安装有发射枪(6)，摄像头(10)安装在发射枪的枪头位置；
所述运动控制系统和驱动装置电连接，用于控制转台(2)转动，并接收驱动装置反馈的角度信息；所述运动控制系统和俯仰调节执行机构电连接，用于控制俯仰调节执行机构俯仰运动，并获取俯仰调节执行机构反馈的位置信息；优选的，所述图像处理单元和运动控制系统通过CAN总线与工控机通信。
摄像头将拍摄的图像传入图像处理单元，图像处理单元获取目标在图像中的位置，并将表征目标位置的矢量值发送至运动控制系统，运动控制系统控制转台和俯仰调节执行机构动作，实现发射枪对目标的定位。
进一步的，在完成目标定位的基础上，摄像头将拍摄的图像传入图像处理单元，图像处理单元预测目标在图像中的动向，并将表征目标位移的矢量值发送至运动控制系统，运动控制系统控制转台和俯仰调节执行机构动作，实现发射枪对目标的跟踪。
具体的，所述俯仰调节执行机构包括俯仰台(5)和若干电动缸，所述电动缸一端和俯仰台(5)底面铰接，另一端和转台(2)铰接，所述发射枪安装在俯仰台(5)上；所述电动缸和运动控制系统电连接，运动控制系统控制电动缸伸缩，并接收电动缸的位置反馈。
优选的，所述电动缸的数量为3，包括第一电动缸、第二电动缸和第三电动缸，发射枪(6)的枪头指向第一电动缸；第二电动缸和第三电动缸伸长，第一电动缸缩短时，实现调整俯角动作；第二电动缸和第三电动缸缩短，第一电动缸伸长时，实现调整仰角动作，电动缸的具体伸长/缩短的距离由视觉系统所获得的调整角度信息确定。具体的，所述传动齿轮轴(9)和转台(2)之间通过键联接。
进一步的，所述驱动装置包括电机(7)、安装在电机输出轴上的齿轮(8)，以及和齿轮(8)相啮合的传动齿轮轴(9)，所述转台(2)安装在传动齿轮轴(9)上；电机(7)驱动后，依次通过齿轮(8)和传动齿轮轴(9)带动转台(2)旋转；所述电机(7)和运动控制系统电连接，运动控制系统控制电机运转，并接收电机的角度反馈。
进一步的，图像处理单元获取目标在图像中的位置，并将由当前帧图像中心位置指向目标中心位置的矢量值发送至运动控制系统，所述运动控制系统根据矢量值控制转台和俯仰调节执行机构动作，实现发射枪对目标的定位，具体步骤如下：
(1)图像采集和图像处理：
(1.1)摄像头采集图像，图像处理单元读取摄像头传入的当前帧图像；对当前帧图像和预存的目标模板图像进行预处理；
(1.2)通过特征点提取算法(如Sift、Surf、ORB、AGAST等算法)对当前帧图像和目标模板图像的灰度图像进行特征点提取；
(1.3)通过特征点匹配算法(如Flann、BRIEF、BRISK等算法)对当前帧图像进行特征点匹配；
(1.4)通过匹配点筛选算法(如Lowe’s、RANSAC等算法)过滤出优秀匹配点，去除误匹配点；
(1.5)根据特征点匹配的结果定位出目标在当前帧图像中的位置，并确定目标中心坐标；
(1.6)计算当前帧图像中心坐标指向目标中心坐标的位置矢量值；
(2)运动学反解：
基于图像处理单元获得的位置矢量值，通过运动学反解，获得电动缸伸长量和电机转动角度量；
(3)运动控制：
运动控制系统根据反解得到的电动缸伸长量和电机转动角度量，输出相应的模拟量控制信号，从而控制电动缸和电机完成相应的动作，同时，通过电动缸的位置反馈和电机的角度反馈保证动作的精确性，实现摄像头的光轴始终通过目标位置的中心，即目标始终处于每一帧图像的中心位置，以此实现发射枪对目标的定位。
进一步的，在完成定位的基础上，摄像头将拍摄的图像传入图像处理单元，图像处理单元确定目标在图像中的动向，并将表征目标位移的矢量值发送至运动控制系统，运动控制系统控制转台和俯仰调节执行机构动作，实现发射枪对目标的跟踪，具体步骤如下：
(1)图像采集和图像处理：
(1.1)摄像头采集图像，图像处理单元读取摄像头传入的当前帧图像和下一帧图像；对当前帧图像和下一帧图像进行预处理；
(1.2)通过特征点提取算法(如Sift、Surf、ORB、AGAST等算法)对当前帧图像和目标模板图像的灰度图像进行特征点提取；
(1.3)通过特征点匹配算法(如Flann、BRIEF、BRISK等算法)对当前帧图像进行特征点匹配；
(1.4)通过匹配点筛选算法(如Lowe’s、RANSAC等算法)过滤出优秀匹配点，去除误匹配点；
(1.5)通过目标跟踪算法(如Meanshift、Camshift等算法)对目标进行当前帧和下一帧的跟踪，并计算获得当前帧目标中心位置指向下一帧目标中心位置的位移矢量值。
(2)运动学反解：
基于图像处理单元获得的位移矢量值，通过运动学反解，获得电动缸伸长量和电机转动角度量；
(3)运动控制：
运动控制系统根据反解得到的电动缸伸长量和电机转动角度量，输出相应的模拟量控制信号，从而控制电动缸和电机完成相应的动作，同时，通过电动缸的位置反馈和电机的角度反馈保证动作的精确性，以此实现发射枪对目标的定位与跟踪。
在上述目标跟踪过程中，若发生目标的丢失，将对目标重新定位，再进行跟踪
与现有技术相比，本发明具有如下显著进步：1、本发明的转台和俯仰台分别代替了人工实现转角和俯仰角的调整，节省了人力和成本；2、机器视觉伺服控制利用环境的视觉信息进行相关反馈，对环境进行非接触测量，获取目标的相关位置信息，从而调整发射枪的俯仰角和转角，实时定位跟踪目标，相对于人工瞄准，具有更高的精度和命中率。
附图说明
图1为发明的装置结构示意图；
图2为底座内部的传动示意图；
图3为硬件连接示意图；
图4为软件算法原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细地说明。
如图1-3所示，一种基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，包括底座1、转台2、下平台3、电动缸4、俯仰台5、发射枪6、视觉系统和运动控制系统，视觉系统包括摄像头10和图像处理器单元。图像处理单元和运动控制系统通过CAN总线与工控机通信。
俯仰台5和下平台3之间设有第一电动缸、第二电动缸和第三电动缸，三根电动缸4与下平台3和俯仰台5皆通过虎克铰连接，三根电动缸4在下平台3和俯仰台5的安装呈夹角120°安装布置，发射枪6的枪头指向第一电动缸。第二电动缸和第三电动缸伸长，第一电动缸缩短，实现调整俯角动作；第二电动缸和第三电动缸缩短，第一电动缸伸长，实现调整仰角动作，具体伸长缩短的距离，根据视觉系统所获得的调整角度信息决定。
运动控制系统和三根电动缸电连接，用于控制电动缸电伸缩，并接收电动缸的位置反馈，电动缸的位置和俯仰台5的俯仰角度相关联。
俯仰台5上设有安装孔，用于安装发射枪6，摄像头10位于发射枪6的枪头位置，在三根电动缸的控制下，俯仰台5带动发射枪6实现俯仰调节。
底座1上开设有固定孔，用于与工作位置安装固定。底座1内设有驱动装置，驱动装置包括驱动电机7、安装在电机上的齿轮8、以及传动齿轮轴9，齿轮8和传动齿轮轴9相啮合，传动齿轮轴9与转台2之间通过键联接，下平台3与转台2通过螺栓固定。运动控制系统与电机电连接，用于控制驱动电机7运转，并接收驱动电机7的角度反馈，驱动电机7的角度表征了转台的转动角度。驱动电机7运转后，依次通过齿轮8、传动齿轮轴9带动转台2转动，进而带动下平台3上的电动缸4、俯仰台5以及发射枪6转动。
该装置的具体工作过程分为定位和跟踪，具体介绍如下：
一、准备过程如下：
1.使用opencv中的findChessboardCorners()函数对棋盘格角点进行检测；
2.使用opencv中的drawChessboardCorners()函数将角点绘制到图像上显示；
3.使用opencv中的calibrateCamera()函数进行标定，得到摄像头内参数矩阵和畸变系数；
4.利用所得到的内参数矩阵和畸变系数对图像进行去畸变。
二、定位过程的具体工作原理如下：
根据各单元的功能不同，可以将定位过程分为四部分。
1.图像采集过程
本发明所采用的的摄像头，可以将被摄景物的光强信号转化为数字信号，通过摄像头获得被摄景物的每一帧图像，并将其传入图像处理单元。
2.图像处理过程
具体处理过程如下：
1)读取摄像头传入的当前帧图像。
2)对当前帧图像和事先存入工控机中的目标模板图像进行预处理，包括高斯模糊消除噪声处理以及灰度化处理，高斯模糊处理是为了消除一些环境中不必要的噪声干扰，灰度处理是为了下一步特征点提取处理做准备。
3)对于当前帧图像和目标模板图像的灰度图像通过Surf、Sift、ORB、AGAST等特征点提取算法进行特征点提取。
4)通过Flann、BRIEF、BRISK等特征点匹配算法对当前帧图像进行相应的特征点匹配。
5)通过Lowe’s、RANSAC等匹配点筛选算法的过滤功能，过滤出高匹配的优秀匹配点。
6)根据局部特征点匹配的结果定位出目标在当前帧图像中的位置，并确定中心坐标。
7)计算当前帧图像中心坐标指向目标中心坐标的矢量值。
3.运动学反解过程
图像处理单元最终获得的矢量值传入工控机中，通过运动学反解，可以获得相应的三根电动缸伸长量和驱动电机转动角度量。
4.运动控制过程
工控机将反解得到的三根电动缸伸长量和驱动电机转动角度量传入运动控制单元，并输出相应的模拟量控制信号，从而控制三根电动缸和驱动电机完成相应的动作，并通过位置反馈和角度反馈保证动作的精确性，实现摄像头的光轴始终通过目标位置的中心，即目标始终处于每一帧图像的中心位置。
三、跟踪过程的具体工作原理如下：
在完成目标定位的基础上，跟踪过程分为如下四部分。
1.图像采集过程
通过摄像头可以实时获得被摄景物的每一帧图像，并将其传入图像处理单元。
2.图像处理过程
具体处理过程如下：
1)读取摄像头传入的当前帧图像和下一帧图像。
2)对当前帧图像和下一帧图像进行预处理，包括高斯模糊消除噪声处理以及灰度化处理。
3)对于当前帧图像和下一帧图像的灰度图像通过Surf算法进行特征点提取。
4)通过Flann算法对当前帧图像进行相应的特征点匹配。
5)通过Lowe’s算法的过滤功能过滤出高匹配的优秀匹配点。
6)根据局部特征点匹配的结果预测目标在下一帧中的位置。
7)通过目标跟踪算法(如Meanshift、Camshift等算法)对目标进行当前帧和下一帧的跟踪，并计算获得当前帧目标中心位置指向下一帧目标中心位置的位移矢量值。以Meanshift为例，将下一帧的图像转化为反向投影图，作为Meanshift算法的输入，并将预测的位置作为Meanshift算法迭代的初始位置，迭代Meanshift向量以确定目标在下一帧中的位置，并获得一个当前帧图像目标位置指向下一帧图像目标位置的矢量值。
3.运动学反解过程
图像处理单元最终获得的矢量值传入工控机中，通过运动学反解，可以获得相应的三根电动缸伸长量和驱动电机转动角度量。
4.运动控制过程
工控机将反解得到的三根电动缸伸长量和驱动电机转动角度量传入运动控制单元，并输出相应的模拟量控制信号，从而控制三根电动缸和驱动电机完成相应的动作，并通过位置反馈和角度反馈保证动作的精确性，最终实现对目标的实时定位跟踪。
上述跟踪过程中若发生目标的丢失，将进行对目标的重复定位过程，并重新跟踪。具体的，考虑到对目标跟踪的实时性，本实施例设定Meanshift算法的迭代结束条件为迭代次数小于等于500(该设定值可根据实际情况选取一个较优值)，即对下一帧图像进行Meanshift算法迭代的次数超过500次时，即可判断目标发生丢失，并重新进行定位过程。
本发明的角度调整信息是通过视觉系统获得的，即通过摄像头获得目标视觉信息，通过图像处理单元获得相应的矢量值，再通过工控机的结算，获得相应的控制信息，从而实现电动缸和驱动电机作出相应的动作，最终实现对物体的实时定位跟踪效果。

Claims (10)

1.一种基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：包括装置本体、视觉系统和运动控制系统；
所述视觉系统包括摄像头(10)和图像处理单元；
所述装置本体包括底座(1)，底座(1)上方安装有转台(2)，转台(2)由驱动装置驱动旋转；转台(2)上安装有俯仰调节执行机构，俯仰调节执行机构上安装有发射枪(6)，摄像头(10)安装在发射枪的枪头位置；
所述运动控制系统和驱动装置电连接，用于控制转台(2)转动，并接收驱动装置反馈的角度信息；所述运动控制系统和俯仰调节执行机构电连接，用于控制俯仰调节执行机构俯仰运动，并获取俯仰调节执行机构反馈的位置信息；
摄像头将拍摄的图像传入图像处理单元，图像处理单元获取目标在图像中的位置，并将表征目标位置的矢量值发送至运动控制系统，运动控制系统控制转台和俯仰调节执行机构动作，实现发射枪对目标的定位。
2.根据权利要求1所述的基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：在完成目标定位的基础上，摄像头将拍摄的图像传入图像处理单元，图像处理单元预测目标在图像中的动向，并将表征目标位移的矢量值发送至运动控制系统，运动控制系统控制转台和俯仰调节执行机构动作，实现发射枪对目标的跟踪。
3.根据权利要求1和2所述的基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：所述俯仰调节执行机构包括俯仰台(5)和若干电动缸，所述电动缸一端和俯仰台(5)底面铰接，另一端和转台(2)铰接，所述发射枪安装在俯仰台(5)上；所述电动缸和运动控制系统电连接，运动控制系统控制电动缸伸缩，并接收电动缸的位置反馈。
4.根据权利要求3所述的基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：所述电动缸的数量为3，包括第一电动缸、第二电动缸和第三电动缸，发射枪(6)的枪头指向第一电动缸；第二电动缸和第三电动缸伸长，第一电动缸缩短时，实现调整俯角动作；第二电动缸和第三电动缸缩短，第一电动缸伸长时，实现调整仰角动作，电动缸的具体伸长/缩短的距离由视觉系统所获得的调整角度信息确定。
5.根据权利要求3所述的基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：所述传动齿轮轴(9)和转台(2)之间通过键联接。
6.根据权利要求1和2所述的基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：所述驱动装置包括电机(7)、安装在电机输出轴上的齿轮(8)，以及和齿轮(8)相啮合的传动齿轮轴(9)，所述转台(2)安装在传动齿轮轴(9)上；电机(7)驱动后，依次通过齿轮(8)和传动齿轮轴(9)带动转台(2)旋转；所述电机(7)和运动控制系统电连接，运动控制系统控制电机运转，并接收电机的角度反馈。
7.根据权利要求1所述的基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：所述图像处理单元和运动控制系统通过CAN总线与工控机通信。
8.根据权利要求3所述的基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于，图像处理单元获取目标在图像中的位置，并将由当前帧图像中心位置指向目标中心位置的矢量值发送至运动控制系统，所述运动控制系统根据矢量值控制转台和俯仰调节执行机构动作，实现发射枪对目标的定位，具体步骤如下：
(1)图像采集和图像处理：
(1.1)摄像头采集图像，图像处理单元读取摄像头传入的当前帧图像；对当前帧图像和预存的目标模板图像进行预处理；
(1.2)通过特征点提取算法对当前帧图像和目标模板图像的灰度图像进行特征点提取；
(1.3)通过特征点匹配算法对当前帧图像进行特征点匹配；
(1.4)通过匹配点筛选算法过滤出优秀匹配点，去除误匹配点；
(1.5)根据特征点匹配的结果定位出目标在当前帧图像中的位置，并确定目标中心坐标；
(1.6)计算当前帧图像中心坐标指向目标中心坐标的位置矢量值；
(2)运动学反解：
基于图像处理单元获得的位置矢量值，通过运动学反解，获得电动缸伸长量和电机转动角度量；
(3)运动控制：
运动控制系统根据反解得到的电动缸伸长量和电机转动角度量，输出相应的模拟量控制信号，从而控制电动缸和电机完成相应的动作，同时，通过电动缸的位置反馈和电机的角度反馈保证动作的精确性，实现摄像头的光轴始终通过目标位置的中心，即目标始终处于每一帧图像的中心位置，以此实现发射枪对目标的定位。
9.根据权利要求8所述的基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：在完成定位的基础上，摄像头将拍摄的图像传入图像处理单元，图像处理单元确定目标在图像中的动向，并将表征目标位移的矢量值发送至运动控制系统，运动控制系统控制转台和俯仰调节执行机构动作，实现发射枪对目标的跟踪，具体步骤如下：
(1)图像采集和图像处理：
(1.1)摄像头采集图像，图像处理单元读取摄像头传入的当前帧图像和下一帧图像；对当前帧图像和下一帧图像进行预处理；
(1.2)通过特征点提取算法对当前帧图像和目标模板图像的灰度图像进行特征点提取；
(1.3)通过特征点匹配算法对当前帧图像进行特征点匹配；
(1.4)通过匹配点筛选算法过滤出优秀匹配点，去除误匹配点；
(1.5)通过目标跟踪算法对目标进行当前帧和下一帧的跟踪，并计算获得当前帧目标中心位置指向下一帧目标中心位置的位移矢量值。
(2)运动学反解：
基于图像处理单元获得的位移矢量值，通过运动学反解，获得电动缸伸长量和电机转动角度量；
(3)运动控制：
运动控制系统根据反解得到的电动缸伸长量和电机转动角度量，输出相应的模拟量控制信号，从而控制电动缸和电机完成相应的动作，同时，通过电动缸的位置反馈和电机的角度反馈保证动作的精确性，以此实现发射枪对目标的定位与跟踪。
10.根据权利要求9所述的基于视觉定位跟踪的捕捉网发射装置，其特征在于：在目标跟踪过程中，若发生目标的丢失，将对目标重新定位，再进行跟踪。
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