CN1204417C - 自动跟踪运动目标的系统和实现方法 - Google Patents

Abstract

一种自动跟踪运动目标的方法和系统。包括：一个可转动的基座和一个跟踪器。基座上的能量发射器会发射出多束不同的能量信号对跟踪器所处区域进行分割扫描；目标物上的跟踪器可接收能量信号并反馈给基座。基座根据此能量信号判别出目标物所处位置，驱动机械传动装置对准目标物。本发明构思巧妙，实现简单，跟踪的实时性好，精度高，可用于自动摄像、自动照明、自动监测等领域，在工农业生产、教育、国防等方面有广泛的应用前景。

Description

自动跟踪运动目标的系统和实现方法

                            技术领域

本发明涉及一种自动跟踪运动目标的系统和实现方法，通过转动基座使得目标物总是处于被跟踪监测的范围内，以便对基座上安置的其他系统例如摄像机聚光灯等进行控制，属于用物理方法进行测量和测试的领域。

                            背景技术

在近距离(20米左右)应用中，有许多场合要求一个物体能知道并指向另一个运动物体的方向。比如，电视会议系统，可视电话以及网络远程教育中实时采集主课堂教学现场信息的摄影等。其他领域类似的运用也很多。在通常的电视会议系统，可视电话系统中，摄像机被固定在一个系统的主体上，只能对处于既定视野内的对象进行拍摄，一旦使用者在谈话期间移动，就要顾及该摄像机，并不得不在观察监视器的同时直接地调节摄像机，这种系统的使用颇为不便。传统的自动跟踪装置包括用于在水平和垂直方向上旋转摄像机的一个摄像机驱动装置和一个用于检测目标移动的运动检测器，该装置产生对应于被测的目标运动矢量的大小和方向的马达驱动信号，并控制摄像机，以便使得该目标定位在摄像机镜头的前方，从而解决了使用上的不方便。但是，在上述的自动方法中，由于使用了图像处理技术，系统的实现比较昂贵，跟踪的实时性受到影响。当目标运动到摄像机取景范围以外时，摄像机便不能够跟踪目标。在摄像机的视野中如果出现与目标类似的颜色、形状时，跟踪动作就会出现无法预知的混乱。因此，当用户想要让一个视频照相机(摄像机)跟踪目标在某一区域的自由运动的时候，这项的技术的局限性就变得相当明显。

美国专利5,465,144(Remote tracking system for moving picture camerasand method)和5,517,300(Remote controlled tracking system for tracking aremote control unit and positioning and operating a camera)中，提出了根据相机中的控制系统所含有的一个参考位置来计算一个目标物的转移角度方向和转移速度，据此确定该移动目标物的实际角度位置，从而控制相机的镜头对准、跟踪该目标物的方法。该方法用来自一固定位置(base)的持续红外线能量源信号，对含有某一目标物的区域进行扫描。这个能量源根据相机的控制系统中所含有的参考位置来改变信号，使每一次扫描过程中该目标物能接收到多个强度级别的扫描信号，从而产生指示扫描信号和物体之间的对准的信息。在目标物上检测其所接收到的信号的强度级别，得到信号里所提供的对准信息。之后从目标物上产生一个返回信号，这个返回信号里包含有从目标物上接收到的位置信息的指示。固定位置(base)接收到返回信号，获取位置指示信息，得出参考位置，确定扫描信号和目标物的相对角度，从而使安装有相机的控制系统进行相应的机械转动，以实现对目标物的跟踪。

上述方法有其合理性，但是，其扫描信号的扫描有效角度范围较小(90度)，故跟踪不够全面；此外，实现起来颇为复杂，对信号发射的机械控制条件要求高，否则难以达到精确的扫描和理想的跟踪效果。

中国专利93104684.X也是一种自动跟踪装置。它的实现是这样的：用带有发射机的主动机遥控带有接收机的被动机，使被动机自动跟随主动机的转动而转动直至对准主动机，从而实现对主动机的跟踪的方法。主动机可以发射电磁波信号和红外信号，被动机采用方向性天线和互成一定角度的两只限向红外接收管来接收信号。由于红外接收管在管窗中有一定的指向，方向性天线也有方向性，通过接收到的电磁波和红外信号就可以使被动机指向主动机。由于电磁波本身固有的特性，电磁波的干扰、反射等比较严重，在近距离判别方向误差很大。而成一定角度的两只限向红外接收管接收红外信号时，由于红外信号发射具有一定方向性，这就要求主动机的红外发射面要始终面向被动机，这就造成使用上极为不便。此类遥控跟踪方法过于粗略，无法达到精确的跟踪、监测效果，其实用性也较差。

                           发明内容

本发明的目的是：提供一套用于近距离自动跟踪运动目标的系统和实现方法。该系统整合了计算机软硬件、电磁波和传感技术、单片机等高新技术，易于实现、精确度高、实时性好，并以较低的成本实现了对运动目标的自动跟踪。本发明同时提供一种自动跟踪运动目标的系统的实施方法。

本发明的技术方案是：采用一个可转动的基座和一个独立于该基座的跟踪器。基座由能在水平方向垂直方向进行旋转的机械转动装置、能量发射器、能接收射频发射器发射信号的射频接收器、对基座各部分进行控制和协调的单片机系统、显示基座当前工作状态的显示面板、与其它设备进行通信的串行接口控制器、检测基座转动到极限位置的尽头检测装置和接收外来控制信号的遥控接收单元组成；能量发射器分为水平能量发射器和垂直能量发射器，它们的结构相同，由不少于2个的能量发射源组成，每个能量发射源可以单独控制。多个能量发射源能分别向多个方位发射出多束经过调制和遮挡的不同频率、形状的能量束，对目标物所处区域进行全面的分割和扫描。单片机系统用于控制机械传动装置在水平垂直两个方向上自由转动、控制显示面板显示工作状态、控制能量发射器使之发射能量束；单片机系统接收并处理遥控接收单元的遥控信号、接收并处理尽头检测装置的检测信号、接收射频接收器的信号；同时，单片机系统通过串口通信控制器与外部设备通信。

所述的跟踪器由能接收能量发射器发射能量的能量接收模块、对跟踪器各部分进行控制的单片机系统、能发射射频信号的射频发射器组成。单片机系统对能量接收模块接收到的信号进行判断，确定信号中包含的位置特征；同时单片机系统把位置特征通过射频发射器以射频的方式发射出去。上述的基座和跟踪器都分别有相应的电源支持。所述的自动跟踪处于运动的目标物的系统的多个能量发射源可以是红外发光二极管、或者是紫外灯、或者是超声换能器。

自动跟踪处于运动的目标物的系统的实施步骤如下：

基座上的能量发射器发出多个红外或其他形式的能量束，该能量束的形状是经过预先定义的，每束能量都经过调制，能量束把照射到的区域分成不同的若干部分并可以在被接收后区别开来，各个能量束中包含有关于照射区域分区情况的信息；

所述的跟踪器上的能量接收感应器接收到能量发射器发出的能量信号，跟踪器进入所述的区域后，跟踪器上的能量接收感应器接收到基座上的能量发射器发射出的能量信号；

能量接收感应器将接收信息发送到在跟踪器上的单片机系统，它判断所接收到的信号所属的发射源，并把相关信息发送到跟踪器上的射频发射器；

跟踪器上的能量发射器通过射频信号把接收到的目标物位置的信号发射出去，被基座上的射频接收器接收；

基座上的射频接收器接收到发出的射频信号后，将该信号输送到基座上的单片机系统；

所述的单片机系统把接收到的射频信号和已知的能量发射信号进行比较，确定跟踪器处于该区域中的具体分区位置；

基座上的单片机系统根据跟踪器所在的位置信息，确定跟踪器和基座指向方向之间的偏差；

当计算出的偏差值在许可范围外时，基座上的单片机系统就根据跟踪器和基座指向方向的偏差，向机械传动装置发出转动指令；否则基座不转动；然后再重复进行的前述的步骤，对移动的目标物的位置变化进行连续性的跟踪。以上步骤在水平和垂直两个方向上分别进行。

本发明的优点在于：

1，基座可以随着目标物的移动进行相应地转动，使跟踪器总是处在基座的正前方，可用于摄影，摄像，自动监测等，尤其是实时远程教育中主教室现场教学的拍摄，交互性极强；再比如，本系统可用在舞台表演中，能自动寻找目标，将灯光投射向表演者，使得舞蹈、音乐、灯光交相辉映，浑然一体。总之，本发明在会议电视、自拍摄像、自动照明、工农业生产、国防等方面都具有很广泛的应用前景。

2，结构简单，可采用通用的元器件，因而在性能、价格方面都较为合理可行。

                             附图说明

图1是根据本发明最佳实施例的一个自动跟踪装置的基座结构示意图；

图2是跟踪器结构示意图；

图3A是基座上的水平能量发射器、垂直能量发射器与辅中央处理器、驱动模块的连接示意图；

图3B是水平/垂直能量发射器的示意图；

图3C是水平/垂直能量发射器的另一种实现方法；

图4是根据本发明的一个实施例的跟踪器上的能量接收模块的工作流程图；

图5是跟踪器的射频发射器的组成框图；

图6是基座的射频接收器的组成框图；

图7A所示的为单片机系统的组成框图；

图7B为单片机系统中主中央处理器的功能示意图；

图7C为单片机系统的辅中央处理器的功能示意图；

图8A为机械传动装置的结构示意图；

图8B为基座的机械传动装置中垂直机械传动装置的示意图；

图8C为基座的机械传动装置中水平机械传动装置的示意图；

图9是尽头检测装置的示意图。

图中包括：能量发射器(1)、单片机系统(2)、射频接收器(3)、机械传动装置(4)、显示面板(5)、串行接口控制器(6)、尽头检测装置(7)、遥控接收单元(8)、能量接收模块(9)、单片机系统(10)、射频发射器(11)、水平能量发射器(12)、垂直能量发射器(13)、能量接收感应器(14)、信号放大器(15)、自动增益控制器(16)、滤波器(17)、检波器(18)、振荡器(19)、电磁波放大器(20)、信息信号相乘器(21)、天线(22)、射频接收器天线(23)、射频信号放大器(24)、本振(25)、混频器(26)、信号放大器(27)、滤波器(28)、检波器(29)、辅中央处理器(30)、主中央处理器(31)、底座(32)、基座底板(33)、齿轮(35)、(42)、轴承(34)、(43)、(44)、电机(36)、(41)、螺母(37)、轴承座(38)、螺丝(39)、(48)、中轴(40)、支架(45)、基座转动部分(46)、凸片(47)、微动开关/(49)、水平机械传动装置(50)、垂直机械传动装置(51)、上拉电阻(52)、接地(53)、驱动器(54)、(55)、能量发射源(56)。

                          具体实施方案

参看图1，基座上的能量发射器1发出多个红外或其他形式的能量束，该红外或其他形式的能量束的形状是经过预先定义的，每束能量都经过调制，而且每束能量的调制信号是有区别的。能量束被接收后可以区别开来，它们把照射到的区域分成不同的若干部分。即，各个能量束中包含有关于照射区域分区情况的信息。

如图3A所示，能量发射器1更进一步包括有驱动器55、水平能量发射器12和垂直能量发射器13，它们由一组能量发射源56组成，在本具体实施方案中，能量采用红外线，能量发射源56指的是红外发光二极管，能量接收模块9指的是红外接收模块；

如图3B所示，所发射出的能量束将跟踪器所在区域(即安置有跟踪器的目标物所处的某一区域)划分成多个更小的具体的区域，每个能量发射源56所发射的能量束形状分别对准一片小区域，因此，跟踪器上的能量接收感应器14在接收到基座的能量发射器1发射出的能量束后，跟踪器的单片机系统10能分辨出所接收到的能量束来自哪个发光二极管。发射器的能量发射源56的数目可以根据实际需要进行增减。通过多个如图3B或图3C装置组合在一起，可以使能量发射器1的覆盖范围达到360度，从而使跟动范围到360度。

能量发射器1还具有如下特征：每一个能量发射源56可以独立控制发光与否。每个能量发射源56两侧都有一挡板，用来遮挡住发射自相邻能量发射源的能量束，每个能量发射源56发出的能量只照亮自己所在两块挡板中间扇形延伸的区域。如图3B，如果中间的能量发射源发出的能量照射到跟踪器，自动跟踪装置就认为是对准了跟踪器。跟踪的精度和中间能量发射源的照射区域关系很大，中间能量发射源的能量散射角α越接近0度，在发射器前面的一定距离范围内中间区域就越小，跟踪精度就越高。而能量发射源56本身的散射角一般在15度以上。如果要α达到2～3度的范围。如图3B，必须加大能量发射源56顶部到挡板顶端的距离L，减小挡板间距离d。如果要减小L的长度，另一种方案见图3C。把中间的能量发射源拿掉，其两侧的能量发射源发出的能量照亮的区域会在前方有交叉，α就是交叉区域的角度。由于该两个能量发射源所使用的调制信号不同，所以在接收端可以区分各个能量发射源发出的信号和它们的交叉区域信号。

图2所示的跟踪器上的能量接收模块9便可接收到基座的能量发射器1发射出的一部分能量信号；参看图4，该能量接收模块9中的放大器15将能量接收感应器14接收到的能量信号进行放大处理后，再将其送到自动增益控制器16进行自动增益处理，此后，再依次通过滤波器17和检波器18对经过处理的该能量信号进行滤波和检波，滤除干扰信号，检出有用信号。能量发射信号通过上述处理后，被传送到单片机系统10。其判断所接收到的信号属于基座上能量发射器1中的哪一个发射源，并产生对应的一个指示信息信号。

如图5所示，由射频发射器11的振荡器19产生高频电磁波，该电磁波经过放大器20放大到所需功率后，上述的由单片机系统10产生的指示信息信号在相乘器21里对该电磁波进行调制，之后，天线22便以射频信号将有关跟踪目标物的位置的信息发射出，以便基座上的射频接收器3进行接收。

如图6所示，基座的射频接收器3的天线23接收到以上步骤中的射频信号后，由放大器24对其进行相应的放大处理。该射频信号经放大后被送入混频器26，以便与由本振25产生的信号相混合，得一频率大小、高低适合的信号，再由另一放大器27将该混频信号放大，放大后的该混频信号再依次经过滤波器28和检波器29进行相应滤波和检波处理，最后检出的数字信号被送入单片机系统2的辅中央处理器30。

如图7A所示，单片机系统2还包括主中央处理器31和辅中央处理器30两个子系统，它们的功能分别由图7B和7C示出：参看图7C，该辅中央处理器30控制能量发射器1和射频接收器3的工作，即一方面它发出发射指令给能量发射器1，使其实时地发射经过调制并预先定义了形状的不同能量束；另一方面控制射频接收器3接收由跟踪器反馈回来的射频信号；然后将该信号和已知的能量发射信号进行比较，据此确定跟踪器和基座指向方向之间的偏差。如果上一步计算出的偏差值在许可范围外，主中央处理器31便依据该偏差，向机械传动装置4发出转动指令，移动基座对准跟踪目标物；否则基座不转动。

如图7B所示，尽头检测装置7检测该基座是否到达每一个方向的旋转范围的极限，如果到了该方向上的转动极限，尽头检测装置7便输出一个检测信号给主中央处理器31，由其进行相应的处理。图7B中，显示面板5显示整个系统工作的状态；串行接口控制器6控制整个系统与其他设备通信的接口；遥控接收单元8接收其他遥控终端对本系统的遥控信息。

如图8A所示，主中央处理器31向机械传动装置4发出指令，指令经过驱动器54驱动水平机械传动装置50和垂直机械传动装置51执行相应的动作。

垂直机械传动装置51的机构如图8B所示，电机41的一端用紧固螺丝固定在支架45上，另一端与齿轮42相接；基座转动部分46的两端分别各穿过轴承43、44固定在支架上，其中，一端穿过轴承43和齿轮42连接在一起。这样，一旦电机41在主中央处理器31发出的垂直旋转指令控制下开始转动时，便带动了齿轮42的旋转，于是基座的垂直方向转动部分46也就围绕着轴承43、44旋转预期的角度。水平机械传动装置50的结构如图8C所示，中轴40将基座底座32、齿轮35从下至上通过若干螺母37连接起来，该中轴顶部与轴承34相接，轴承34的轴承座38也用紧固螺丝39与基座底板33固定在一起。电机36的上端也由紧固螺丝将其与基座底板33相接，其下端则和齿轮35相接。这样，当主中央处理器31发送水平转动指令促使电机36转动时，该电机就会带动齿轮35转动一定的预期角度，也带动基座底板33围绕着轴承34转动了一定角度。在此，需要说明的是，图8B、8C中的两组齿轮也可以用蜗轮、蜗杆代替。

如图9所示，齿轮35、42上面有一塑料凸片47，该塑料凸片由螺丝钉48固定在齿轮的临近边缘处。微动开关49一端通过上拉电阻52接到电源正V+，同时这一端还接到主中央处理器31输入端。微动开关49另一端接地53。这样，当齿轮35以及齿轮42转动到塑料凸片47碰触到微动开关49的触头时，微动开关49接通。主中央处理器31检测出齿轮乃至基座底板33或转动部分46的旋转是否到达他们旋转范围的极限，并根据这个检测信号执行相应的程序。

自动跟踪处于运动的目标物的系统的实施方法步骤如下：

基座上的能量发射器1发出多个红外或其他形式的能量束，该能量束的形状是经过预先定义的，每束能量都经过调制，能量束把照射到的区域分成不同的若干部分并可以在被接收后区别开来，各个能量束中包含有关于照射区域分区情况的信息；

所述的跟踪器上的能量接收感应器14接收到能量发射器1发出的能量信号，跟踪器进入所述的区域后，跟踪器上的能量接收感应器14接收到基座上的能量发射器1发射出的能量信号；

能量接收感应器14将接收信息发送到在跟踪器上的单片机系统10，它判断所接收到的信号所属的发射源，并把相关信息发送到跟踪器上的射频发射器11；

跟踪器上的能量发射器1通过射频信号把接收到的目标物位置的信号发射出去，被基座上的射频接收器3接收；

基座上的射频接收器3接收到发出的射频信号后，将该信号输送到基座上的单片机系统10；

所述的单片机系统把接收到的射频信号和已知的能量发射信号进行比较，确定跟踪器处于该区域中的具体分区位置；

基座上的单片机系统10根据跟踪器所在的位置信息，确定跟踪器和基座指向方向之间的偏差；

当计算出的偏差值在许可范围外时，基座上的单片机系统2就根据跟踪器和基座指向方向的偏差，向机械传动装置4发出转动指令；否则基座不转动；然后再重复进行的前述的步骤，对移动的目标物的位置变化进行连续性的跟踪。以上步骤在水平和垂直两个方向上分别进行，以跟踪空间中的跟踪器。

尽管在此详细地描述了本发明的实施例，但是在不背离本发明的构思原理和范围的条件下可以实施许多修正方案。

Claims (3)

1.自动跟踪处于运动的目标物的系统，包括一个可转动的基座和一个独立于该基座的跟踪器，其特征在于：

所述的基座由能在水平方向垂直方向进行旋转的机械转动装置(4)、能量发射器(1)、能接收射频发射器(11)发射信号的射频接收器(3)、对基座各部分进行控制和协调的单片机系统(2)、显示基座当前工作状态的显示面板(5)、与其它设备进行通信的串行接口控制器(6)、检测基座转动到极限位置的尽头检测装置(7)和接收外来控制信号的遥控接收单元(8)组成；能量发射器(1)分为水平能量发射器(12)和垂直能量发射器(13)，它们的结构相同，由不少于2个的能量发射源(56)组成，每个能量发射源可以单独控制；多个能量发射源能分别向多个方位发射出多束经过调制和遮挡的不同频率、形状的能量束，对目标物所处区域进行全面的分割和扫描；单片机系统(2)用于控制机械传动装置(4)在水平垂直两个方向上自由转动，控制显示面板(5)显示工作状态，控制能量发射器(1)使之发射能量束；单片机系统(2)接收并处理遥控接收单元(8)的遥控信号，接收并处理尽头检测装置(7)的检测信号，接收射频接收器(3)的信号；同时，单片机系统(2)通过串口通信控制器(6)与其它外部设备通信；

所述的跟踪器由能接收能量发射器(1)发射能量的能量接收模块(9)、对跟踪器各部分进行控制的单片机系统(10)、能发射射频信号的射频发射器(11)组成；单片机系统(10)对能量接收模块(9)接收到的信号进行判断，确定信号中包含的位置特征；同时单片机系统(10)把位置特征通过射频发射器(11)以射频的方式发射出去。

2.按照权利要求1所述的自动跟踪处于运动的目标物的系统，其特征在于：所述的多个能量发射源(56)可以是红外发光二极管、或者是紫外灯、或者是超声换能器。

3.一种自动跟踪处于运动的目标物的系统的实施方法，步骤如下：

基座上的能量发射器(1)发出多个红外或其他形式的能量束，该能量束的形状是经过预先定义的，每束能量都经过调制，能量束把照射到的区域分成不同的若干部分并可以在被接收后区别开来，各个能量束中包含有关于照射区域分区情况的信息；

所述的跟踪器上的能量接收感应器(14)接收到能量发射器(1)发出的能量信号，跟踪器进入所述的区域后，跟踪器上的能量接收感应器(14)接收到基座上的能量发射器(1)发射出的能量信号；

能量接收感应器(14)将接收信息发送到在跟踪器上的单片机系统(10)，它判断所接收到的信号所属的发射源，并把相关信息发送到跟踪器上的射频发射器(11)；

跟踪器上的能量发射器(1)通过射频信号把接收到的目标物位置的信号发射出去，被基座上的射频接收器(3)接收；

基座上的射频接收器(3)接收到发出的射频信号后，将该信号输送到基座上的单片机系统(10)；

所述的单片机系统把接收到的射频信号和已知的能量发射信号进行比较，确定跟踪器处于该区域中的具体分区位置；

基座上的单片机系统(10)根据跟踪器所在的位置信息，确定跟踪器和基座指向方向之间的偏差；

当计算出的偏差值在许可范围外时，基座上的单片机系统(2)就根据跟踪器和基座指向方向的偏差，向机械传动装置(4)发出转动指令；否则基座不转动；然后再重复进行的前述的步骤，对移动的目标物的位置变化进行连续性的跟踪；

以上步骤在水平和垂直两个方向上分别进行。

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