CN1466372A - 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

本发明涉及一种自动跟踪运动目标的方法，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(摄像机/聚光灯等)进行控制；还涉及与本方法相应的装置和系统。

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，由于使用了图象处理技术，系统的实现比较昂贵，跟踪的实时性受到影响。而且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。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)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。

中国专利局申请号为93104684.X的专利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，在近距离判别方同误差很大。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。

为了解决上述的问题，本发明提供一套用于近距离自动跟踪的方法和技术。该技术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，并具有自己独特的创造性革新。目的是提供一种易于实现、精确度高、实时性好的自动跟踪方法，与该方法相应的装置亦是物美价廉，以较低的成本实现了对运动目标的自动跟踪。

本发明的一个目的，是提供一种自动跟踪装置和方法，该装置主要由两大部分组成，即一个可以自由转动任意角度的基座和一个独立于该基座的跟踪器，基座发射出能量束对跟踪器进行连续的跟踪。

根据本发明的上述目的，提供采用一种自动跟踪移动目标物的装置。该自动跟踪装置包括：一个可转动的基座(如图1所示)和一个独立于该基座的跟踪器(如图2所示)。本文只是描述了本发明的一个具体实现。为了叙述及实现上的方便，在摘要及权利说明书中提到的能量、能量发射器、能量发射源分别以红外、红外发射器、红外发光二极管来实现。

该基座包括有红外发射器1、MCU系统2、RF接收器3、机械传动装置4、显示面板5、RS232和RS485控制器6、尽头检测装置7和遥控接收单元8。其中，红外发射器1又包括水平红外发射器12、垂直红外发射器13，水平红外发射器12、垂直红外发射器13的结构类似，它们都由一组(多个)发光二极管组成，能同时向多个方位发射出多束经过不同信号调制的红外能量束，从而对目标物所处区域进行全面的分割。MCU系统2连接RF接收器3、机械传动装置4、显示面板5和遥控接收单元8；同时，MCU系统2还向红外发射器1发出指令，使后者发射红外光能量束。RF接收器3接收由跟踪器上的RF发射器11发射回来的RF信号。机械传动装置4接受MCU系统的转动指令按预期方向和预期位置转动基座，以使得基座对准跟踪目标物。显示面板5显示整个系统的工作状态。RS232和RS485控制器6负责控制本发明整个系统与其他系统/设备通信的接口。尽头检测装置7检测基座转动的极限位置，使基座转到一定预期位置即停止。遥控接收单元8，接收对本系统的遥控信息。

如图2所示的跟踪器佩带或安置在目标物上，该跟踪器包括红外接收模块9、CPU10和RF发射器11，其中：红外接收模块9接收从基座的红外发射器1发射出的能量束IR信号。CPU10处理红外接收模块9接收到的IR信号并控制RF发射器11的工作。RF发射器11以RF信号的形式将红外接收模块9接收到的包含有目标物位置的信息发射出去，以使其被上述的基座的RF接收器接收。

上述的基座和跟踪器都分别有相应的电源支持。

根据本发明的另一方面目的，提供一种自动跟踪控制方法，该自动跟踪方法包括下列步骤(以下步骤分别在水平和垂直两个方向上进行)：

(a)基座上的红外发射器1发射出多束经过调制的预先定义了形式的不

同的红外能量束，对跟踪目标物所处区域进行划分，比如1区、2区、

3区……n区；

(b)安置在跟踪目标物上的跟踪器感应并且接收到步骤(a)发射出的

某一部分IR信号；

(c)上述的跟踪器的RF发射器11将关于步骤(b)中所接收到的IR信

号的信息以RF的形式发射出去；

(d)基座上的RF接收器3接收到步骤(c)中发射出去的RF信号；

(e)基座的MCU系统根据步骤(a)的划分信息和步骤(d)的RF信号接

收信息判别出跟踪目标物所处的具体方位，并且通过控制基座的机

械传动装置4相应地转动基座，使基座对准目标物，从而完成一次

自动跟踪过程；

(f)再从步骤(a)开始，进行对移动目标物的连续性跟踪。

上述的过程在水平和垂直两个方向上进行。

通过下面结合附图的详细描述，将会有助于更清楚地理解本发明的上述及其他目的、特点和优越性。

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是基座上的水平红外发射器12、垂直红外发射器13与单片机辅CPU 30、驱动模块的连接示意图；图3B是水平红外发射器12(或垂直红外发射器13)的示意图；图3C是水平红外发射器12(或垂直红外发射器13)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红外接收模块9的工作流程图；图5是跟踪器的RF发射器11的组成框图；图6是基座的RF接收器3的组成框图；图7A所示的为MCU系统2的组成框图；图7B为MCU系统2的主CPU的功能示意图；图7C为MCU系统2的辅CPU的功能示意图；图8A为机械传动部分4的结构示意图；图8B为基座的机械传动装置4的转动机械机构示意图；图8C为基座的机械传动装置4的转动机械机构示意图；图9是尽头检测装置示意图。

参看图1，基座上的红外发射器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，红外发射器1更进一步包括有驱动55、水平红外发射器12和垂直红外发射器13，它们由一组(n个，n≥1)发光二极管组成，如图3B所示，所发射出的能量束将跟踪器所在区域(即安置有跟踪器的跟踪目标物所处的某一区域)划分成n个更小的具体的区域，每个发光二极管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IR感应器14在接收到基座的红外发射器1发射出的红外能量束后，跟踪器的CPU能分辨出所接收到的能量束来自哪个发光二极管。发射器的红外发光二极管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，可以使红外发射器1的覆盖范围达到360度，从而使跟动范围到360度。

红外发射器1还具有如下特征：每一个红外发光二极管可以独立控制(发光与否)。每个红外发光二极管两侧都有一挡板，用来遮挡住发射自相邻红外发光二极管的能量束，每个红外发光二极管发出的红外光束只照亮自己所在两块挡板中间扇形延伸的区域。如图3B，如果中间的发光二极管LED3的发出的红外光束照射到跟踪器，本自动跟踪装置就认为是对准了跟踪器。跟踪的精度和中间红外发光二极管的照射区域关系很大，中间发光二极管的光束散射角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。而红外发光二极管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，必须加大红外发光二极管顶部到挡板顶端的距离1，减小挡板间距离d。由于市面上常见的具有足够功率的发光二极管的直径是5mm，经过计算，α＝3度、d＝5mm时，1必须达到9.5cm。如果要减小1的长度，我们又设计了另一种方案，见图3C。把中间的红外发光二极管LED3拿掉，红外发光二极管LED2红外发光二极管LED4发出的红外光照亮的区域会在前方有交叉。图中的α就是交叉区域的角度。由于红外发光二极管LED2红外发光二极管LED4所使用的调制信号不同，所以在接收端可以区分红外发光二极管LED2发出的信号、红外发光二极管LED4发出的信号和它们的交叉区域信号。采用这样的结构，经过计算和试验，α＝2度，d＝9mm时，1＝4cm。这个尺寸比图3B的尺寸小了一半多。

图2所示的跟踪器上的红外接收模块9便可接收到基座的红外发射器1发射出的一部分IR信号，参看图4，该红外接收模块中的放大器15将红外接收感应器14接收到的IR信号进行放大处理，之后，再将其送到AGC16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IR信号进行滤波和检波，滤除干扰信号，检出有用信号。IR发射信号通过上述处理后，被传送到CPU 10。该CPU 10判断所接收到的信号属于基座上红外发射器1中的哪一个发射源，并产生对应的一指示信息信号。

如图5所示，由RF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CPU 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RF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RF接收器3进行接收。

如图6所示，基座的RF接收器3的天线23接收到以上步骤中的RF信号，然后，对其进行相应的放大处理，此工作由放大器24完成。该RF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MCU系统2的辅CPU 30。

再如图7A所示，MCU系统2还包括主CPU 31和辅CPU 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CPU 30控制红外发射器1和RF接收器3的工作，即，一方面，它发出发射指令给红外发射器11，使红外发射器1实时地发射经过调制并预先定义了形状的不同红外能量束；另一方面，它控制RF接收器3接收由跟踪器反馈回来的RF信号；然后，将接收到的RF信号和已知的红外发射信号进行比较，据此确定跟踪器和基座指向方向之间的偏差。

至此，如果上一步计算出的偏差值在许可范围外，那么，主CPU 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并输出一个检测信号给主CPU 31，由主CPU 31进行相应的处理。图7B中，显示面板5显示本发明整个系统工作的状态  RS232和RS485控制器6，分别符合RS232和RS485标准，它们控制本发明整个系统与其他系统/设备通信的接口；遥控接收单元8，它负责接收其他遥控终端对本系统的遥控信息。

图8A为机械传动部分4的结构示意图。主CPU 31向机械传动装置4发出指令，指令经过驱动54产生驱动电流，驱动电流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。图8C和图8B分别为水平机械传动装置50和垂直机械传动装置51的机构组成示意图。

垂直机械传动装置51的机构如图8B所示，步进电机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，一旦步进电机41在主CPU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。步进电机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CPU发送水平转动指令促使步进电机36转动时，该电机就会带动齿轮35转动一定的预期角度，相应地，便也带动基座底板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，也可以以蜗轮、蜗杆代替。

如图9所示，齿轮35(以及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CPU 31输入端。微动开关49另一端接地53。这样，当齿轮35(以及42)转动到塑料凸片碰触到微动开关49的触头时，微动开关49接通。主CPU 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。

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精神和范围的条件下也有许多修正可以实现。

与本发明的自动跟踪方法和技术相应的自动跟踪装置，避免了使用昂贵的特殊处理器件和信号处理系统，而采用通用的元器件，因而在性能、价格方面都较为合理可行。

本发明的装置构思巧妙，结构简单，基座可以随着目标物的移动进行相应地转动，使跟踪器(目标物)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，生动，细致，交互性极强；再比如，本系统用在舞台表演中，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。

Claims (8)

1.一种能够自动跟踪处于静止状态或正在运动的目标物的系统(装置)。包括：一个可转动的基座(以下简称为“基座”)和一个独立于该基座的跟踪器。

2.权利要求1所述的基座可以自由旋转任意角度，包括水平方向的360度和垂直方向的360度，该基座包括有能量发射器、RF接收器、单片机系统、机械传动装置、显示面板、RS232和RS485控制器、尽头检测装置和遥控接收单元，它们具有如下特征：

能量发射器，它由一组(多个)能量发射源组成，它们能同时向多个方位发射出多束经过调制的不同的能量束，从而对目标物所处区域进行全面的分割和扫描；

MCU系统，用于控制机械传动装置、显示面板和遥控接收单元，进行相应工作；同时，MCU系统还向能量发射器发出指令，使后者发射能量束；并且，它还控制RF接收器的工作；

RF接收器，它接收由跟踪器上的RF发射器发射回来的RF信号；

机械传动装置，它接受MCU系统的转动指令并按预期方向和预期位置转动基座，以使得基座对准目标物；

显示面板，它显示整个系统的工作状态；RS232和RS485控制器，控制本发明整个系统与其他系统/设备通信的接口；

尽头检测装置，它检测基座转动的极限位置，使其转到一定位置即停止；

遥控接收单元，接收对本系统的遥控信息。

3.权利要求2中所述的能量发射器具有如下特征：发射器由一组(n个，n≥1)能量发射源(比如红外发光二极管、紫外灯、超声换能器等)组成，每一个能量发射源可以独立控制(工作与否)。能量发射源发射的能量可以象光线一样传播。每个能量发射源发射出的能量的形状可以通过遮挡等方式对其进行控制，能量发射源发出的能量按照一定的形状辐射到能量发射器前面的空间里。这组(n个，n≥1)能量发射源所发射出的能量束将跟踪器所在区域(即物体所处的某一区域)划分成n个更小的具体的区域，每个能量发射源所发射的能量束形状分别对准一片小区域，因此，跟踪器上的能量感应器在接收到基座的能量发射器发射出的能量束后，跟踪器的CPU能分辨出所接收到的能量束来自哪个能量发射源；

4.权利要求1所述的跟踪器佩带或安置在目标物上，该跟踪器包括能量接收感应器、滤波器、CPU、RF发射器，其中：

能量接收感应器，接收从基座的能量发射器发射出的能量束；

滤波器，滤除接收到的干扰信号，使得接收的有用信号更为清晰；

CPU，控制RF发射器的工作；

RF发射器，以RF的形式将接收信息和目标物位置信息发射出去，上述的基座的RF接收器接收；

5.从基座测定跟踪器位置的方法和步骤，包括如下：

5.1权利要求1所述的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，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。

5.2权利要求1所述的跟踪器上的能量感应接收器能接收到能量发射器发出的能量信号。跟踪器进入1所述的区域后，跟踪器上的感应器接收到基座上的能量发射源发射出的能量信号；然后

5.3上述的感应器将接收信息发送到如权利要求1所述的在同样也在跟踪器上的CPU单元，该CPU单元判断所接收到的信号属于哪一个发射源，并把相关信息发送到跟踪器上的RF发射器。

5.4跟踪器上的RF发射器通过RF信号把接收到的信号(即目标物的位置的信息)发射出去，以便被基座上的RF接收器接收。

5.5权利要求1所述的基座上的RF接收器接收到步骤5.4中发出的RF信号；然后

5.6如5.5所述，RF接收器将其接收到的RF信号输送到如权利要求1所述的基座上的CPU单元；

5.7权项5.6所述的该单片机系统把接收到的RF信号和已知的能量发射信号进行比较，以确定跟踪器处于权利要求5.1中所述区域中的哪个具体分区位置；

5.8基座上的CPU单元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；

5.9如果上一步(步骤5.8)计算出的偏差值在许可范围外，那么，基座上的MCU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；再从5.1做起，即反复进行5的方法和步骤，以对移动的目标物的位置变化进行连续性的跟踪。

6.权利要求5中同时定义了基座和跟踪器之间的通信方式：基座通过能量发射器向基座周围的空间发射包含有位置信息的能量信号，跟踪器接收到这个能量信号后，再通过RF的方式将信号回送到基座。

7.权利要求3中所述的能量发射器包括水平能量发射器和垂直能量发射器。

8.权利要求2、3、4、5、6、7中所述的能量指具有较强方向性、象光一样传播的能量，比如可见光、红外光、超声波、紫外光、激光等。

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