基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距装置及方法

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基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及基于目标跟踪识别的测距技术，属于自动控制技术领域，具体为一种基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距装置及方法。\n背景技术\n[0002] 目前在测距技术领域，对于固定目标的测距已经非常成熟，但是对于动态目标的跟踪以及测距仍是一个技术难点，具体表现在待测目标不能有效的、准确的锁定，导致对目标的测距不能精确的完成；即使是锁定后的目标，由于目标位置始终处于动态变化之中，后续的锁定以及测距仍然不能够精确的完成。\n[0003] 本发明就是在此背景下提出一种能够实现对动态目标的距离准确测定的装置以及方法。\n发明内容\n[0004] 本发明为解决目前对于动态目标进行测距时目标锁定困难导致测量不够准确的技术问题，提供一种基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距装置及方法。\n[0005] 本发明所述的基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距装置是采用以下技术方案实现的：一种基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距装置，包括一个光电智能感知平台、图像采集模块以及中央处理器；所述光电智能感知平台包括一个内设CPU的云台以及设置在云台上的激光测距仪；所述图像采集模块也设置在云台上；所述激光测距仪的激光轴与图像采集模块的图像轴平行；所述云台、图像采集模块以及激光测距仪的信号输出端均与中央处理器的信号输入端相连接；云台、图像采集模块及激光测距仪的信号输入端与中央处理器的信号输出端相连接。\n[0006] 云台内设有CPU，中央处理器可以向云台内设的CPU输入相应的指令，以控制云台的转动；云台的转动有两个自由度，其中水平可转动0°～350°（即偏航角范围），垂直旋转角度为+90°（即俯仰角）。图像采集模块可采用各种成像设备。云台为市场上能够购买到的。\n[0007] 进一步的，所述图像采集模块包括红外热像仪以及显示器；所述红外热像仪的信号输出端与中央处理器的信号输入端相连接；中央处理器的信号输出端与显示器的信号输入端相连接。\n[0008] 红外热像仪可以实现夜晚、烟雾以及些许遮挡等特殊条件下的图像信息采集。应用领域较广。\n[0009] 本发明所述的基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距方法是采用以下技术方案实现的：一种基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距装置进行测距的方法，包括以下步骤：（a）通过红外热像仪采集待测目标的图像，使目标在显示界面中的面积保持固定比例；中央处理器在相应软件的支持下以显示界面中心即由图像采集模块和激光测距仪组成的光电系统的中心为原点，在显示界面建立该时刻的坐标系XOY；（b）设目标中心在此坐标系中的坐标为A[x0，y0]，根据目标中心与原点的距离确定云台运动的俯仰角和偏航角，中央处理器控制云台随动，使光电系统的中心向目标中心所在位置移动；（c）光电系统的中心经过时间间隔Δt移动到[xa，ya]；所述Δt为红外热像仪两次采集信号的时间间隔；\n此时以光电系统的中心[xa，ya]为原点建立新的坐标系XaOYa，目标中心在此坐标系中的坐标为A1[x1，y1]；设定一个阈值Δr，如果目标中心与光电系统的中心的间距小于等于Δr，则认为光电系统的中心与目标中心重合，此时光电系统将目标瞄准；如果目标中心与光电系统的中心的间距大于Δr，则认为光电系统的中心与目标中心不重合，中央处理器根据显示界面上原点与目标中心的间距值控制云台继续移动，并在经历一个Δt后建立新的坐标系并判断光电系统的中心与目标中心是否重合；不断重复上述过程，直到目标中心与光电系统的中心重合；（d）光电系统的中心与目标中心重合后，中央处理器向激光测距仪发送测量距离的指令，激光测距仪向目标发出激光，测得的距离值传输至中央处理器储存。\n[0010] 图像采集模块图像轴（即红外热像仪的图像轴）与激光测距仪的激光轴平行，可以保证对于远距离的目标，图像采集模块和激光测距仪所组成的光电系统的中心和图像采集模块的中心可以看作是重合的。\n[0011] 红外热像仪采集到的目标显示在显示界面上，通过调节红外热像仪的焦距可以使目标在显示界面中保持固定的比例，以便于光电系统的中心与目标中心距离值的测算；红外热像仪显示界面的中心对准目标后，就可以认为是整个光电系统的中心对准了目标；目标在显示界面上成像且大小固定后，中央处理器开始操纵云台进行跟踪。中央处理器根据接收到的红外热像仪采集到的包括目标信号在内的信号图像，在红外热像仪显示界面上建立一个以此时刻光电系统的中心为原点的坐标系，并计算出目标中心在此坐标系中的坐标值，进而计算出云台在水平方向和垂直方向需要转动的角度，并发出指令控制云台向目标中心转动；但是由于目标处在动态变化之中，在云台向目标中心移动过程中目标可能已经移动到了下一个位置；设在经过Δt后光电系统的中心即界面中心移动到了[xa，ya]，中央处理器以此时刻光电系统的中心[xa，ya]为原点建立新的坐标系，在新的坐标系中目标中心的坐标就成了A1[x1，y1]；预先设定一个阈值Δr作为判断光电系统的中心与目标中心是否重合的依据，中央处理器根据接收到的信号判断光电系统的中心是否与目标原点相重合；如果重合，则中央处理器向激光测距仪发出指令，激光测距仪将测得的距离值发送至中央处理器储存；如果目标中心与光电系统的中心没有重合（即光电系统的中心与目标中心间距大于Δr），中央处理器控制云台继续向目标中心移动，并在经过Δt时段后继续建立新的坐标系，分析出云台需要转动的角度，控制云台转动，这样不断的重复这一过程，直到光电系统的中心与目标中心相重合。\n[0012] 中央处理器根据接收到的信号建立坐标系、计算目标中心与坐标原点的距离、将距离值换算成云台的转动角度等工作均是在相应软件的支持下实现的，中央处理器发出指令信号控制激光测距仪进行测距，也是在相应软件的支持下完成的；将目标中心与坐标原点的距离值换算成云台的转动角度是现有公知常识，有多种方法可供选择；本领域技术人员可根据实际采用的设备型号以及相关参数合理选择适当的计算方法以满足测量精度的要求；所述的阈值Δr可以根据设备的信号采集速率、云台的转动速率以及激光测距仪的测量精度进行设定；本领域技术人员在阅读了本发明所述的方法后，可以很容易的编写出相应的软件。\n[0013] 进一步的，还包括步骤（e）：在光电系统的中心轴与目标中心第一次重合并测距后，此时中央处理器以目标中心作为坐标原点建立坐标系X’O’Y’，在新的坐标系下确定经过Δt时间间隔后目标中心的位置并操纵云台随动，在光电系统的中心轴与目标中心再次重合后进行测距；不断重复上述步骤，即可得到目标的实时距离。\n[0014] 中央处理器通过控制云台转动实现对目标的再一次重合；不断重复这一步骤，实现了对目标的精确跟踪测距。\n[0015] 本发明有益效果是：引入自动目标识别技术，利用红外热像仪实现对动态目标的识别；先确定目标在显示界面的位置，然后根据显示界面上目标的位置通过相应软件控制云台随动使光电系统的中心与目标重合，发送指令进行测距，实现对动态目标自动识别定位。该系统对目标的跟踪与定位有效性强、实时性高。\n附图说明\n[0016] 图1为本发明所述的装置的电连接关系示意图。\n[0017] 图2为本发明所述的基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距系统的整体结构框图。\n[0018] 图3为本发明所述的测距系统的测距流程图。\n[0019] 图4为最初建立的坐标系。\n[0020] 图5为初始坐标系以及光电系统中心与目标中心重合时的坐标系。\n[0021] 图6为目标的运动轨迹示意图。\n[0022] 图7为目标运动过程中不断地更新坐标系的示意图。\n[0023] 1-云台，2-图像采集模块，3-激光测距仪，4-中央处理器。\n具体实施方式\n[0024] 一种基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距装置，包括一个光电智能感知平台、图像采集模块2以及中央处理器4；所述光电智能感知平台包括一个内设CPU的云台1以及设置在云台1上的激光测距仪3；所述图像采集模块2也设置在云台1上；所述激光测距仪3的激光轴与图像采集模块2的图像轴平行；所述云台1、图像采集模块2以及激光测距仪3的信号输出端均与中央处理器4的信号输入端相连接；云台1、图像采集模块2及激光测距仪3的信号输入端与中央处理器4的信号输出端相连接。\n[0025] 所述图像采集模块2包括红外热像仪以及与红外热像仪信号输出端相连接的显示器；所述红外热像仪的信号输出端与中央处理器4的信号输入端相连接；中央处理器4的信号输出端与显示器的信号输入端相连接。\n[0026] 所述中央处理器4采用DSP微处理器。\n[0027] 一种基于光电智能感知平台目标跟踪识别的测距装置进行测距的方法，包括以下步骤：（a）通过红外热像仪采集待测目标的图像，使目标在显示界面中的面积保持固定比例；中央处理器4在相应软件的支持下以显示界面中心即由图像采集模块2和激光测距仪\n3组成的光电系统的中心为原点，在显示界面建立该时刻的坐标系XOY；（b）设目标中心在此坐标系中的坐标为A[x0，y0]，根据目标中心与原点的距离确定云台1运动的俯仰角和偏航角，中央处理器4控制云台1随动，使光电系统的中心向目标中心所在位置移动；（c）光电系统的中心经过时间间隔Δt移动到[xa，ya]；所述Δt为红外热像仪两次采集信号的时间间隔；此时以光电系统的中心[xa，ya]为原点建立新的坐标系XaOYa，目标中心在此坐标系中的坐标为A1[x1，y1]；设定一个阈值Δr，如果目标中心与光电系统的中心的间距小于等于Δr，则认为光电系统的中心与目标中心重合，此时光电系统将目标瞄准；如果目标中心与光电系统的中心的间距大于Δr，则认为光电系统的中心与目标中心不重合，中央处理器\n4根据显示界面上原点与目标中心的间距值控制云台1继续移动，并在经历一个Δt后建立新的坐标系并判断光电系统的中心与目标中心是否重合；不断重复上述过程，直到目标中心与光电系统的中心重合；（d）光电系统的中心与目标中心重合后，中央处理器4向激光测距仪3发送测量距离的指令，激光测距仪3向目标发出激光，测得的距离值传输至中央处理器4储存。\n[0028] 还包括步骤（e）：在光电系统的中心与目标中心第一次重合并测距后，此时中央处理器4以目标中心作为坐标原点建立坐标系X’O’Y’，在新的坐标系下确定经过Δt时间间隔后目标中心的位置并操纵云台1随动，在光电系统的中心与目标中心再次重合后进行测距；不断重复上述步骤，即可得到目标的实时距离。\n[0029] 步骤（b）中操纵云台1随动时，是先沿X轴移动，再沿Y轴移动的。\n[0030] 步骤（b）中操纵云台1随动时，是先沿Y轴移动，再沿X轴移动的。\n[0031] 如图1所示，光电综合智能感知平台包括三部分：激光测距仪3、红外热像仪和云台1。红外热像仪部分可解决在隐蔽、遮挡、夜晚及烟雾等条件下图像采集的问题；激光测距仪解决对跟踪到的目标的距离测定的问题；根据目标的运动控制云台随动，实现对目标的实时跟踪。红外热像仪与激光测距仪相结合既实现目标图像采集，又可测定目标的距离，同时通过云台的随动系统实时跟踪目标并获得目标运动过程中各个时段的距离。中央处理器4可以连接一个主控模块，主控模块可以对中央处理器4进行控制并发出指令。\n[0032] 如图2所示，本发明所述的测距装置主要由两部分组成，即图像采集模块和测距单元部分。其中测距单元主要由坐标建立模块、距离模块、随动系统模块、测距模块组成。图像采集模块采用的是基于光电综合智能感知平台的红外热像仪，其可以实现夜晚、烟雾以及些许遮挡等特殊条件下的图像信息采集。在测距单元中，坐标建立模块的主要任务是在红外热像仪显示界面建立坐标系以标测出目标在显示界面的坐标值；距离模块的主要任务是通过显示界面上的坐标值得到目标与图像中心也即光电系统中心的距离；随动控制模块的主要任务是根据距离值运用算法指令控制云台的俯仰偏航使光电系统的中心与目标重合；测距模块的主要任务是发送测距指令测定目标的距离。图像采集模块与测距单元共同组成了测距系统。另外，决策单元中，数据传输模块的主要任务是将目标识别跟踪结果以及距离的测量结果实时的传给主控模块；主控模块的主要任务是对数据的结果进行分析，给出下一步的动作指示。目标识别跟踪模块主要任务是根据自动目标识别算法对检测到的目标进行识别，运用运动目标跟踪算法对目标进行实时跟踪，为本发明的测距单元做准备。\n[0033] 如图3所示，本发明中测距流程如下：目标识别跟踪模块选定目标之后，测距系统启动，通过变焦控制使目标在画面中的面积保持一定比例。如图4所示，在显示界面建立坐标系XOY，坐标原点O(0,0)即为光电系统的中心，假设目标在界面坐标系中的坐标为A (x0,y0)，根据目标中心与光电系统的中心的距离，确定云台运动的方向及幅度。通过串口发送算法指令控制云台随动，由于目标是运动的，所以这个过程中需要不断地对目标的位置信息进行更新，通过不断地修正目标与光电系统中心的距离，实现实时地调整云台随动控制的参数。在光电系统的中心与目标重合后，即光电系统的中心瞄准目标以后控制系统依据激光测距仪的通讯协议发送测量距离的指令，返回的值即为目标的距离值。最后，目标的距离值将被传至主控模块，等待下一步动作的命令的下达。\n[0034] 如图5所示，在初始坐标系上坐标原点为光电系统的中心所在的点，在目标运动过程中，不断地更新显示界面的坐标系，并对目标的坐标值与光电系统中心点的坐标值进行更新、修正，最终达到光电系统中心与目标完全重合，实现测距；对目标进行测距后，继续进行坐标的更新修正，此时，目标（目标中心与图像中心重合）变为坐标原点，在新的坐标系X’O’Y’下确定下一时刻目标的位置并控制云台随动，在光电系统的中心与目标再次重合后进行下一次的测距。在目标运动过程中，整个随动、瞄准的过程不断进行更新与修正，使得对目标的测距更精准。\n[0035] 如图6所示，图中为若系统没有云台随动系统，在图像采集系统是静止的状态下目标在显示界面可能的轨迹。图7为在目标运动过程中，通过不断地更新坐标系，云台随动系统不断调整方位及幅度所经历的过程，可以看出，在目标从A0到A3的过程中，光电系统中心轴（即坐标原点）与目标的距离越来越接近，直到重合。\n[0036] 光电系统的中心与目标重合的判断：对于行人，光电系统的中心（即图像中心）与人的中上部位（即腰以上部位）重合即可（光电系统的中心与人体腰部以上部位间距小于设定的阈值Δr）；对于车辆，因为车身存在斜面会使得激光脉冲信号很难被反射回接收镜，从而导致测距的失败，因此本发明中的光电系统的中心与车辆重合指的是光电系统的中心与车辆的中下部分重合（光电系统的中心与车辆中下部分间距小于设定的阈值Δr）。