CN110580054B - 一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电吊舱，公开了一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制***及方法，通过获取光电吊舱的姿态信息、待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离，实时计算待跟踪目标的位置信息，通过将待跟踪目标的位置信息与设定位置信息进行比较生成控制指令，来控制光电吊舱的转动，使得待跟踪目标处于设定位置，实现对待跟踪目标的自主视觉跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电吊舱技术领域，特别是涉及一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制***及方法。
背景技术
光电吊舱在实际各种类型的飞行器和机器人中具有非常广泛的应用，常用于监控。光电吊舱云台常用安装方法是悬挂于建筑物顶部和飞行器底部，以完成对云台下方空间得实时监控。但是，现有的光电吊舱无法自主实现对目标的跟踪。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制***及方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明实施例中提供一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制***，光电吊舱用于承载图像采集元件，所述控制***包括：
控制器，与所述光电吊舱的驱动机构连接，用于控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动；
姿态获取模块，用于实时获取光电吊舱的姿态信息，所述姿态信息包括光电吊舱的俯仰角、横滚角、偏航角；
距离获取模块，用于实时获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离；
所述控制器与所述姿态获取模块和距离获取模块连接，用于根据所述姿态信息和直线距离计算待跟踪目标的位置信息；
所述控制器还用于根据所述位置信息和待跟踪目标的设定位置信息生成第一控制指令，以控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动，使得待跟踪目标处于设定位置，实现对待跟踪目标的跟踪，所述第一控制指令包括跟踪指令和光电吊舱的转动角速度。
可选的，所述距离获取模块为无载波通信模块，包括：
安装在光电吊舱上的标签模块，所述控制器与所述标签模块连接；
安装在待跟踪目标上的基站模块，所述标签模块在自身的时间戳上通过无载波通信的方式向基站模块发送请求信号，所述基站模块在自身的时间戳上接收标签模块发送的请求信号，然后向标签模块发送反馈信号，所述标签模块在自身的时间戳上接收所述反馈信号；
第一计算模块，利用标签模块在其时间戳上发送请求信号和接收到反馈信号的时间差，以及基站模块在其时间戳上接收到请求信号和发送反馈信号的时间差，计算待跟踪目标与光电吊舱之间的直线距离。
可选的，所述控制***还包括：
显示屏，所述控制器与所述显示屏连接，用于控制所述显示屏显示所述图像采集元件采集的图像，以及待跟踪目标的位置信息。
可选的，所述控制***还包括：
遥控装置，所述控制器与所述遥控装置连接，用于获取用户通过遥控装置发送的第二控制指令，并根据所述第二控制指令控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动，以使得待跟踪目标位于图像采集元件的视角范围内，所述第二控制指令包括光电吊舱的工作模式、转动角速度；
所述遥控装置包括按键和遥杆；
所述控制器获取用户通过按键设定的光电吊舱的工作模式指令，并控制光电吊舱的工作模式为用户设定的工作模式；
所述控制器获取用户通过遥杆设定的光电吊舱转动的角速度，并控制驱动机构驱动光电吊舱以用户设定的角速度转动。
可选的，所述控制***还包括第二计算模块，用于根据设定关系来计算与存储待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离对应的图像采集元件的焦距；
所述图像采集元件包括调焦模块，所述控制器与所述第二计算模块和调焦模块连接，用于根据所述焦距控制调焦模块进行调焦，以使得图像采集元件采集的图像清晰。
本发明实施例中还提供一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制方法，其特征在于，包括：
实时获取光电吊舱的姿态信息，所述姿态信息包括光电吊舱的俯仰角、横滚角、偏航角；
实时获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离；
根据所述姿态信息和直线距离计算待跟踪目标的位置信息；
根据所述位置信息和待跟踪目标的设定位置信息生成第一控制指令，以控制驱动机构驱动光电吊舱转动，使得待跟踪目标处于设定位置，实现对待跟踪目标的跟踪，所述第一控制指令包括跟踪指令和光电吊舱的转动角速度。
可选的，获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离的步骤包括：
安装在光电吊舱上的标签模块在自身的时间戳上通过无载波通信的方式向安装在待跟踪目标上的基站模块发送请求信号；
基站模块在自身的时间戳上接收请求信号，然后向标签模块发送反馈信号；
利用标签模块在其时间戳上发送请求信号和接收到反馈信号的时间差，以及基站模块在其时间戳上接收到请求信号和发送反馈信号的时间差，计算待跟踪目标与光电吊舱之间的直线距离。
可选的，所述控制方法还包括：
显示所述图像采集元件采集的图像，以及待跟踪目标的位置信息。
可选的，所述控制方法还包括：
获取用户通过遥控装置发送的第二控制指令，并根据所述第二控制指令控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动，以使得待跟踪目标位于图像采集元件的视角范围内，所述第二控制指令包括光电吊舱的工作模式、转动角速度。
可选的，所述控制方法还包括：
采用数据拟合方法获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离与对应的图像采集元件的焦距之间的设定关系；
根据所述设定关系计算与存储待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离对应的图像采集元件的焦距；
根据所述焦距控制图像采集元件进行调焦，以使得图像采集元件采集的图像清晰。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明利用光电吊舱的姿态信息、待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离，实时计算待跟踪目标的位置信息，通过将待跟踪目标的位置信息与设定位置信息进行比较生成控制指令，来控制光电吊舱的转动，使得待跟踪目标处于设定位置，实现对待跟踪目标的自主视觉跟踪。
附图说明
图1为本发明实施例中基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制***的组成框图；
图2为本发明实施例中基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制***的方框图；
图3为本发明实施例中基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制方法的流程图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
光电吊舱安装于飞行器底部、建筑物顶部等，用于承载图像采集元件。光电吊舱包括驱动机构，用于驱动图像采集元件对周边空间进行扫描。
结合图1和图2所示，本发明实施例中提供一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制***，包括：
控制器，与所述光电吊舱的驱动机构连接，用于控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动；
姿态获取模块，用于实时获取光电吊舱的姿态信息，所述姿态信息包括光电吊舱的俯仰角、横滚角、偏航角；
距离获取模块，用于实时获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离；
所述控制器与所述姿态获取模块和距离获取模块连接，用于根据所述姿态信息和直线距离计算待跟踪目标的位置信息；
所述控制器还用于根据所述位置信息和待跟踪目标的设定位置生成第一控制指令，以控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动，使得待跟踪目标处于设定位置，实现对待跟踪目标的跟踪，所述第一控制指令包括跟踪指令和光电吊舱的转动角速度。
上述控制***利用光电吊舱的姿态信息、待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离，实时计算待跟踪目标的位置信息，通过将待跟踪目标的位置信息与设定位置信息进行比较生成控制指令，来控制光电吊舱的转动，使得待跟踪目标处于设定位置，实现对待跟踪目标的自主视觉跟踪。
待跟踪目标的位置信息具体可以为待跟踪目标在以光电吊舱为坐标原点建立的坐标系中的坐标。待跟踪目标的设定位置可以为图像采集元件采集的图像的中心。
所述控制器对光电吊舱的姿态信息和待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离进行数据融合处理，以获取待跟踪目标的位置信息。例如，所述控制器通过三角函数公式的应用，利用光电吊舱的俯仰角、横滚角和所述直线距离，实时计算待跟踪目标相对光电吊舱的相对高度。
需要说明的是，本发明获取的待跟踪目标的位置信息不仅可以用于视觉跟踪，还可以用于其它应用。
本实施例中，设置所述控制***还包括显示屏，所述控制器与所述显示屏连接，用于控制所述显示屏显示所述图像采集元件采集的图像，以及待跟踪目标的位置信息。通过显示图像采集元件采集的图像，以及待跟踪目标的位置信息，有利于实现人机交互。
为了提高图像的显示质量，本实施例中采用数据拟合方法获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离与对应的图像采集元件的焦距之间的设定关系，以根据所述设定关系计算与存储待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离对应的图像采集元件的焦距，并根据所述焦距控制图像采集元件进行调焦(即，使得图像采集元件的焦距为上述计算得到的焦距)，以使得图像采集元件采集的图像清晰。
相应的，所述控制***还包括第二计算模块，用于根据设定关系来计算与存储待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离对应的图像采集元件的焦距。所述图像采集元件包括调焦模块，所述控制器与所述第二计算模块和调焦模块连接，用于根据所述焦距控制调焦模块进行调焦，以使得图像采集元件采集的图像清晰，通过获取的存储待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离，对图像采集元件进行实时调焦，使得采集图像清晰，提升跟踪目标性能。
在一个具体的实施方式中，采用无载波通信技术来获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离，则所述距离获取模块为无载波通信模块，包括：
安装在光电吊舱上的标签模块，所述控制器与所述标签模块连接；
安装在待跟踪目标上的基站模块，所述标签模块在自身的时间戳上通过无载波通信的方式向基站模块发送请求信号，所述基站模块在自身的时间戳上接收标签模块发送的请求信号，然后向标签模块发送反馈信号，所述标签模块在自身的时间戳上接收所述反馈信号；
第一计算模块，利用标签模块在其时间戳上发送请求信号和接收到反馈信号的时间差，以及基站模块在其时间戳上接收到请求信号和发送反馈信号的时间差，计算待跟踪目标与光电吊舱之间的直线距离。
上述无载波通信模块利用标签模块在自身的时间戳上发送和接收信号时间差t1，以及基站模块在自身的时间戳上接收和反馈信号的时间差t2，来计算待跟踪目标与光电吊舱之间的直线距离d，计算公式为d＝v(t2-t1)，v为光速(v远大于正常工作的飞行状态下的移动速度，且采样频率足够高)。
具体的，所述无载波通信模块为超宽带(UWB)模块，所述请求信号和反馈信号为脉冲信号。
当然，也可以利用其它技术来获取待跟踪目标与光电吊舱之间的直线距离，其也属于本发明的保护范围。
在对待跟踪目标进行跟踪之前，需要首先对待跟踪目标进行搜索，使其出现在光电吊舱的视角范围内，即，图像采集元件采集的图像中包括待跟踪目标的图像。
为了实现人机交互的目的，本实施例中设置所述控制***还包括：
遥控装置，所述控制器与所述遥控装置连接，用于获取用户通过遥控装置发送的第二控制指令，并根据所述第二控制指令控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动，以使得待跟踪目标位于图像采集元件的视角范围内，所述第二控制指令包括光电吊舱的工作模式、转动角速度。
上述技术方案通过设置遥控装置，实现用户手动搜索待跟踪目标的目的，在待跟踪目标落入光电吊舱的视角范围内后，立刻利用本发明的自主视觉追踪技术对待跟踪目标进行跟踪。
具体的，所述遥控装置包括按键和遥杆。
所述控制器获取用户通过按键设定的光电吊舱的工作模式指令，并控制光电吊舱的工作模式为用户设定的工作模式；
所述控制器获取用户通过遥杆设定的光电吊舱转动的角速度，并控制驱动机构驱动光电吊舱以用户设定的角速度转动。
上述技术方案以按键和遥杆的组合方式实现人机交互。显然，也可以通过其它人机交互的方式，例如：虚拟键盘。
当然，也可以采用自动搜索的方式搜索待跟踪目标，即，所述控制器控制驱动机构驱动光电吊舱转动进行搜索扫描，直至待跟踪目标落入光电吊舱的视觉范围内，立刻利用本发明的自主视觉追踪技术对待跟踪目标进行跟踪。
为了保证***的正常工作，在硬件上还包括其它结构，如：电源、稳压设备等，在此不再一一描述。
所述控制器选择高性能处理器，具有较强的数据处理能力，以满足图像处理的需求，提高***的可靠性，并缩短实时运行的周期。
所述控制器通过串口与***的其它设备(包括遥控装置、光电吊舱)进行通信。
基于同一发明构思，如图3所示，本发明实施例中还提供一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制方法，包括：
实时获取光电吊舱的姿态信息，所述姿态信息包括光电吊舱的俯仰角、横滚角、偏航角；
实时获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离；
根据所述姿态信息和直线距离计算待跟踪目标的位置信息；
根据所述位置信息和待跟踪目标的设定位置信息生成第一控制指令，以控制驱动机构驱动光电吊舱转动，使得待跟踪目标处于设定位置，所述第一控制指令包括跟踪指令和光电吊舱的转动角速度。
上述控制方法利用光电吊舱的姿态信息、待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离，实时计算待跟踪目标的位置信息，通过将待跟踪目标的位置信息与设定位置信息进行比较生成控制指令，来控制光电吊舱的转动，使得待跟踪目标处于设定位置，实现对待跟踪目标的自主视觉跟踪。
所述设定位置可以为图像采集元件采集的图像的中心。
本实施例中，所述控制方法还包括：
显示所述图像采集元件采集的图像，以及待跟踪目标的位置信息。
通过显示图像采集元件采集的图像，以及待跟踪目标的位置信息，有利于实现人机交互。
为了提高显示图像的质量，所述控制方法还包括：
采用数据拟合方法获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离与对应的图像采集元件的焦距之间的设定关系；
根据所述设定关系计算与存储待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离对应的图像采集元件的焦距；
根据所述焦距控制图像采集元件进行调焦，以使得图像采集元件采集的图像清晰。
上述步骤采用数据拟合方法获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离与对应的图像采集元件的焦距之间的设定关系，并利用获取的存储待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离，对图像采集元件进行实时调焦，使得采集图像清晰，提升跟踪目标性能。
在一个具体的实施方式中，采用无载波通信技术来获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离，则，获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离的步骤包括：
安装在光电吊舱上的标签模块在自身的时间戳上通过无载波通信的方式向安装在待跟踪目标上的基站模块发送请求信号；
基站模块在自身的时间戳上接收请求信号，然后向标签模块发送反馈信号；
利用标签模块在其时间戳上发送请求信号和接收到反馈信号的时间差，以及基站模块在其时间戳上接收到请求信号和发送反馈信号的时间差，计算待跟踪目标与光电吊舱之间的直线距离。
上述步骤利用标签模块在自身的时间戳上发送和接收信号时间差t1，以及基站模块在自身的时间戳上接收和反馈信号的时间差t2，来计算待跟踪目标与光电吊舱之间的直线距离d，计算公式为d＝v(t2-t1)，v为光速(v远大于正常工作的飞行状态下的移动速度，且采样频率足够高)。
具体的，所述请求信号和反馈信号为脉冲信号，采用超宽带无载波通信技术来获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离。
为了实现人机交互的目的，本实施例中所述控制方法还包括：
获取用户通过遥控装置发送的第二控制指令，并根据所述第二控制指令控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动，以使得待跟踪目标位于图像采集元件的视角范围内，所述第二控制指令包括光电吊舱的工作模式、转动角速度。
上述技术方案通过设置遥控装置，实现用户手动搜索待跟踪目标的目的，在待跟踪目标落入光电吊舱的视角范围内后，立刻利用本发明的自主视觉追踪技术对待跟踪目标进行跟踪。
具体的，用户可以通过按键设定光电吊舱的工作模式，通过遥杆设定光电吊舱转动的角速度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制***，光电吊舱用于承载图像采集元件，其特征在于，所述控制***包括：
控制器，与所述光电吊舱的驱动机构连接，用于控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动；
姿态获取模块，用于实时获取光电吊舱的姿态信息，所述姿态信息包括光电吊舱的俯仰角、横滚角、偏航角；
距离获取模块，用于实时获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离，所述距离获取模块为无载波通信模块；
所述控制器与所述姿态获取模块和距离获取模块连接，用于根据所述姿态信息和直线距离计算待跟踪目标的位置信息；所述位置信息包括所述待跟踪目标在以所述光电吊舱为坐标原点建立的坐标系中的坐标；
所述控制器还用于根据所述位置信息和待跟踪目标的设定位置信息生成第一控制指令，以控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动，使得待跟踪目标处于设定位置，实现对待跟踪目标的跟踪，所述第一控制指令包括跟踪指令和光电吊舱的转动角速度；待跟踪目标的设定位置包括图像采集元件采集的图像的中心。
2.如权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述距离获取模块包括：
安装在光电吊舱上的标签模块，所述控制器与所述标签模块连接；
安装在待跟踪目标上的基站模块，所述标签模块在自身的时间戳上通过无载波通信的方式向基站模块发送请求信号，所述基站模块在自身的时间戳上接收标签模块发送的请求信号，然后向标签模块发送反馈信号，所述标签模块在自身的时间戳上接收所述反馈信号；
第一计算模块，利用标签模块在其时间戳上发送请求信号和接收到反馈信号的时间差，以及基站模块在其时间戳上接收到请求信号和发送反馈信号的时间差，计算待跟踪目标与光电吊舱之间的直线距离。
3.如权利要求2所述的控制***，其特征在于，所述控制***还包括：
显示屏，所述控制器与所述显示屏连接，用于控制所述显示屏显示所述图像采集元件采集的图像，以及待跟踪目标的位置信息。
4.如权利要求3所述的控制***，其特征在于，所述控制***还包括：
遥控装置，所述控制器与所述遥控装置连接，用于获取用户通过遥控装置发送的第二控制指令，并根据所述第二控制指令控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动，以使得待跟踪目标位于图像采集元件的视角范围内，所述第二控制指令包括光电吊舱的工作模式、转动角速度；
所述遥控装置包括按键和遥杆；
所述控制器获取用户通过按键设定的光电吊舱的工作模式指令，并控制光电吊舱的工作模式为用户设定的工作模式；
所述控制器获取用户通过遥杆设定的光电吊舱转动的角速度，并控制驱动机构驱动光电吊舱以用户设定的角速度转动。
5.如权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述控制***还包括第二计算模块，用于根据设定关系来计算与存储待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离对应的图像采集元件的焦距；
所述图像采集元件包括调焦模块，所述控制器与所述第二计算模块和调焦模块连接，用于根据所述焦距控制调焦模块进行调焦，以使得图像采集元件采集的图像清晰。
6.一种基于自主视觉跟踪的光电吊舱的控制方法，其特征在于，包括：
实时获取光电吊舱的姿态信息，所述姿态信息包括光电吊舱的俯仰角、横滚角、偏航角；
实时获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离；
根据所述姿态信息和直线距离计算待跟踪目标的位置信息；所述位置信息包括所述待跟踪目标在以所述光电吊舱为坐标原点建立的坐标系中的坐标；
根据所述位置信息和待跟踪目标的设定位置信息生成第一控制指令，以控制驱动机构驱动光电吊舱转动，使得待跟踪目标处于设定位置，实现对待跟踪目标的跟踪，所述第一控制指令包括跟踪指令和光电吊舱的转动角速度；待跟踪目标的设定位置包括图像采集元件采集的图像的中心。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离的步骤包括：
安装在光电吊舱上的标签模块在自身的时间戳上通过无载波通信的方式向安装在待跟踪目标上的基站模块发送请求信号；
基站模块在自身的时间戳上接收请求信号，然后向标签模块发送反馈信号；
利用标签模块在其时间戳上发送请求信号和接收到反馈信号的时间差，以及基站模块在其时间戳上接收到请求信号和发送反馈信号的时间差，计算待跟踪目标与光电吊舱之间的直线距离。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
显示所述图像采集元件采集的图像，以及待跟踪目标的位置信息。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
获取用户通过遥控装置发送的第二控制指令，并根据所述第二控制指令控制所述驱动机构驱动所述光电吊舱转动，以使得待跟踪目标位于图像采集元件的视角范围内，所述第二控制指令包括光电吊舱的工作模式、转动角速度。
10.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
采用数据拟合方法获取待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离与对应的图像采集元件的焦距之间的设定关系；
根据所述设定关系计算与存储待跟踪目标和光电吊舱之间的直线距离对应的图像采集元件的焦距；
根据所述焦距控制图像采集元件进行调焦，以使得图像采集元件采集的图像清晰。
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