CN211606645U

CN211606645U - 一种目标跟踪控制摄像***

Info

Publication number: CN211606645U
Application number: CN202020835422.1U
Authority: CN
Inventors: 霞成文; 黄渊胜
Original assignee: Shenzhen Naijie Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Shenzhen Naijie Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2030-05-18

Abstract

本实用新型提供一种目标跟踪控制摄像***，包括摄像模组和伺服云台；摄像模组设于伺服云台上；摄像模组包括摄像镜头、图像处理模块和模糊控制器；摄像镜头、图像处理模块、模糊控制器和伺服云台依次通讯连接。本实用新型提供的目标跟踪控制摄像***，通过设有摄像模组、伺服云台，且摄像模组上集成设有图像处理模块和模糊控制器，替代计算机实现了图像的识别处理，以及实现了对摄像机镜头的调整，简化了现有的光电跟踪***，避免了现有技术中摄像机与计算机的图像传输延迟，以及避免了视频压缩和解压缩的延迟，极大地提高了***的实时性能，并降低了***的购买成本、维护成本和调试的难度。

Description

一种目标跟踪控制摄像***

技术领域

本实用新型涉及摄像技术领域，特别涉及一种目标跟踪控制摄像***。

背景技术

目标自动跟踪***，又称光电跟踪***，该***是一种可以跟随目标进行监控拍摄的***，常运用于安全度要求较高的环境或机器人的视觉***上。

现有光电跟踪***通常包含摄像机、云台、计算机、SDI视频采集卡或者网络交换机等结构；例如申请号为CN200720029901.9的专利公开了一种机器人远程云台控制装置，其结构包括主控计算机、无线视频收发模块、机器人控制模块、云台控制模块及摄像机，主控计算机包括主机、视频采集卡及无线数据收发模块，主机通过视频采集卡与无线视频收发模块的视频接收模块连接，主机通过无线数据收发模块与机器人控制模块及云台控制模块相连接；与云台控制模块相接的摄像机与无线视频收发模块的视频发送模块相连接。

从上述现有的光电跟踪方案来看，图像数据的采集与分析由摄像机与计算机分别完成，在图像分析之前有图像传输的延迟，在使用网络视频的情况下，还增加了视频压缩与解压缩的额外的延迟，降低了跟踪***的实时性。综上，现有的光电跟踪***存在响应速度慢、实时性差的问题。

实用新型内容

为解决现有的光电跟踪***响应速度慢、实时性差的问题，本实用新型现提供一种目标跟踪控制摄像***，包括用于摄像的摄像模组，以及用于调整所述摄像模组角度的伺服云台；所述摄像模组设于所述伺服云台上；

所述摄像模组包括摄像镜头、用于识别处理图像的图像处理模块和用于控制所述摄像镜头跟踪目标的模糊控制器；所述摄像镜头、所述图像处理模块、所述模糊控制器和所述伺服云台依次通讯连接。

进一步地，所述伺服云台包括用于调整所述摄像模组水平角度的水平驱动机构；所述水平驱动机构与所述摄像模组相连接。

进一步地，所述水平驱动机构包括第一电机和第一传动机构；所述第一电机通过所述第一传动机构与所述摄像模组相连接。

进一步地，所述水平驱动机构的第一电机采用步进电机制成。

进一步地，所述伺服云台还包括用于调整所述摄像模组俯仰角度的竖直驱动机构；所述竖直驱动机构通过所述水平驱动机构与所述摄像模组相连接。

进一步地，所述竖直驱动机构包括第二电机和第二传动机构；所述第二电机通过所述第二传动机构与所述水平驱动机构相连接。

进一步地，所述竖直驱动机构的第二电机采用步进电机制成。

进一步地，所述第一传动机构和第二传动机构采用齿轮传动机构制成。

进一步地，所述摄像镜头采用CMOS摄像头或CCD摄像头。

进一步地，所述模糊控制器采用型号为NLX23O的芯片。

本实用新型提供的目标跟踪控制摄像***，通过设有摄像模组、伺服云台，且摄像模组上集成设有图像处理模块和模糊控制器，替代计算机实现了图像的识别处理，以及实现了对摄像镜头方向的调整，即集成了图像分析与跟踪控制的功能，简化了现有的光电跟踪***，避免了现有技术中摄像机与计算机的图像传输延迟，以及避免了视频压缩和解压缩的延迟，极大地提高了***的响应速度和可靠性；再者，通过减少计算机、视频采集卡和无线数据收发模块等节点，极大地降低了***的成本和调试的难度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的目标跟踪控制摄像***的连接框图；

图2为目标跟踪控制摄像***的结构示意图；

图3为目标跟踪控制摄像***跟踪控制原理图；

图4为输入量的隶属度函数示意图；

图5为输出量的隶属度函数示意图；

图6为ΔKp的模糊控制规则表；

图7为ΔKi的模糊控制规则表；

图8为ΔKd的模糊控制规则表。

附图标记：

100摄像模组 200伺服云台 210水平驱动机构

211第一电机 212第一传动机构 220竖直驱动机构

221第二电机 222第二传动机构 300雷达

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实用新型现提供一种目标跟踪控制摄像***，包括用于摄像的摄像模组100，以及用于调整所述摄像模组100角度的伺服云台200；所述摄像模组100设于所述伺服云台200上；

所述摄像模组100包括摄像镜头、用于识别处理图像的图像处理模块和用于控制所述摄像镜头跟踪目标的模糊控制器；所述摄像镜头、所述图像处理模块、所述模糊控制器和所述伺服云台200依次通讯连接。

具体实施时，如图1所示，本实用新型实施例提供的目标跟踪控制摄像***，包括摄像模组100和伺服云台200；摄像模组100设于伺服云台200上；摄像模组100包括摄像镜头、图像处理模块和模糊控制器；摄像镜头用于视频的拍摄、获取；摄像镜头采用CMOS摄像头或CCD摄像头；图像处理模块用于识别、检测目标；模糊控制器用于控制伺服云台200，从而控制摄像镜头跟踪目标；模糊控制器采用型号为NLX23O的芯片制成；需要说明的是，图像处理模块采用现有技术即可，此处不再赘述。

目标跟踪控制摄像***主要对机动目标进行实时跟踪，通常有两个阶段，阶段一是目标捕获阶段，通常在接收到雷达300或频谱***发送的目标方位与距离信息后，控制伺服云台200将摄像机镜头的光轴指向目标，同时根据目标距离调整镜头的焦距与离焦量，等待目标进入视场，在监控视频上的图像自动跟踪窗口，可以看到一个在图像中心叠加了十字丝和捕获窗口的画面，当目标从视场中划过，图像处理模块通过对连续帧图像的处理提取出目标；阶段二是目标跟踪阶段，图像处理模块将目标位置相对于图像中心的偏移量(即脱靶量)发送给伺服云台200，驱动伺服云台200的水平驱动机构210或竖直驱动机构220，使的摄像镜头的光轴指向目标，理想情况下，被测目标应位于光轴上，即视场中心点，从而使本***完成对目标的闭环自动跟踪过程。

现有固定参数PID控制方法难以兼顾机动目标跟踪***的动态性能和稳态性能。本实用新型的目的在于提供一种基于模糊PID控制方法的光电跟踪***，能够实现目标跟踪速度快，稳定性强、鲁棒性好。如图3所示，基于伺服云台200的光电跟踪摄像机的模糊PID控制方法，包括如下步骤：

步骤1、确定位置偏差e和偏差变化率ec。

步骤2、利用模糊规则对位置偏差和偏差变化率进行模糊推理和解模糊，确定PID控制参数的变化量：

以位置偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，通过模糊规则和模糊推理算出PID控制器三个参数的变化量ΔKp、ΔKi、ΔKd与e、ec的模糊关系，具体实现如下：

步骤2.1、选择论域：

模糊控制器采用双输入单输出的形式，输入变量为误差e和误差的变化率ec,输出控制量u为PID控制器三个参数的变化量ΔKp、ΔKi、ΔKd。变量e、ec、u的量化论域为[-3,3],量化等级为[-3,-2,-1,0,1,2,3]，模糊子集为：[NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB]，子集中元素分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

云台方位轴旋转角度范围是-180°～180°，设置输入偏差e和偏差变化率ec的基本论域为[-180,180]，PID控制器三个参数的变化量Kp、Ki、Kd的基本论域为[-3,3]。变量基本论域的上限值分别为：emax＝180,ecmax＝180,umax＝3。输入量化因子为：Ke＝3/emax,Kec＝3/ecmax,输出缩放因子为：Ku＝umax/3。

步骤2.2、设置输入和输出的隶属度函数，建立模糊规则：

为了减少计算量，e、ec、u的隶属度函数都选用三角形隶属度函数，如图4和图5所示。

确定了模糊变量的隶属度函数后，开始建立控制规则。模糊的控制规则是由输入输出量以及相应的模糊推理构成的，控制规则的数量决定了***的输出量的控制精度。根据PID控制特性可知：

当误差e较大时，为了提高***的响应速度，需要较大的控制信号并防止微分溢出，应该选择大的比例系数修正量ΔKp和小的微分系数修正量ΔKd，同时为了防止***在运行过程中出现大的超调，ΔKi应该取0。

当偏差e较小时，为了提高***的稳态性能，可以适当增大ΔKp和ΔKi，考虑到***的抗干扰能力，此时如果ec较小，适当增大ΔKd。

当e的值适中时，为了减小***超调，加快***响应速度，应该选取小的ΔKp。

基于以上控制经验可以建立模糊控制规则表，由于输入变量分别有7个模糊语言值，对应于每个输出量可以生成49条控制规则，模糊控制规则见图6-图8所示的规则表。

步骤2.3、根据位置偏差、偏差变化率和模糊规则进行模糊推理，得到与PID控制参数变化量对应的模糊值。

作为一种具体实施方式，采用传统模糊推理法进行推理。该推理法根据输入量的模糊程度，通过以上建立的49条规则，对输入量采用相应的算法计算可以得到模糊控制器的输出量。

步骤2.4、对模糊值进行解模糊，确定PID控制参数。

在微处理器中实现模糊控制的一般采用离线查表的方法。首先模糊化输入到控制器中的e和ec，计算他们的在每个模糊子集中的隶属度值，然后找出激活的模糊子集，存储起来，最后使用加权平均的方法计算输出值。具体的公式如下：

其中，μ_Ai(x)为e的隶属度，μ_Bi(y)为ec的隶属度，Zi为u的模糊隶属度函数的尖点所对应的横坐标值。

步骤3、根据控制参数变化量调整PID控制参数，对云台两轴的转速进行PID控制，控制光学镜头的光轴自动跟踪目标。

本模糊控制器，根据***的误差和误差变化情况及时调整PID控制器的控制参数，能够实现目标自动跟踪，并且提高了跟踪的稳定性和对环境变化的鲁棒性。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：本实用新型根据***的误差和误差变化情况及时调整PID的控制参数，能够实现快速目标跟踪，并且提高了跟踪的稳定性和对环境变化的鲁棒性。

优选地，所述伺服云台200包括用于调整所述摄像模组100水平角度的水平驱动机构210；所述水平驱动机构210与所述摄像模组100相连接。

优选地，所述水平驱动机构210包括第一电机211和第一传动机构212；所述第一电机211通过所述第一传动机构212与所述摄像模组100相连接。

优选地，所述水平驱动机构210的第一电机211采用步进电机制成。

具体实施时，如图2所示，伺服云台200包括水平驱动机构210，水平驱动机构210用于调整摄像模组100的水平角度；水平驱动机构210具体包括第一电机211和第一传动机构212，第一电机211通过第一传动机构212与摄像模组100相连接；第一电机211采用步进电机制成；第一传动机构212采用齿轮传动机构制成。

优选地，所述伺服云台200还包括用于调整所述摄像模组100俯仰角度的竖直驱动机构220；所述竖直驱动机构220通过所述水平驱动机构210与所述摄像模组100相连接。

优选地，所述竖直驱动机构220包括第二电机221和第二传动机构222；所述第二电机221通过所述第二传动机构222与所述水平驱动机构210相连接。

优选地，所述竖直驱动机构220的第二电机221采用步进电机制成。

具体实施时，如图2所示，伺服云台200还包括竖直驱动机构220，竖直驱动机构220用于调整摄像模组100的俯仰角度；竖直驱动机构220具体包括第二电机221和第二传动机构222；第二电机221通过第二传动机构222与水平驱动机构210相连接，第二电机221驱动第二传动机构222转动，第二传动机构222带动水平驱动机构210转动，水平驱动机构210从而带动摄像模组100转动，即实现了对摄像模组100俯仰角度的调节；第二电机221采用步进电机制成；第二传动机构222采用齿轮传动机构制成；通过设有竖直驱动机构220，从而使得摄像模组100的调节角度更加全面。

尽管本文中较多的使用了诸如摄像模组、伺服云台、摄像镜头、图像处理模块和模糊控制器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种目标跟踪控制摄像***，其特征在于：包括用于摄像的摄像模组(100)，以及用于调整所述摄像模组(100)角度的伺服云台(200)；所述摄像模组(100)设于所述伺服云台(200)上；

所述摄像模组(100)包括摄像镜头、用于识别处理图像的图像处理模块和用于控制所述摄像镜头跟踪目标的模糊控制器；所述摄像镜头、所述图像处理模块、所述模糊控制器和所述伺服云台(200)依次通讯连接。

2.根据权利要求1所述的目标跟踪控制摄像***，其特征在于：所述伺服云台(200)包括用于调整所述摄像模组(100)水平角度的水平驱动机构(210)；所述水平驱动机构(210)与所述摄像模组(100)相连接。

3.根据权利要求2所述的目标跟踪控制摄像***，其特征在于：所述水平驱动机构(210)包括第一电机(211)和第一传动机构(212)；所述第一电机(211)通过所述第一传动机构(212)与所述摄像模组(100)相连接。

4.根据权利要求3所述的目标跟踪控制摄像***，其特征在于：所述水平驱动机构(210)的第一电机(211)采用步进电机制成。

5.根据权利要求3所述的目标跟踪控制摄像***，其特征在于：所述伺服云台(200)还包括用于调整所述摄像模组(100)俯仰角度的竖直驱动机构(220)；所述竖直驱动机构(220)通过所述水平驱动机构(210)与所述摄像模组(100)相连接。

6.根据权利要求5所述的目标跟踪控制摄像***，其特征在于：所述竖直驱动机构(220)包括第二电机(221)和第二传动机构(222)；所述第二电机(221)通过所述第二传动机构(222)与所述水平驱动机构(210)相连接。

7.根据权利要求6所述的目标跟踪控制摄像***，其特征在于：所述竖直驱动机构(220)的第二电机(221)采用步进电机制成。

8.根据权利要求6所述的目标跟踪控制摄像***，其特征在于：所述第一传动机构(212)和第二传动机构(222)采用齿轮传动机构制成。

9.根据权利要求1-8任一项所述的目标跟踪控制摄像***，其特征在于：所述摄像镜头采用CMOS摄像头或CCD摄像头。

10.根据权利要求9所述的目标跟踪控制摄像***，其特征在于：所述模糊控制器采用型号为NLX23O的芯片。