王金鑒 殷紅 李方

摘要：本文介紹了一種基于虛擬儀器的目標(biāo)自動(dòng)跟蹤和瞄準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的功能、硬件配置和基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)的開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行了講述。

關(guān)鍵詞：虛擬器 機(jī)器視覺(jué) 自動(dòng)跟蹤

在進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常需要采用一定的方法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置、軌跡等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。原有的測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用示波器、線(xiàn)陣CCD等模塊構(gòu)成，有著系統(tǒng)相對(duì)分散、系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和使用不方便等因素。而隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛的應(yīng)用，采用虛擬儀器和便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)原有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以獲得更好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)效果。

1.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由攝像頭和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)組成；當(dāng)目標(biāo)光點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，攝像頭將拍攝的圖片送入虛擬儀器系統(tǒng)。同時(shí)兩伺服電機(jī)的位置信號(hào)也通過(guò)USB數(shù)據(jù)采集卡送入虛擬儀器，在虛擬儀器中通過(guò)圖像識(shí)別把移動(dòng)目標(biāo)的X軸和Y軸方向的位置信號(hào)和伺服電機(jī)的位置信號(hào)作比較計(jì)算，然后輸出偏差信號(hào)來(lái)控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤和瞄準(zhǔn)。

2.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件配置

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由CCD攝像頭、伺服跟蹤系統(tǒng)1套、NI USB6008數(shù)據(jù)采集卡1塊、裝有虛擬儀器系統(tǒng)的PC機(jī)1臺(tái)、激光筆1支構(gòu)成。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)自動(dòng)跟蹤和瞄準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

3.基于虛擬儀器的機(jī)器視覺(jué)處理

基于機(jī)器視覺(jué)的圖像處理系統(tǒng)包括：圖像灰度變換、圖像銳化處理、圖像二值化處理、圖像邊緣檢測(cè)、目標(biāo)位置判斷等子系統(tǒng)構(gòu)成。

對(duì)于數(shù)字圖像的銳化處理，采用式（1）的方式進(jìn)行銳化。

式（1）

邊緣是圖像灰度變化比較劇烈的地方，在灰度變化大的地方進(jìn)行微分將有利于更好的檢測(cè)邊緣，對(duì)于數(shù)字圖像的邊緣檢測(cè)部分，采用差分處理的方法進(jìn)行邊緣增強(qiáng)與檢測(cè)。其算法如式（2）所示。

式（2）

機(jī)器視覺(jué)的處理采用NI公司的IMAQ Vision進(jìn)行編程、開(kāi)發(fā)。IMAQ Vision模塊中包括整套的MMX優(yōu)化與處理。IMAQ Vision可以實(shí)現(xiàn)圖像處理（統(tǒng)計(jì)、濾波等功能）及色彩空間變換、斑點(diǎn)分析計(jì)算和測(cè)量等方面的功能。CCD采集的圖像的處理部分的程序框圖如圖2所示。

圖2 虛擬儀器進(jìn)行圖像預(yù)處理的程序框圖

4.電機(jī)控制系統(tǒng)

當(dāng)計(jì)算機(jī)獲取到移動(dòng)目標(biāo)的位置時(shí)，通過(guò)檢測(cè)高度控制電機(jī)和水平控制電機(jī)的位置，結(jié)合指示的目標(biāo)位置進(jìn)行差值計(jì)算，控制相應(yīng)電機(jī)的動(dòng)作。圖3為X軸電機(jī)控制程序框圖。

圖3 電機(jī)控制系統(tǒng)的程序框圖

5.結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器的目標(biāo)自動(dòng)跟蹤和瞄準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)原有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，可以更好的完成目標(biāo)的跟蹤，而且該系統(tǒng)具有組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、模塊化設(shè)計(jì)利用維護(hù)與檢修、操作方便等特點(diǎn)。

由于采用了電子計(jì)算機(jī)和虛擬儀器的技術(shù)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)人機(jī)界面更為友好，便于學(xué)生進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)、掌握相關(guān)的課程內(nèi)容。

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