冒如權（海軍駐上海地區(qū)艦艇設計研究軍事代表室 上海200011）

自航模運行軌跡自動跟蹤系統(tǒng)研究

冒如權
（海軍駐上海地區(qū)艦艇設計研究軍事代表室 上海200011）

通過對自航模運行特點的研究，研制出一套利用伺服系統(tǒng)驅動的單臺攝像機自動跟蹤系統(tǒng)，主要由水平旋轉伺服系統(tǒng)、垂直旋轉伺服系統(tǒng)和安裝在伺服系統(tǒng)之上的工業(yè)相機組成。系統(tǒng)對圖像進行采集和處理，并與伺服系統(tǒng)形成閉環(huán)。當船模成像到達圖像正中心后，采集當前水平與垂直伺服系統(tǒng)的角度，計算當前船模坐標，并與上一坐標點進行關聯(lián)，繪制運行路徑。通過實際測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，軌跡定位精度滿足工程要求。

自航模；軌跡；跟蹤系統(tǒng)；伺服務器；圖像處理

引　言

在自航模試驗中，自航模運動軌跡的準確獲取對驗證自航模的操縱性至關重要。傳統(tǒng)方法是人工光學跟蹤，即人工操縱望遠鏡，在自航模航行過程中，使自航模始終位于望遠鏡的中心，通過機械或電氣記錄望遠鏡的調節(jié)過程參數(shù)，進而推算出自航模。此法優(yōu)點是結構簡單、造價低廉。但由于是依靠人的感官來判斷和操縱，人從視覺獲取到大腦判斷，然后再操縱跟蹤設備，延時約1 ～ 2 s，會產(chǎn)生精度、實時性、可靠性等多方面的問題。

近年來，隨著機器視覺的發(fā)展，利用圖像識別技術的自航運行軌跡跟蹤系統(tǒng)也常被應用。該系統(tǒng)采用多臺攝像機覆蓋試驗區(qū)域，對實驗的過程實時錄像，并且通過圖像識別技術識別各個時刻船模的位置，然后對其位置進行坐標計算，最后對各個坐標位置按先后順序進行連接，從而繪制出自航模運行軌跡。這種方法由于采用高分辨率攝像機進行圖像采集，所以實時性好、精度高，整個處理過程不會超過0.1 s，定位精度可以達到毫米級，能夠完全滿足自航模試驗需求。不過該系統(tǒng)需要部署大量的視覺設備和計算設備，不僅復雜且造價高［1-3］。

通過對以上兩種方式的分析，我們綜合其優(yōu)點、克服其缺點，研制出一套利用伺服系統(tǒng)驅動單臺攝像機自動跟蹤系統(tǒng)［4-5］，以結構簡單、造價低廉的方式實現(xiàn)高精度軌跡快速定位。

1　系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 系統(tǒng)結構

該自動跟蹤系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體結構

其由以下三部分組成：

（1）水平旋轉伺服系統(tǒng)；

（2）垂直旋轉伺服系統(tǒng)；

（3）安裝在伺服系統(tǒng)之上的工業(yè)相機。

水平旋轉伺服系統(tǒng)是在伺服電機驅動下的一個旋轉平臺，可以水平面360°旋轉，并可以實時返回目前的準確角度，其作用是帶動相機左右轉動。

垂直旋轉伺服系統(tǒng)是在伺服電機驅動下的一個旋轉平臺，可以在垂直方向120°旋轉，并可以實時返回目前的準確角度，其作用是帶動相機上下轉動。工業(yè)相機負責捕獲自航模的圖像采集系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理見圖2。如圖2（a）所示，相機安裝在岸基，其高度為h。系統(tǒng)自動調節(jié)相機，讓船模成像處于圖像的中心，此時，相機、船模、相機在水平面投影成三角關系。由于相機高度固定為h，通過垂直伺服系統(tǒng)可得角度α。此時船模距相機的距離x為：x = h·tgα。

圖2　系統(tǒng)工作原理

如圖2（b）所示，x已經(jīng)計算得出，通過水平伺服系統(tǒng)可以得到角度β。此時船模距相機的距離y為：y = x / tg β。

1.3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程分為兩部分：一部分是圖像采集和處理并與伺服系統(tǒng)形成閉環(huán)，調節(jié)船模成像到圖像的正中心；另一部分是當船模成像到達圖像正中心后，采集當前水平與垂直伺服系統(tǒng)的角度，計算當前船模坐標并與上一坐標點進行關聯(lián)，繪制運行路徑。系統(tǒng)工作流程如下頁圖3所示。

圖3　系統(tǒng)工作流程圖

2　系統(tǒng)研制關鍵技術

2.1 圖像獲取技術

由于自航模呈不規(guī)則形狀，并且光學環(huán)境較為復雜，如果直接使用可見光成像，那么對于在所拍攝圖像中的自航模較難識別，并且結果不穩(wěn)定。為了解決這個問題，我們采用紅外成像方法，即在自航模上中心位置安裝近紅外信號燈（近紅外LED），然后采用在近紅外波段響應比較靈敏的CMOS相機，并且在相機鏡頭上安裝可見光濾波片，將900 nm以下的光全部截至，這樣最終成像為黑色背景上的一個亮斑（近紅外信號燈成的像）。這樣的畫面，對圖像處理較為容易，并且穩(wěn)定性較好［6］。

在本系統(tǒng)中，采用的相機光譜響應曲線如圖4所示。 由于該相機在近紅外波段響應率很高，并且當其數(shù)據(jù)傳輸采用USB 3.0、曝光時間設置為10 ms、幀率約為100 Hz時，圖像質量及傳輸均達到要求。

2.2 圖像處理技術

圖像處理的目的是在圖像中識別出自航模，并且計算出其在畫面中的坐標位置。通過2.1節(jié)的處理，識別過程簡化成在黑色背景下尋找一個發(fā)光斑點，其算法大為簡化：首先，通過高斯濾波算法對畫面進行濾波，消除干擾信號；其次，對畫面進行二值化，即通過閾值分割將畫面上所有的像素值全部調整成黑或白色；然后，通過canny算子對畫面進行輪廓查找，找到的輪廓，即是自航模上的信號燈的像，代表自航模的位置；最后，計算輪廓坐標位置。

圖4　相機的光譜響應曲線

本項目中，高斯濾波的卷積核大小參數(shù)為5，canny算子檢測的閾值1為80，閾值2為200。

2.3 自航模軌跡繪制

通過2.2 節(jié)的處理，我們獲得一個自航模在畫面中的坐標位置。我們知道，在球面透鏡中，只有通過光軸的光是直線傳輸?shù)?，即必須讓自航模成像在畫面正中心，才能保證相機瞄準了自航模，才能使用2.2節(jié)的算法來計算其位置。因此，當?shù)玫阶院侥Ｗ鴺撕?，我們首先要判斷此坐標在不在畫面正中心。如果在正中心，則表示已經(jīng)瞄準，那么就將目前的坐標移至下一步進行軌跡計算；如果不在正中心，則需要調整水平伺服系統(tǒng)和垂直伺服系統(tǒng)，使坐標到達畫面正中心。

伺服的調整算法，采用模糊控制算法（即比例算法）。模糊控制是相對于精確控制的概念。其提出的背景是影響系統(tǒng)執(zhí)行結果的變量過多，并且之間相互耦合；改變一個參數(shù)會影響其他參數(shù)的變化，所以，各參數(shù)對運行結果無法進行精確的數(shù)學描述。

在這種條件下，通過分析或實驗找出一個對執(zhí)行結果影響貢獻值最大的輸入?yún)?shù)，并在一定范圍內修改這個輸入?yún)?shù)；然后對實際運行結果和期望運行結果的誤差進行分析，以此誤差作為修改輸入?yún)?shù)的依據(jù)，并通過實驗確定一個系數(shù)，使系統(tǒng)運行結果誤差呈收斂趨勢。在此前提下，經(jīng)過數(shù)次迭代，運行結果誤差便可達到我們的要求。

舉個簡單的例子，我們在洗澡時調節(jié)水的過程就是一個典型的模糊控制算法——先根據(jù)經(jīng)驗給一個初始的閥門位置，然后用手測試水溫。如水過熱，就將閥門向冷水端轉；如水過冷，就向熱水端轉。通過幾次調節(jié)，就可獲得我們期望的水溫。此過程中，旋轉閥門的次數(shù)是由我們根據(jù)實際水溫與期望水溫的差值決定的：差值越大，旋轉次數(shù)越多。量化的分析水溫差與轉動角度，發(fā)現(xiàn)兩者存在線性關系，這個線性的斜率即為比例系數(shù)。只不過此處的系數(shù)是大腦根據(jù)經(jīng)驗而獲得。

在該系統(tǒng)中，控制的具體思路為：分別計算當前坐標與畫面中心坐標的水平和垂直的差值Δx、Δy，分別設置一個合理的比例系數(shù)Px、Py（由實驗調試得來），使水平和垂直的轉速Vx、Vy滿足以下關系（Vx=Δx×Px；Vy=Δy×Py）。

將轉速輸出給伺服系統(tǒng)、伺服運動、帶動相機運動，然后再檢測自航模成像坐標是否到達畫面中心，經(jīng)過反復幾次迭代，就可以將自航模坐標調整到畫面中心。通過數(shù)據(jù)采集軟件得到各離散的坐標點，按照時間順序將這些點依次連接，便可獲得自航模運動軌跡。

3　系統(tǒng)功能驗證

為驗證該系統(tǒng)的測量精度，本文將船模分別運行直線運動到5個點并停留，然后采用人工測量的方式進行坐標測量，并與系統(tǒng)測量結果進行對比，獲得的結果如表1所示。

經(jīng)過對比，五組數(shù)據(jù)的最大誤差為12，要求比較高的自航模要求軌跡定位精度在30 mm，所以本系統(tǒng)可以滿足自航模實驗需求。

表1　測試結果mm

4　結　論

通過研究自航模運行特點（即實驗環(huán)境特點），研制出一套涵蓋紅外光學、圖像識別算法、伺服系統(tǒng)等技術領域的運行軌跡跟蹤系統(tǒng)，經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能較好滿足高要求試驗的需求。然而在研制過程中，仍然發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在某些不足之處：如自航模運行速度過快時（大于2 m / s），伺服系統(tǒng)跟蹤不及時（初步判斷是識別算法耗費時間過長所致）；若水面波浪過大，船?；蝿臃容^大時，定位精度降低（初步判斷是曝光時間較長而產(chǎn)生拖影）。我們將針對這些問題開展后續(xù)研究，以期妥善解決。

［1］ 馮亮，魏軍，陳志誠.基于航跡偏差角和航向差的自航模運動軌跡控制方法研究［J］.船海工程，2012（2）：22-25.

［2］ 王波，畢毅，李和平.水聲式自航模運動軌跡實時測量系統(tǒng)［J］.船舶工程， 2003（2）：12-14.

［3］ 齊小偉，任光.基于領導跟隨的船舶航跡控制［J］.船舶， 2016（1）：92-99.

［4］ 張磊，蘇為洲.伺服系統(tǒng)的反饋控制設計研究綜述［J］.控制理論與應用， 2014（5）：32-35.

［5］ 萬鴻俊，魏天水，劉莉.直線電機伺服系統(tǒng)的設計與應用研究［J］.機械設計與制造， 2006（12）：17-19.

［6］（美）岡薩雷斯. 數(shù)字圖像處理［M］.北京：北京電子工業(yè)出版社. 2009.

On automatic tracking system of motion trajectory for self-propelled ship model

MAO Ru-quan
(The Naval Deputy of Naval Ship Design and Research Room in shanghai District, Shanghai 200011, China)

A set of servo-controlled single camera automatic tracking system is developed through the study of the motion characteristics of a self-propelled ship model. The automatic tracking system consists of the horizontal rotation servo, the vertical rotation servo and the industrial camera installed on the servo system. The images are collected and processed to form a closed loop with the servo system. When the imaging of the ship model reaches the picture centring, the angles of the horizontal and vertical servo system are collected to calculate the current model coordinates. The motion trajectory is then drawn by linking to the former coordinate point. This system runs stably through the practical test, and its trajectory positioning precision can meet the engineering requirements.

self-propelled ship model; trajectory; tracking system; servo; picture processing

U666.1

A

1001-9855（2016）04-0074-04

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.074

2016-02-23；

2016-05-04

冒如權（1979-），男，工程師，研究方向： 船舶電氣自動化。