李紅燕

（西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

以無人炮臺裝甲車為藍(lán)本進(jìn)行修改制作，這一想法多用于軍事領(lǐng)域，并且有可以裝配到不同的機(jī)械裝置上，如：裝甲車，無人機(jī)，以至于槍械器材等，應(yīng)用多樣化，并且在現(xiàn)代化的今天。已實(shí)現(xiàn)四合一化，即火力、火力指揮控制、電源供給，自行化四合一。具有很大的發(fā)展價值，即使是今天也在不斷的探索改進(jìn)中。本文以開源的計算機(jī)視覺處理框架（Opencv）為算法核心，結(jié)合Python語言實(shí)現(xiàn)的，其特色如下：使用廉價的芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能;通過計算機(jī)視覺算法對目標(biāo)進(jìn)行捕捉;利用經(jīng)典的PID算法控制相應(yīng)的機(jī)械對捕捉到的目標(biāo)進(jìn)行物理跟蹤;基于前兩點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動的目標(biāo)進(jìn)行物理打擊利用物聯(lián)網(wǎng)的思想，將多個嵌入式設(shè)備組合起來，通過分?jǐn)傞e置的運(yùn)算資源，使廉價的芯片也能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，這在將來嵌入式發(fā)展成型之后，絕大多數(shù)的物體被物聯(lián)網(wǎng)植入芯片之后，能夠?qū)τ行У睦门康拈e置芯片做出探究。

1 系統(tǒng)方案

（1）計算機(jī)視覺庫的使用。將OpenCV庫（跨平臺計算機(jī)視覺庫）和python語言結(jié)合運(yùn)用，利用閑置芯片進(jìn)行分?jǐn)傔\(yùn)算，完成了對攝像頭所采集到的圖像和計算機(jī)視覺方面的協(xié)同運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的識別和追蹤。

（2）經(jīng)典PID控制算法。使用經(jīng)典的離散型PID控制算法對目標(biāo)進(jìn)行了跟蹤捕捉，在Opencv計算機(jī)視覺處理庫將目標(biāo)物的質(zhì)心運(yùn)算出來后，交由PID控制器進(jìn)行控制。根據(jù)目標(biāo)物的質(zhì)心與系統(tǒng)的坐標(biāo)中心的偏移程度來進(jìn)行PID修正，以此實(shí)現(xiàn)的控制器，其數(shù)學(xué)模型簡單，算法復(fù)雜度低，所帶來的運(yùn)算量也相對較少。

（3）機(jī)械硬件部分。機(jī)械部分的設(shè)計及為簡單，正如緒論中所述，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，利用廉價的處理器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算。其部分為做物理機(jī)構(gòu)主控恩智浦K60芯片一塊，180度轉(zhuǎn)向金屬舵機(jī)兩個，基于物理勢能的機(jī)械發(fā)射裝置，攝像頭一個，其中K60所需要實(shí)現(xiàn)的功能僅是接收另一處理器給入的通信數(shù)據(jù)，并依據(jù)此來控制舵機(jī)的打角和機(jī)械發(fā)射裝置來實(shí)現(xiàn)跟蹤和對跟蹤目標(biāo)的打擊。

（4）Python編程。Python 進(jìn)來使用極為廣泛的編程語言，其具有良好的“膠水性”，可以很好的粘合兩種不同的語言，同時因其極為清爽的書寫風(fēng)格和特色的空行縮進(jìn)代替段落的方式受到開發(fā)者的偏愛，正是如此，Python才被選用為樹莓派中廣泛流行的編程開發(fā)語言

（5）協(xié)處理部分。使系統(tǒng)中的一塊樹莓派充當(dāng)協(xié)處理器功能，利用多線程來給下屬的運(yùn)算機(jī)構(gòu)樹莓派分配任務(wù)，同時有序的回收任務(wù)。其中采用隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，來將得到的視頻流分割，之后更具時間戳來給截取得到的圖像場標(biāo)號，之后丟入線程堆中，線程堆滿足后入先出的原則，在這里使用線程堆是為了提高圖像處理的實(shí)時性，對受外界不穩(wěn)定因素導(dǎo)致不能有效分配的陳舊圖像壓入堆底，在實(shí)在無法處理的情況下及時拋棄，不干擾后來圖像的處理。

2 功能與指標(biāo)

（1）功能梗概。本文所要實(shí)現(xiàn)的功能由表像上看是利用計算機(jī)視覺處理技術(shù)對目標(biāo)物體進(jìn)行跟蹤，其中所要實(shí)現(xiàn)的是探究多個嵌入式設(shè)備協(xié)同工作的可行性，利用多個嵌入式設(shè)備的閑置運(yùn)算資源來分擔(dān)復(fù)雜的運(yùn)算量，類似目前電腦廣泛使用的協(xié)處理器，利用網(wǎng)絡(luò)來代替金屬導(dǎo)線。

（2）指標(biāo)。本文的指標(biāo)在于對目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確度與響應(yīng)度，在本文中機(jī)械部件對待跟蹤目標(biāo)的跟蹤準(zhǔn)確度為基本的性能指標(biāo)，而響應(yīng)度為考量設(shè)備運(yùn)算力的基本指標(biāo)，由于對實(shí)時圖像的分析需要極大的運(yùn)算能力，因此，如何使用算法優(yōu)化運(yùn)算量來提高，本系統(tǒng)的響應(yīng)度是本項(xiàng)目的難點(diǎn)之一。

3 實(shí)現(xiàn)過程

在本文中使用計算機(jī)視覺算法中的模板匹配算法，即利用給定的模板來對一場圖像中的每個區(qū)域塊進(jìn)行比對，之后選取出配對程度最高的一塊區(qū)域來做下一步運(yùn)算，在本文主控中，使用python來調(diào)用Opencv庫實(shí)現(xiàn)模板匹配算法。具體過程如下：

首先，根據(jù)樹莓派出廠商提供的用戶使用手冊，根據(jù)樹莓派的特性和其系統(tǒng)的攝像頭文件接口編寫攝像頭驅(qū)動程序，利用驅(qū)動程序?qū)z像頭進(jìn)行驅(qū)動調(diào)用，得到視頻流，之后對流進(jìn)行截取得到一場一場的圖像，在這其中，應(yīng)用多線程的方式，對每一場圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將多場圖像標(biāo)號后同步發(fā)送給多個樹莓派，以此來進(jìn)行協(xié)同運(yùn)算，加快運(yùn)算的效率，提高整個系統(tǒng)的響應(yīng)度，在得到圖像后，將圖像轉(zhuǎn)換到HSV空間，對其進(jìn)行如下操作，構(gòu)建掩膜，腐蝕操作，膨脹操作，其中先腐蝕再膨脹的效果是開運(yùn)算，用以去除噪點(diǎn)。在對圖像完成基礎(chǔ)處理之后，對其輪廓進(jìn)行檢測，找出圖像中的圓形輪廓的質(zhì)心，這時候如果不對圖像進(jìn)行任何處理，由于，圖像中會存在大量的圓形輪廓，因此，需要對圖像中的圓形輪廓進(jìn)行過濾，首先根據(jù)其圓面積排序篩選，過濾去小面積的圓，留下最大圓，再對這部分的圖像做輪廓的外接圓，計算矩之后計算質(zhì)心，經(jīng)過試驗(yàn)測試之后確定，當(dāng)半徑大于10個單位（圖像中單位）時能夠有效地找到目標(biāo)，在該場圖像中找到目標(biāo)之后，依據(jù)將圖像發(fā)送給充當(dāng)協(xié)處理器的樹莓派，其依據(jù)標(biāo)號，將多場圖像還原成視頻流，得到連續(xù)的目標(biāo)。找到目標(biāo)之后，根據(jù)經(jīng)典的自動化控制算法比例-微分-積分控制器來計算出舵機(jī)的打角量，之后通過串口通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給恩智浦K60芯片之后控制機(jī)械部件完成對目標(biāo)的物理跟蹤，當(dāng)裝置能準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)后，即裝置能連續(xù)跟蹤目標(biāo)一秒，發(fā)射裝置發(fā)射，擊打目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文介紹通過采用協(xié)處理的方式加快運(yùn)算量，以開源的計算機(jī)視覺處理框架為算法核心，結(jié)合Python語言實(shí)現(xiàn)的，提升整個系統(tǒng)的響應(yīng)度，來完成通過攝像頭采集圖像來對移動的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時的跟蹤。通過實(shí)際的測試，驗(yàn)證了設(shè)計的合理性。實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)視覺算法對目標(biāo)進(jìn)行捕捉和PID算法控制機(jī)械對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，然后利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行擊打，有效使用了閑置芯片。文中協(xié)處理傳輸圖像部分需進(jìn)一步完善，如何有效的標(biāo)定圖像順序而不受各個處理器的處理快慢和網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境的干擾是后續(xù)將要解決的問題，同時，對圖像的識別精確度也需要進(jìn)一步的提升，從而使其更加成熟。

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