基于視覺伺服的目標(biāo)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張東波1，2 劉長(zhǎng)青1，2 郭洪紅1，2 李明海1，2

(1 北京市智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京，100020；2 北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京，100020)

摘 要：本文以舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)為控制對(duì)象，以51系列的單片機(jī)為云臺(tái)控制器，采用計(jì)算機(jī)為圖像處理器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于視覺伺服的目標(biāo)跟蹤控制系統(tǒng)，并基于VS2008和OpenCV開發(fā)設(shè)計(jì)了軟件平臺(tái)，以顏色特征設(shè)計(jì)圖像處理算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的實(shí)時(shí)檢測(cè)，以目標(biāo)物的成像中心為視覺伺服控制特征，開發(fā)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)傳輸策略，實(shí)現(xiàn)了基于視覺伺服的目標(biāo)跟蹤控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人，視覺伺服，目標(biāo)跟蹤，自動(dòng)控制，單片機(jī)

0 引言

鎖定跟蹤目標(biāo)物是自主機(jī)器人控制、導(dǎo)彈導(dǎo)航、智能監(jiān)控等研究中的重要內(nèi)容之一，機(jī)器視覺技術(shù)作為潛在的、低故障、低風(fēng)險(xiǎn)、非接觸式的檢測(cè)技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。視覺伺服控制是采用視覺傳感器來(lái)直接或者間接檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前位姿或者其關(guān)于目標(biāo)體的相對(duì)位姿，然后對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位控制或者軌跡跟蹤，即將機(jī)器視覺應(yīng)用于反饋環(huán)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，采用視覺伺服控制可以充分發(fā)揮機(jī)器視覺的優(yōu)勢(shì)，與基于傳統(tǒng)傳感器的機(jī)器人控制相比，視覺伺服控制系統(tǒng)具有更高的靈活性和智能性，本文基于舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)，采用視覺伺服控制的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定顏色目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤控制。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成

視覺伺服目標(biāo)跟蹤控制系統(tǒng)采用PC機(jī)為圖像處理器，采用單片機(jī)為兩自由度平臺(tái)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制器，圖像處理器和運(yùn)動(dòng)控制器之間采用串口通信，系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.2 兩自由度云臺(tái)

兩自由度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是基于視覺伺服的目標(biāo)跟蹤控制的機(jī)械基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物大運(yùn)動(dòng)范圍的實(shí)時(shí)跟蹤，本文采用了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，為便于試驗(yàn)測(cè)試，在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸部分設(shè)計(jì)安裝了能夠讀取旋轉(zhuǎn)角度的刻度盤。

兩自由度平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，基于舵機(jī)的控制特性，根據(jù)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制信號(hào)能夠獲得舵機(jī)位置信號(hào)，基于舵機(jī)的兩自由度云臺(tái)驅(qū)動(dòng)能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制方案也比較簡(jiǎn)單。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩自由度云臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，兩自由度云臺(tái)采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行連接，連接時(shí)采用軸承實(shí)現(xiàn)承重，以減小運(yùn)動(dòng)阻力、提高系統(tǒng)性能。舵機(jī)選擇的是7.2V的大功率舵機(jī)，具有較好的運(yùn)動(dòng)效果和驅(qū)動(dòng)能力。

圖2 基于舵機(jī)的兩自由度云臺(tái)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制器選型及電氣原理圖

本文云臺(tái)控制器主要實(shí)現(xiàn)的是舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能，圖像處理任務(wù)由圖像處理器來(lái)完成，然后通過串口的方式將控制任務(wù)傳遞給云臺(tái)控制器。因此，51系列的單片機(jī)最小系統(tǒng)開發(fā)板作為控制器就能夠滿足控制任務(wù)的需要。本文中，兩自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的單片機(jī)控制器的型號(hào)為STC89C52RC，單片機(jī)的供電電壓為5V，端口輸出信號(hào)能夠用于舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

控制器的接線如圖3所示。其中，P3.0和P3.1連接到PC機(jī)上，利用串行通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；P1口接有8個(gè)LED發(fā)光二極管，用于調(diào)試和指示，指示燈用來(lái)指示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在調(diào)試過程中可以憑借觀察指示燈的狀態(tài)來(lái)觀察控制效果，方便調(diào)試；按鍵用于手動(dòng)控制云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，每按一下按鍵，舵機(jī)將會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。

圖3 云臺(tái)單片機(jī)控制器電氣原理圖

2.2 舵機(jī)控制設(shè)計(jì)

一般舵機(jī)的控制方式是采用20ms的脈寬調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)，高電平的持續(xù)時(shí)間從0.5ms到2.5ms變化時(shí)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)角從0°到最大轉(zhuǎn)角（本文選擇的舵機(jī)的最大轉(zhuǎn)角270°）變化，通過控制輸出脈沖的高電平的持續(xù)時(shí)間就可以精確控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角?？刂贫鏅C(jī)轉(zhuǎn)角的關(guān)鍵是控制脈沖信號(hào)的高電平的持續(xù)時(shí)間，脈沖信號(hào)的周期對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制的影響不是很大。

單片機(jī)常用的控制時(shí)間的方式有兩種，一種是通過定時(shí)器中斷的方式進(jìn)行，另一種是通過軟件延時(shí)的方式。本文采用的是51系列的單片機(jī)STC89C52RC，該單片機(jī)共有3個(gè)定時(shí)器，其中串口通信需要一個(gè)定時(shí)器，舵機(jī)控制實(shí)現(xiàn)定時(shí)的時(shí)間精度和穩(wěn)定性要求比較高，采用定時(shí)器0和定時(shí)器1分別控制上下轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)的高電平持續(xù)時(shí)間，采用軟件延時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)低電平的控制。通過對(duì)定時(shí)器的使能開啟定時(shí)器，在定時(shí)器中斷處理中將使能位置0關(guān)閉定時(shí)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)控制高電平的持續(xù)時(shí)間的控制；改變定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間可控制高電平持續(xù)時(shí)間；軟件延時(shí)下，低電平階段的處理包括計(jì)算機(jī)的通信、循環(huán)延時(shí)、顯示、讀取按鍵等操作，控制時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 舵機(jī)控制時(shí)序示意圖

2.3 目標(biāo)物視覺伺服特征提取和控制策略設(shè)計(jì)

本文用攝像頭來(lái)檢測(cè)提取目標(biāo)物，圖像采集設(shè)備選用的是價(jià)格低廉、市場(chǎng)上常用的USB2.0接口的網(wǎng)絡(luò)攝像頭藍(lán)色妖姬M2200（圖5）。該攝像頭傳感器采用的是1/5英寸CMOS感光片OV7740，動(dòng)態(tài)分辨率640×480，最大幀頻30幀，具有自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光功能，五玻鏡頭，手動(dòng)對(duì)焦。該設(shè)備具有RGB格式的圖像輸出。RGB顏色空間三個(gè)通道的信息與像素亮度相關(guān)，當(dāng)光照變化時(shí)，顏色分割提取的最佳閾值也會(huì)發(fā)生變化。該設(shè)備通過三個(gè)通道值間的相互計(jì)算，在突顯需要的顏色特征的同時(shí)，還能夠有效避免光照變化的影響，得到國(guó)內(nèi)外研究人員青睞。通過試驗(yàn)對(duì)比分析，筆者確定采用通道間的相互計(jì)算實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)目標(biāo)信息的效果，然后采用閾值分割法分割提取出目標(biāo)物，對(duì)于綠色目標(biāo)物采用超綠算法（2G-R-B），對(duì)于紅色目標(biāo)物采用超紅算法（2R-G-B）。

閾值分割方法的數(shù)學(xué)描述如式1所示，式中f(x,y)是圖像設(shè)備采集到的圖像數(shù)據(jù)，g(x,y)是通過閾值T分割后的二值化圖像數(shù)據(jù)。

以綠色物體為對(duì)象提取，提取得到的結(jié)果如圖5所示，圖中展示的是綠色信息提取的結(jié)果，所開發(fā)的軟件界面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)綠色目標(biāo)物的鎖定和跟蹤，同時(shí)反饋云臺(tái)的控制信息，以及計(jì)算目標(biāo)物所處的空間位置。這里只介紹該系統(tǒng)對(duì)綠色目標(biāo)物的實(shí)時(shí)跟蹤功能，對(duì)于其他顏色或者特定特征的目標(biāo)物的跟蹤，可以通過修改圖像處理算法實(shí)現(xiàn)。

圖5 目標(biāo)提取測(cè)試

提取出目標(biāo)以后，計(jì)算獲得目標(biāo)物的中心點(diǎn)坐標(biāo)，以中心點(diǎn)的坐標(biāo)為視覺伺服特征，以目標(biāo)中心點(diǎn)和圖像中心位置重合為視覺伺服控制目標(biāo)，依據(jù)視覺伺服控制差值控制兩自由度云臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物圖像處于圖像中間的控制。視覺伺服控制策略流程如圖6所示。

圖6 視覺伺服控制策略流程

2.4 通信方案設(shè)計(jì)

本文中圖像處理用計(jì)算機(jī)完成，兩自由度云臺(tái)采用單片機(jī)控制器，計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間采用串口通信的方式實(shí)現(xiàn)信息的交互。為了保證實(shí)時(shí)性，以及控制數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)提出了如圖7所示的通信策略；將8位字節(jié)分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分為選擇舵機(jī)及其控制方式，另一個(gè)部分為舵機(jī)的控制數(shù)據(jù)?？刂浦噶钤趫D像處理器中進(jìn)行編碼，編碼時(shí)實(shí)現(xiàn)控制指令的賦值，在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)對(duì)控制指令的解碼，然后確定選擇的舵機(jī)，最后將控制指令傳遞給所要控制的舵機(jī)上。

圖7 計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的通信策略

3 結(jié)論

以綠色和紅色球?yàn)槟繕?biāo)物對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤測(cè)試（圖8），測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠很好地對(duì)特定目標(biāo)物進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。該設(shè)計(jì)方法在智能監(jiān)測(cè)、機(jī)器人導(dǎo)航、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

圖8 系統(tǒng)整體跟蹤性能測(cè)試

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本文為北京聯(lián)合大學(xué)“新起點(diǎn)”計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)Zk10201605；北京聯(lián)合大學(xué)“啟明星”大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)201511417026。