光电跟踪实验报告

姓名：张秀峰

班级：06111101

学号：1120111562

一． 系统概述

光电跟踪系统由转台、图像采集设备和激光测距设备三部分组成。

1. 转台

系统的转台为模拟火炮或雷达跟踪系统运动模块的类工业旋转运动系统。其组成如下图所示，它包含电控箱、转台本体（电控箱和转台本体为一体）及由运动控制卡和普通PC机组成的控制实验平台等三大部分。

图2.1 系统结构图

转台本体主要由以下几个部分组成：

1）机械结构件（含PAN和TILT两个转动关节） 2）伺服电机（两套）

3）限位开关

4）图像采集设备（1套） 5）激光测距设备（1套） 电控箱内安装有如下主要部件：

1)

伺服驱动器

2)I/O接口板 3)开关电源

控制平台主要由以下部分组成：

1) 与IBM PC/AT机兼容的PC机（公司不提供），带PCI插槽 2) 运动控制器 3) 用户接口软件

2. 图像采集设备

图像采集设备由工业摄像头、镜头、1394接口卡(含数据线)三部分组成。

3. 激光测距设备

激光测距采用DLS-C30。

二．系统安装

1. 安装运动控制卡

将运动控制卡从防静电套中取出之前，请将手与有效接地的导体接触一会，以去除静电。不要用手接触卡 上的芯片，以免损坏运动控制卡。

1) 检查运动控制卡的外观有无损坏； 2) 关闭计算机电源；

3) 将运动控制卡插入空闲的PCI槽中； 4) 用螺钉锁紧运动控制卡和转接头；

5) 将转接头和卡上的JP2插座用转接电缆连上；

2. 连线

第4，5步所用电缆均用于强电，如有破损可 能导致人身事故！

1) 将电控箱的开关打到关闭的位置

2) 将运动控制卡的CN1插口和电控箱的CN1插口用屏蔽电缆连结起来 3) 将转接头CN2的插口和电控箱的CN2插口用屏蔽电缆连结起来 4) 将电源线一端插入电控箱插座，另一端接入220V AC电源(实验室提供 电源需要保持良好接地。)

1、在进行系统连线、拆卸与安装前，必须关闭系统所有电源。 2、使用前请仔细检查连线。

3. 安装软件 (1)运动控制卡

1.系统运行时严禁将手或身体的其他部位伸入转台运动部分。 运动控制卡安装完后，系统开机会检测到新硬件，将运动控制卡的配套光盘放入，按提示安装驱动程序。

详情参见运动控制器产品说明书 (2) 图像采集设备

1)安装1394开发包及驱动 2)安装BCAM 1394 Driver

三．软件的使用

1.界面说明

运行REVS150.exe进入光电跟踪系统，系统界面如下图4.1：

图4.1 教学实验平台软件界面

界面功能区说明：

图像和靶标位置显示区：实时将图像采集卡采集到的视频动态显示以及靶标位置跟踪二维曲线的实时显示。 摄像机工作区：

1)参数调节部分

通过对快门、对比度、明亮度的调节以得到不同的图像效果

快门：快门是镜头前阻挡光线进来的装置，一般而言快门的时间范围越大

越好。 对比度：是画面黑与白的比值，也就是从黑到白的渐变层次。

明亮度：指一对象之可见亮度。其取决于可反射光之多寡并由一平方公尺(cd/m2)内之多少烛光来衡量其亮度。

2）图像处理部分

包括开关摄像头，显示视频，图像处理，以及实现原始图像、处理图像和靶标位置曲线之间的切换显示。

控制器工作区：运动控制器的开关、回零及位置清零

转台工作区：实时显示转台两轴的转动角度，上下左右箭头可以调节轴的当前位置

跟踪数据显示区：实时显示靶标的质心坐标，以及跟踪数据和靶标位置数据。标定按钮：对转台和靶标进行标定。 跟踪按钮：目标跟踪的开关

激光测距工作区：对DLS-C30进行操作，实现激光测距，并实时显示激光测量到的距离。

PID闭环控制区域：更新PID参数。

靶标位置和转台角度显示区：实时显示未进行标定的靶标位置数据和转台角度数据。 2.操作说明

1)运动控制器的操作：

点击“开始”，系统打开板卡，进行系统初始化，完成后其它按钮可用。

回零：依次对PAN 和TILT进行回零操作，回零过程中其它按钮不可用

图4.2视觉随动跟踪系统的转台本体

位置清零：轴的转动角度清零

2)摄像头的操作

点击“打开摄像头”，则可以看到采集的图像已经显示在图像显示区内。

显示方式选择：

a)原始图像 b)处理图像 c)靶标位置曲线 用户根据实验要求做选择

点击“图像处理”可以看到处理后的图像效果 点击“显示实景”可以切换回实景模式

3)靶标跟踪

当控制器和摄像头都设置完毕，比完成标定后，此按钮才可按下。按下后系统开始工

作，跟踪运动物体。

4)关闭退出

关闭控制器、摄像头和DLS-C30，退出系统。

实验一计算机视觉和数字图像处理技术

一、实验目的

了解计算机视觉和数字图像处理技术的背景知识，学会使用光电实验系统中的图像设备。

1.简述计算机视觉的前景及展望

对三维计算机视觉技术的研究已有几十年的历史,人们确已获得很

大的进步。但迄今为止,能真正应用

于实际的视觉系统还未见报道。为什么会是这种情形,许多人都在思考这个问题。可以肯定地说,形成目前

这种情况的根本原因(主要问题)是:视觉系统感知景物的信息量太少。仅靠摄取景物在某一时刻的几幅图

像,这只相当于人类视觉对某一景物扫一眼的情形。人都有这样的经验,当对景物一眼看不甚清楚或不知所

以时,人类将集中注意力盯着景物。眼球的运动对人类的立体视觉看来是很重要的。事实上,没有人类眼睛

盯着景物的活动过程,只能看到景物的一个表象;往往一个表象是能用来区别物体的,而眼动的过程就是

充分获取景物整体表象的过程。通过大脑的分析、综合与判断,人们要么识别景物,要么认识景物(与建模

类似)。同样的情形也发生在深度图像视觉系统中。简单分析一下人类视觉过程可以看出,人类视觉是在白

觉或不自觉地充分利用了景物的形状、颜色、光照,物体表面的反射,组成物体的材料等信息,同时还通过

触觉、嗅觉、听觉等来感知景物除视觉之外的其它信息。因此,人类的物体识别过程是综合人的所有感知器

官充分获取景物信息,通过分析,综合判断而进行识别的过程,而计算机物体识别仅是理想环境下静止的、

瞬间的视觉识别过程。因此,必然不能适应现实生活的需要。

目前学术界正对传统的人工智能进行反思,对人工智能的五大基本问题进行讨论田〕,并对以积木世界为

基础发展起来的计算机视觉进行批判。在文献〔75]中,作者提出以下三个观点:首先,传统的计算机视觉

采用积木世界代替现实世界以简化问题的复杂性的方法与路线是不可行的。其次计算机视觉中使用如此繁

多的方法,说明它还不是一门成熟的学科。最后,一幅图像包含极丰富的信息,并不在于它用大见的像素数

据组成,而在于所有像素集合所包含的整体信息。因此今后的计算机视觉研究除了继续在计算机视觉的基本

问题如:立体匹配,物体形状恢复(Shape.fromx),建模,物体与模型匹配等方面进行努力,还应在多媒体

信息采集与处理、合适数学工具,优秀算法的固化,关键技术的开发、推广,计算机视觉的人工神经网络研 究及实时化等方面加强研究。

为了解决理想环境下静止的、瞬间的计算机视觉的巨大局限性,由北方交通大学信息科学研究所和清华

大学电子工程系联合主持开展的国家“七五”自然科学基金重大项目:“超级智能视听信息处理系统的研

究”针对计算机视觉获取景物信息少的缺点,期望通过综合计算机视觉、计算机图形、计算机听觉、计算机

文字处理即将声像图文四方面信息作为有机的整体—视听信息系统来加以研究。智能视听信息处理系统具有多媒介计算机的功能[v6〕,但同时又具有两个明显区别于多媒介计算机的特点,即:首先它可以是一个分

布式并发型的语音、图像、文字、图形信息处理系统,可以完成各自信息的输入输出、存储、处理,完成它

们之间的信息转换;其次它有一个多媒介多层次数据库、知识库,支持整个系统的运行,并具有实现多信息

融合技术的可能性。如果这一视听信息处理系统能如期建立,则势必将为人机交互的新一代信息处理技术提

供崭新的研究与开发环境,同时也将是对目前计算机视觉研究所具有局限性的一个大胆的突破性尝试。目前

整个系统已基本定型。我们坚信,融视听图文于一体的新一代信息处理系统一定能将计算机视觉研究向前推

进一步,并将计算机视觉从实验室引向实际应用领域!

2.简述摄像头采集图像的工作原理

数码相机是通过光学系统将影像聚焦在成像元件CCD/ CMOS 上，通过A/D转换器将每个像素上光电信号转变成数码信号，再经DSP处理成数码图像，存储到存储介质当中。

光线从镜头进入相机，CCD进行滤色、感光（光电转化），按照一定的排列方式将拍摄物体“分解”成了一个一个的像素点，这些像素点以模拟图像信号的形式转移到“模数转换器”上，转换成数字信号，传送到图像处理器上，处理成真正的图像，之后压缩存储到存储介质中。

一：景物的反射光线经过镜头的会聚，在胶片上形成潜应影，这个潜影是光和胶片上的乳剂产生化学反应的结果。再经过显影和定影处理就形成了影像。摄象头的数码影像和胶片成像原理不同，是经过镜头成像在CCD上，经过CCD的光电转换，生成视频信号，再经过显示屏电光转换，才生成图像。

实验二运动控制技术

一、实验目的

了解运动控制技术的背景知识，学会使用运动控制器操纵光电跟踪系

统中转台本体的运动。

简述限位开关的作用和工作原理

限位开关分为接触式和非接触式两大类，接触式的比较直观，就是

1、

机械设备的运动部件上，安装哈桑限位开关，与其相对应运动的固定点上安装极限位置的挡块。或者是相反安装位置。 一旦限位开关的机械触头碰上挡块时，切断或者是改变了控制电路，机械就停止运行或者是改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关的“超行程”以保护开关不收损坏。

非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式以及感应式几种，通常运用在电梯当中，利用生产机械运动部件的碰撞使得触头动作从而实现接通或者是分断控制电路，达到一定的控制目的。常常运用在机械运动位置或者是行程，使得运动机械按位置或者是行程自动停止、反向运动或者是自动往返运动中。 限位开关的作用有哪些？ 限位开关的作用在于实现顺序控制、定位控制以及位置状态的检测，用于控制机械设备的行程以及限位保护中。在实际的生产生活中，将限位开关安装在预先安排的位置，而安装在生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，限位开关的触电动作，从而实现电路切换。

2、 谈谈运动控制的关键技术和发展趋势

运动控制主要用于机械传动装置的计算机控制，对机械传动装置中电机的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定运动参数完成相应的动作。

在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控制等。点位控制又称为点到点控制，是一种从某一位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要最后能正确到达目标位置的控制方式。这类控制在移动过程中，对两点间的移动速度及运动轨迹没有严格要求，可以先沿一个坐标移动完毕，再沿另一个坐标移动，也可以沿多个坐标同时移动。直线控制又称为平行控制，这类运动除了控制点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控制。轮廓控制又称为连续轨迹控制，这类运动能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可以进行曲线或曲面的运动。现代数控机床及机器人绝大多数具有两个坐标或两个坐标以上联动的功能，如6 轴（或自由度、维）控制的机械手，其运动可以给定在空间的任意方向。 在运动控制系统中，按执行部件的类型分类，可分为开环、闭环和半闭环伺服系统。采用步进电机驱动的开环系统，没有位置反馈和校正控制，其位移精度取决于步进电机的步距角及传动机构的精度等。而闭环和半闭环伺服系统多了位移测量和位置比较环节，这样可达到比开环系统更高的精度和运行速度。

在军事自动化 (MA) 、工厂自动化 (FA) 、办公自动化 (OA) 和家庭自动化(HA)中，大量存在对运动机构进行精确控制的任务。作为自动控制的重要分支，运动控制技

术在这里大显身手，运动控制卡是机电一体化产品与系统中的关键部件， 其应用领域极其广泛，它可以直接用于电子机械设备、机器人、数控机床、医疗设备、液压控制设备、印刷机械等设备上，正是由于运动系统能够实现对运动轨迹、运动速度、定位精度以及重复定位精度的精确控制要求，在各类控制工程中有着广泛应用前景，因此运动控制系统目前已成为控制科学应用领域中一个很有意义的研究方向。

实验三利用质心法跟踪运动物体

一、实验目的

了解数字图像处理的基本算法，掌握视觉随动跟踪系统的工作原理 1. 分析视觉跟踪的工作原理

这个实验要求有理想的光源条件，且跟踪物体在纯白色背景下运动。跟踪物体的颜色要明显区分于背景。我们通过对采集到的图片进行数字图像处理，得到物体的质心位置，进而控制转台上的摄像头对物体进行实时跟踪。

在求跟踪物体的质心坐标前，将采集到的灰度图做数字图像处理。预处理流程如下：

图像输入 灰度图二值化 灰度变换 滤波去噪

通过预处理我们得到一副较为理想的图像。我们可以利用质心法，把每一个黑色像素点看作是质点。则质心位置等于物体每个质点的质量与该质点坐标的乘积的和再除以总质量。

质心坐标为

1b2MyaMx2af(x)dx， y． xbbmmaf(x)dxf(x)dxbxf(x)dxa得到跟踪物体的质心坐标后，我们根据这个参数进行PD控制器的设计。首先

运动控制器工作模式设为速度追踪。然后利用公式V=KP*ex+KD*(ex-ex0)可以得到转台两轴跟踪物体所需要的目标速度。

运动控制器在速度追踪模式下，控制轴以设定的加速度加速到目标速度以后，一直保持目标速度。在运动过程中，目标速度是随时变化的。

图3.2 速度追踪模式

总的工作流程如下：

图3.3 视觉随动跟踪系统工作流程

2. 掌握数字图像处理相关算法

实验四靶标跟踪

一、实验目的

掌握靶标标定的方法，了解光电跟踪系统的跟踪精度。 1. 分析跟踪精度

2．进一步深入研究算法，优化跟踪精度。

1. 点击“开始”按钮，打开运动控制器。

2. 分别以转台和靶标为原点建立坐标系XOYZ和X1OY11Z1，调节转台和靶标的位置，使Z轴和Z1轴在同一直线上，且XOZ和X1O1Z1在同一个平面上。

Y1YOZZ1O1X转台X1靶标 3. 点击位置清零按钮。这做为转台和靶标的初始位置。

4.打开串口，点击连续测量按钮，用激光测出靶标到转台的距离L。

5.打开摄像头，点击“处理图像”调整图像二值化阀值、摄像头参数，使之取得较好的处理效果。

6.点击右下角的“靶标跟踪”按钮，物体跟踪开始。

7.移动靶标，使靶标静止某一位置，这时X轴、Y轴、Z轴移动的距离分别为-x、y、z，转台的水平轴和仰俯轴转动的角度分别为-a和b。激光测到的距离为L1。如下图所示：

靶标YL1Y1yObZ-azZ1O1-xX转台X18.以转台为基准，计算跟踪数据和靶标数据 1）跟踪数据

① 靶标到转台的距离：L1

②靶标所在的方位：转台偏西-a度。 ③靶标的高度h：hL1sin(b) 2）靶标数据

①靶标到转台的距离：L1 ②靶标所在的方位：

xhLz ,  = arctan

h③靶标的高度h：hy

9.通过观察跟踪数据和靶标数据就可以知道光电跟踪系统的跟踪精度。 注意：步骤2的标定很重要，一旦有了误差就会严重影响跟踪精度。 10.点击“停止跟踪”按钮。

11.点击“关闭摄像头”按钮关闭摄像头，点击“停止测量”按钮，关闭串口，点击“停止按钮”关闭运动控制卡。点击“关闭退出”按钮退出程序。

12.若运行源代码，数据保存在E:\\光电跟踪系统\\源代码\\PT转台20110425\\Data.txt中。

若运行可执行程序，数据保存在E:\\光电跟踪系统\\可执行程序\\ Data.txt中。保存的数据依次为：靶标到转台的距离、靶标的跟踪方位、靶标的跟踪高度、靶标的实际方位、靶标的实际高度。

注：靶标位置曲线中，水平轴为靶标方位，单位度，垂直轴为靶标高度，单位厘米。红色曲线：靶标实际数据；蓝色曲线：靶标的跟踪数据。

13. 若运行源代码，数据保存在E:\\光电跟踪系统\\源代码\\PT转台20110425\\Data1.txt中。若运行可执行程序，数据保存在E:\\光电跟踪系统\\可执行程序\\ Data1.txt中。保存的数据依次为：跟踪x坐标、跟踪y坐标、跟踪z坐标、靶标的实际x坐标、靶标的y坐标, 靶标的z坐标。

注：靶标位置曲线中，水平轴为靶标方位，单位度，垂直轴为靶标高度，单位厘米。红色曲线：靶标实际数据；蓝色曲线：靶标的跟踪数据。