基于超小型無人機(jī)的地面目標(biāo)實(shí)時(shí)圖像跟蹤.pdf

1、地面移動(dòng)目標(biāo)低空實(shí)時(shí)圖像跟蹤系統(tǒng)的研究是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科具有重要意義的應(yīng)用研究，主要是研究和開發(fā)一套基于超小型旋翼機(jī)的地面移動(dòng)目標(biāo)低空實(shí)時(shí)圖像跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)懸掛在超小型旋翼機(jī)上，從空中對地面目標(biāo)實(shí)施監(jiān)視與跟蹤。跟蹤系統(tǒng)能夠鎖定跟蹤目標(biāo)，排除干擾目標(biāo)的影響，并且能夠?yàn)轱w行器的跟蹤飛行提供控制參數(shù)。本論文圍繞著地面移動(dòng)目標(biāo)低空實(shí)時(shí)圖像跟蹤系統(tǒng)所涉及的圖像處理算法，系統(tǒng)硬件、軟件及操作控制等多個(gè)方面進(jìn)行研究。主要研究工作如下： 1.

2、分析地面移動(dòng)目標(biāo)低空實(shí)時(shí)圖像跟蹤系統(tǒng)的研究背景和意義，追蹤國內(nèi)外視覺監(jiān)控方面的多個(gè)大型研究項(xiàng)目的進(jìn)展。依據(jù)圖像監(jiān)控的基本框架，結(jié)合本系統(tǒng)應(yīng)用的環(huán)境特征，分析得出構(gòu)建基于超小型旋翼機(jī)的地面目標(biāo)實(shí)時(shí)圖像跟蹤系統(tǒng)存在的幾個(gè)問題，提出解決問題的房方案和技術(shù)路線。 2.構(gòu)建地面移動(dòng)目標(biāo)低空實(shí)時(shí)圖像跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)給出了跟蹤系統(tǒng)的硬件框架的最佳方案。跟蹤系統(tǒng)采用并聯(lián)控制回路，實(shí)現(xiàn)人工監(jiān)視狀態(tài)與自動(dòng)跟蹤狀態(tài)無縫切換。此外，還搭建了

3、一個(gè)跟蹤系統(tǒng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬跟蹤過程中飛行載體惡劣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 3.研究分析數(shù)字圖像的閾值分割方法，根據(jù)跟蹤系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的特征，采用基于直方圖的自適應(yīng)容忍度的多閾值分割方法對動(dòng)態(tài)序列圖像的運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行分割，在直方圖上，采用圖像灰度值像素頻率平均線限定圖像上一些干擾子集的影響，并采用限制搜索范圍的爬山算法來進(jìn)一步確定每一幀圖像上每個(gè)灰度子集的容忍度，確保圖像分割的有效性和實(shí)時(shí)性，分割后可得到目標(biāo)不完全分割的二值圖像。

4、 4.針對分割得到的運(yùn)動(dòng)區(qū)域中常常包含有目標(biāo)和干擾目標(biāo)的問題，依據(jù)各個(gè)目標(biāo)之間的相對聚集性，系統(tǒng)分別采用兩種方法排除干擾目標(biāo)。從數(shù)字圖像處理的角度出發(fā)，采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法或者金字塔結(jié)構(gòu)增加目標(biāo)區(qū)域的連通性，然后采用數(shù)字圖像處理的區(qū)域標(biāo)識(shí)方法標(biāo)識(shí)目標(biāo)與干擾目標(biāo)，通過判斷靶框內(nèi)標(biāo)識(shí)區(qū)域的位置識(shí)別目標(biāo)區(qū)域；從模式識(shí)別的角度出發(fā)，采用基于雙重子窗口的動(dòng)態(tài)聚類方法計(jì)算得到目標(biāo)的形心位置，根據(jù)靶框內(nèi)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的面積設(shè)置一子窗口，通過子窗口聚類，最終

5、搜索到目標(biāo)的形心位置，從而排除了干擾目標(biāo)的影響。動(dòng)態(tài)聚類方法相對區(qū)域標(biāo)識(shí)方法簡單明了，如果要獲得目標(biāo)的形狀，則需要進(jìn)行后處理。 5.針對目標(biāo)的不完全分割對確定目標(biāo)的形心位置可能存在影響的問題，系統(tǒng)根據(jù)形態(tài)學(xué)理論和計(jì)算幾何的凸殼理論分別計(jì)算生成目標(biāo)的凸殼，從而完整地分割目標(biāo)。通過計(jì)算凸殼所圍成的面積的形心位置，能夠部分地消除了目標(biāo)不完全分割的影響。其中形態(tài)學(xué)方法生成的是一個(gè)近似的凸殼，并且計(jì)算量大；計(jì)算幾何方法生成的目標(biāo)凸殼相對比

6、較精確，且計(jì)算量較小。 6.分析了跟蹤系統(tǒng)云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)了云臺(tái)的跟蹤運(yùn)動(dòng)與像平面上的目標(biāo)跟蹤的統(tǒng)一，討論了云臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制方式--速度控制和位置控制的特性及應(yīng)用環(huán)境，并根據(jù)跟蹤過程中云臺(tái)相對于飛行器的姿態(tài)為飛行器的飛行控制提供必要的控制參數(shù)。 7.從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，充分考慮人的主觀因素，設(shè)計(jì)良好的人機(jī)交互界面，將跟蹤系統(tǒng)絕大多數(shù)的功能操作都集中在跟蹤視野范圍內(nèi)的鼠標(biāo)上，使得操作人員能夠集中注意力，簡單快捷地捕捉