基于嵌入式处理器的视觉跟踪系统研究与开发

摘要

本文主要针对工业流水线上物品识别跟踪定位的场景，开展的基于嵌入式处理器的视觉跟踪系统的研究与开发。随着工业水平的提高，为增加生产线的灵活性，机器视觉技术逐渐被引入到工业加工生产中，用于物品的识别与定位。但其大多是基于PC平台或其它专业平台，导致造价高，集成度低，并且较难推广应用。嵌入式系统具有集成度高，成本低，软硬件皆可裁剪，灵活性高等特点。因此对基于嵌入式处理器的视觉跟踪系统研究与开发就显得十分有实际意义。本文从实际环境条件出发，参考国内外已有的研究成果与相应的参考文献，设计实现了完整的基于嵌入式平台的视觉跟踪系统。该系统包括系统验证用机械运动平台、运动控制模块、目标识别与跟踪模块。本文的主要工作如下:
　　1、针对本文所研究与设计的视觉跟踪系统设计了机械验证平台。对该平台进行了结构设计分析与机架材料选型分析，并且根据需求对运动控制器进行了软、硬件的设计。采用机加工与3D打印技术完成了实验平台制作，同时对其重复定位精度进行了实验测试，精度能够满足本文设计系统的使用。
　　2、设计了一种使用DMA传输结合定时器级联的S曲线加减速算法，本文详细的阐述了该算法的原理与实现流程。该算法主要是为了减少机械运动平台在频繁起停时产生的震动，为后续目标的识别与跟踪打下良好基础，同时也使运动平台具有较好的机动性。
　　3、实现了一种融合卡尔曼预估功能的改进MeanShift跟踪算法。该算法从实际情况出发进行设计，以单帧图像中所有目标物为跟踪点。首先，可以在较少计算量的情况下对多个目标进行排序优先跟踪，然后通过节点状态更新，结合MeanShift算法继续对后续节点目标进行跟踪处理。
　　4、完成了基于Raspberry Pi3B平台的树莓派系统搭建，分别实现了OpenCV以及GPIO驱动库WiringPi的安装，并且分析了Linux平台的USB摄像头驱动程序。通过上述系统及软件驱动的安装与分析，可以为通信、目标跟踪等提供良好系统环境与开发基础。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究与应用现状

1．3 跟踪系统的技术难点

1．4 论文主要内容及结构安排

2 系统的总体方案设计

2．1 系统功能需求

2．2 系统设计遵循的原则

2．3 系统的总体方案设计

2．4 关键技术分析

2．4．1 S曲线加减速算法

2．4．2 目标识别与跟踪算法

2．4．3 Linux平台下USB摄像头驱动的分析

2．5 本章小结

3 机械运动平台的设计与实现

3．1 机械部分设计方案

3．1．1 机架结构设计与材料的选取

3．1．2 传动方式的选取与设计

3．1．3 固定件安装零件设计制作

3．2 运动控制部分硬件设计方案

3．2．1 运动主控芯片的选取及外围硬件电路实现

3．2．2 步进电机驱动芯片外围硬电路实现

3．2．3 限位开关与原点开关电路实现

3．3 运动控制部分软件设计方案

3．3．1 S型曲线DMA与从定时器方式工作原理

3．3．2 S曲线计算的原理介绍

3．3．3 S曲线表格生成

3．3．4 实际S曲线的计算

3．3．5 S曲线计算部不对称部分

3．3．6 S曲线对称部分计算

3．4 实验及分析结果

3．5 本章小结

4 运动目标检测和相机标定的设计与实现

4．1 图像检测预处理

4．1．1 视频图像的灰度化

4．1．2 视频图像的二值化

4．1．3 图像的去噪

4．1．4 图像形态学处理

4．2 运动目标检测方法

4．2．1 帧间差分法

4．2．2 背景差分法

4．2．3 光流法

4．3 相机的标定

4．3．1 相机的针孔模型

4．3．2 相机标定

4．4 本章小结

5 运动目标跟踪算法设计与实现

5．1 多目标识别与跟踪算法解决的问题

5．2 基于MeanShift算法的多目标跟踪算法设计

5．2．1 MeanShiff算法

5．2．2 卡尔曼估计与滤波的引入

5．3 目标识别与跟踪算法的设计

5．3．1 单帧图片目标节点存储结构

5．3．2 有效区域的搜索与计算

5．3．3 流水线传送速度的测量

5．3．4 目标的获取

5．3．5 跟踪目标的获取

5．4 实验及结果分析

5．5 本章小结

6 视觉跟踪系统的嵌入式平台设计与开发

6．1 系统硬件平台

6．2 软件开发环境

6．2．1 Raspbian系统简介

6．2．2 Raspbian系统的安装

6．2．3 OpenCV在Raspbian系统上的安装

6．2．4 WiringPi的安装

6．3 Linux系统下USB摄像头驱动的实现

6．4 系统软件设计思路

6．5 通信协议的设计

6．6 软件错误接口设计

6．7 开发与调试过程中主要问题及解决方法

6．8 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研工作成果情况

致谢

声明