基于地平式天文望远镜运动目标跟踪技术的研究

摘要

本论文以地平式天文望远镜为研究平台，将图像处理技术和运动目标跟踪技术相结合，研究在运动背景下对运动目标进行跟踪的方法。通过CCD模块采集的模拟视频信号，经解码模块解码为数字视频信号。再将该数字视频信号传输给FPGA，进行图像跟踪运算并显示。根据计算出的目标位移结果控制伺服系统转动，从而实现目标跟踪。实验结果表明，该方法能够准确地对空中运动目标进行跟踪。
　　首先，介绍了地平式天文望远镜的光学系统。根据视频图像技术的基础理论，对CCD模块的选型及其性能指标做了详细说明。同时，为便于后端视频图像处理，设计了视频解码模块，该模块能够对模拟视频信号进行解码并倍频。
　　其次，论文设计了一种自适应高斯平滑滤波法对图像进行预处理，该方法不仅能够有效滤除噪声，而且降低了平滑处理对边缘检测效果的影响。选取Sobel算子进行边缘检测，边缘检测效果明显。并进一步设计了一种基于边缘检测的相关匹配跟踪算法。文章从算法可行性和软、硬件实现角度对运动目标跟踪算法做了详细介绍。
　　再次，论文根据地平式天文望远镜的结构特点设计出伺服控制系统。设计了伺服控制电路，该控制电路以STM32系列单片机为核心控制器，能够对地平式天文望远镜进行二维控制。并结合步进电机工作原理，采用TI公司的DRV8829电机驱动芯片设计出二相四线式步进电机驱动器，该驱动器驱动电机平稳转动，且散热性能良好。此外，为便于系统调试与观测，设计了TFT屏触控模块，并以FPGA构建的NiosⅡ软核为处理器，开发TFT屏底层驱动程序和uC/GUI人机界面的顶层应用程序。
　　最后，文章分别对系统各功能模块进行独立调试和系统联调。实验结果表明，各功能模块运行效果良好，系统联调能够达到预期效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 视频图像运动目标跟踪技术的国内外研究现状

1．3 本文的主要工作

1．4 本文的结构安排

2 视频图像采集与解码

2．1 光学系统

2．2 CCD图像采集模块

2．3 视频解码模块的设计

2．3．1 电路原理结构设计

2．3．2 SAA7111芯片介绍

2．3．3 SAA7111芯片的硬、软件配置

2．3．4 AL251芯片介绍

2．3．5 AL251芯片的硬、软件配置

2．4 本章小结

3 视频图像运动目标跟踪算法分析与实现

3．1 图像增强

3．2 图像平滑处理

3．2．1 平均滤波法

3．2．2 高斯平滑滤波

3．3．3 自适应高斯平滑滤波法

3．3．4 自适应高斯平滑滤波的算法仿真

3．3 视频图像的边缘检测技术

3．3．1 常见边缘检测方法

3．3．2 基于Sobel算子的边缘检测算法

3．3．3 基于Sobel算子的边缘检测算法仿真

3．4 基于边缘检测的相关匹配跟踪算法的研究

3．4．1 常见跟踪算法

3．4．2 跟踪算法的选取

3．4．3 基于边缘检测的相关匹配跟踪算法

3．5 视频图像处理及跟踪的软、硬件实现

3．5．1 基于FPGA平台的整体结构设计

3．5．2 图像帧选取模块

3．5．3 基于3×3模板构建的图像预处理及边缘检测模块设计

3．5．4 图像存储与显示

3．5．5 并行处理结构的边缘检测与提取

3．5．6 基准图像更新模块

3．5．7 相关运算与匹配设计

3．6 本章小结

4 地平式天文望远镜结构特征及其伺服控制系统

4．1 地平式天文望远镜的结构

4．2 地平式天文望远镜伺服控制系统设计

4．2．1 二相四线式步进电机

4．2．2 减速器

4．2．3 限位开关

4．2．4 伺服控制箱设计

4．2．5 伺服控制电路设计

4．2．6 二相四线式步进电机驱动器设计

4．3 本章小结

5 嵌入式人机界面的设计

5．1 TFT模块硬件电路设计

5．2 系统Nios Ⅱ软核处理器的构建

5．2．1 Nios Ⅱ软核处理器

5．2．2 Nios Ⅱ软核各功能模块的构建

5．2．3 Nios Ⅱ软核的生成

5．3 TFT模块驱动程序设计

5．3．1 SSD1289驱动程序设计

5．3．2 ADS7843驱动程序设计

5．4 μC／GUI图形界面开发

5．5 本章小结

6 系统性能参数测试及调试结果

6．1 实时图像采集与处理测试

6．1．1 实时图像采集结果

6．1．2 实时图像跟踪结果测试

6．2 伺服控制系统性能参数测试

6．2．1 天文望远镜伺服转动参数测试

6．2．2 步进电机驱动器性能参数测试

6．3 系统联调测试

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

附录A 伺服控制电路原理图

附录B 二相四线式步进电机驱动电路原理图

附录C 伺服控制箱实物图

附录D 地平式天文望远镜实物图

附录E FPGA电路实物图