基于仿生人眼控制的地面运动目标低空自动跟踪系统

摘要

本发明涉及一种基于仿生人眼控制的地面运动目标低空自动跟踪系统。它包括飞行器及其飞控系统、机载PTZ摄像机、机载图像处理单元和机载仿生控制微处理器。该微处理器采用根据生理学神经回路建立的人眼眼球运动控制的数学模型，作为机载PTZ摄像机控制器的控制律，分别控制机载PTZ摄像机旋转(P)、侧倾(T)、变焦(Z)电机，实现前庭动眼反射、急动性眼球运动、平滑性眼球运动、视机性反射等人眼特有的仿生运动特性，使自动跟踪系统能够象人眼一样连续、平滑、清晰、稳定地跟踪地面运动目标。这种仿生控制方法还为研制当今机器人迫切需要的具有诸多像人眼这样视觉功能的仿生机器人眼探索出有效途径。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地面运动目标自动跟踪系统，特别是一种基于仿生人眼控制的低空地面运动目标自动跟踪系统。

背景技术

地面运动目标低空自动跟踪是期望通过有效控制低空无人飞行器姿态及其机载PTZ(即Pan-Tilt-Zoom的缩写)摄像机，使被跟踪的地面移动目标始终保持在图像中心位置，并将图像传回地面指挥中心。可广泛用于军事侦察、武器投放、对地攻击、反恐防暴、交通监控、紧急情况服务援助、摄影测绘和勘察等领域，因此得到了世界上许多国家的极大关注，国内外很多大学、公司等研究机构，纷纷开展了这方面的研究工作。但是，在地面运动目标低空自动跟踪系统中，由于低空超小型无人飞行器、机载PTZ摄像机和地面被跟踪目标三者均在运动中，而且飞行器本身的振动对图像稳定性的影响也很大，使得现有针对从静止摄像机获得场景的目标识别和跟踪方法很难适用。而在跟踪问题上，前期国内外研究的焦点主要还是集中在图像处理方面，摄像机自身运动只是运用图像处理方法如仿射变形算法等进行补偿，因而图像的稳定性不理想，被跟踪目标容易逃出视野。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的基于仿生人眼控制的地面运动目标低空自动跟踪系统，能够象人眼一样连续、平滑、清晰、稳定地跟踪地面运动目标。

为达到上述目的，本发明的构思是：人眼之所以具有在运动时仍然可以跟踪注视运动中的物体而且图像清晰这样的视觉功能，是因为人眼眼球在其神经回路的控制下，可以实现急动性眼球运动、平滑性眼球运动、前庭动眼反射、视机性反射等运动形式。急动性眼球运动能使视线很快地从一个注视点移向另一个注视点，即快速切换视线注视的目标。平滑性眼球运动能使视线平滑地跟踪注视目标，令被注视目标的图像保持在视网膜中央凹上，从而获得连续、稳定的目标图像。前庭动眼反射是前庭刺激引起的反射性眼球运动，也就是当头部位置突然改变时，产生与头转动方向相反的眼球运动，使眼的位置在头和身体的姿势改变时保持不变，以维持视网膜成像的稳定。视机性反射是由于注视眼前快速移动的物体引起的一种眼球反射运动，使人眼能在背景运动情况下看清外界景物。

本发明正是要仿生人眼急动性眼球运动方式来控制机载PTZ摄像机在开始跟踪或跟踪过程中目标丢失后，能快速获取被跟踪目标；仿生人眼平滑性眼球运动方式来控制机载PTZ摄像机一旦获取跟踪目标后就平滑跟踪地面运动目标；仿生人眼的前庭动眼反射来克服因飞行器振动引起的被跟踪目标容易逃出视野；仿生人眼的视机性反射使得在因飞行器快速飞行引起背景也在运动的情况下，仍能稳定跟踪地面运动目标。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：

一种基于仿生人眼控制的地面运动目标低空自动跟踪系统，包括飞行器及其飞控系统、机载PTZ摄像机，其特征在于机载PTZ摄像机的视频输出端子Vout与一个机载图像处理单元的视频输入端子Vin连接，机载图像处理单元的数据输出串口与一个机载仿生控制微处理器的数据输入串口连接，机载仿生控制微处理器的控制信息输出端口与机载PTZ摄像机的数据端口串行连接，飞行器的飞控系统与机载仿生控制微处理器通过另一串口连接；机载仿生控制微处理器的软件写入仿生眼球运动控制数学模型公式，从而输出控制信息分别控制机载PTZ摄像机的旋转P、侧倾T和变焦Z的电机。

上述仿生眼球运动控制数学模型公式为：

$>>[>E>>(>s>)>>]>=>>>T>n>>>(>>T>n>>s>+>1>)>\; >\{>\alpha >>>>T>v>{}^{}$>

其中模型的输出[E(s)]是视轴转角，模型的输入[H(s)]是头部运动转角，[ε(s)]是视网膜图像处理得到的被跟踪地面运动目标的位移，T_v是前庭神经核接收信息的时间常数(生理学实验所得该数据是16s)，T_n是神经积分时间常数(生理学实验所得该数据是25s)。α、λ、γ分别是神经回路对头部角速度信号、被跟踪目标的角位移和角速度的转换增益，取值范围0～1。

在本跟踪系统中其仿生对应关系是：模型的输出[E(s)]是PTZ摄像机的光轴转角；模型的输入[H(s)]是超小型无人旋翼机SUAV-X160的运动姿态信息，即飞行器的俯仰角速率和偏航角速率，由相当于半规管的2个角速率陀螺分别感知；模型的另一输入[ε(s)]是机载图像处理单元得到的被跟踪地面运动目标的位移；PTZ摄像机相当于人眼眼球，其驱动摄像机旋转(P)、侧倾(T)、变焦(Z)的电机相当于眼肌，机载仿生控制微处理器及其控制软件相当于眼球运动控制神经回路。

上述的机载PTZ摄像机安装在飞行器的机体前下方，机载仿生控制微处理器和机载图像处理单元紧随其后也安装于机体下方。

上述系统中，机载图像处理单元的跟踪图像和机载仿生控制微处理器的跟踪数据通过一对无线传输模块与地面监控站主机通信，地面控制指令通过无线扩频数传电台与机载仿生控制微处理器通信。

上述的飞行器采用SUAV-X160型超小型无人旋翼机。

上述的机载图像处理单元的微处理器采用TMS320DM642型TI DSP微处理器。

机载PTZ摄像机的仿生控制微处理器采用C8051F021型微处理器。

上述的PTZ摄像机采用Canon VC-C50iR。

上述陀螺采用Murata ENC-03M型角速度陀螺。

PTZ摄像机的仿生控制原理是：将上述眼球运动控制数学模型公式(1)写入机载仿生控制微处理器的软件，由2个陀螺分别获取飞行器的俯仰、偏航角速率，作为仿头部转动信息输入到机载仿生控制微处理器；PTZ摄像机捕获的跟踪地面运动目标的图像输入到机载图像处理单元，相当于视网膜，得到目标运动信息，反馈给机载仿生控制微处理器。机载仿生控制微处理器按仿生眼球运动控制的数学模型公式(1)的控制律作用于上述2方面的输入，产生控制PTZ摄像机转动的输出信息，通过串口传送到PTZ摄像机。

本发明具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明采用仿生人眼眼球运动控制生理神经回路的仿生控制律，来控制机载PTZ摄像机运动，实现前庭动眼反射、急动性眼球运动、平滑性眼球运动、视机性反射等人眼特有的仿生运动特性，使之能够象人眼一样连续、平滑、清晰、稳定地跟踪地面移动目标，这可大大提高地面运动目标低空自动跟踪系统的性能。而且还为研制当今机器人迫切需要的像人眼这样具有诸多特殊自然功能的仿生型机器人眼探索出有效途径。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的系统控制框图。

图2是本发明的一个实施例的系统构成图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例是：参见图1和图2，PTZ摄像机5安装于超小型无人旋翼机1的机体前下方，其仿生控制微处理器3和机载图像处理单元4紧随其后也安装于超小型无人旋翼机1的机体下方。PTZ摄像机5的Vout端子与机载图像处理单元4的Vin连接。机载图像处理单元4的数据输出串口与仿生控制微处理器3的数据输入串口连接。仿生控制微处理器3的控制信息输出端口与PTZ摄像机5的数据端口连接。安装于超小型无人旋翼机1机体后下方的飞控系统2与仿生控制微处理器3通过另一串口连接。机载图像处理单元的跟踪图像和机载仿生控制微处理器的跟踪数据通过一对无线传输模块9与地面监控站主机8通信。地面控制指令通过无线扩频数传电台7与机载仿生控制微处理器3通信。

PTZ摄像机5捕获的跟踪地面运动目标6的图像输入到机载图像处理单元4，得到目标运动信息，反馈给机载仿生控制微处理器3，超小型无人旋翼机1的飞控系统2通过俯仰角速率陀螺和偏航角速率陀螺感知旋翼机1的姿态信息，相当于半规管感知头部信息，然后输入到机载仿生控制微处理器3，仿生眼球运动控制的数学模型公式作为控制律编入机载仿生控制微处理器3的软件，其串口输出信号分别控制PTZ摄像机5的旋转(P)、侧倾(T)、变焦(Z)电机。PTZ摄像机5与超小型无人旋翼机1之间还有协调混合控制，采用PTZ摄像机5优先响应跟踪地面运动目标的方法。