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基于图像的主动视觉跟踪技术研究

作　者: 黄远洋
导　师: 汪德刚
学　校: 大连理工大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 主动视觉跟踪 二维转台 模糊变论域 滑模控制 运动目标
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


主动视觉跟踪是相对于被动视觉跟踪而言的,和被动视觉跟踪最大的区别是：主动视觉跟踪系统的摄像机是运动的。主动视觉跟踪具有自主选择,可以连续,多角度跟踪目标等优点,并在机器人控制,无人机目标跟踪,导弹追踪系统中等有着广阔的应用前景。本文主要研究基于图像的主动视觉目标跟踪系统,即在二维数控转台上安装摄像头和激光测距仪,利用摄像头反馈的视觉信息自动调整转台的仰俯角和偏航角,使得被跟踪目标能够始终保持在摄像机视场中心,激光测距以实时反馈当前目标和镜头之间的距离,计算当前目标的方位角以及目标高度。在整个目标跟踪系统中,摄像头提供反馈动态目标的运动信息。在跟踪过程中,视觉设备的位姿时刻变化,所拍摄图像背景也是时刻变化的,因此从动态背景下识别目标并提取目标参数以及如何根据目标运动信息实时调整视觉设备姿态,使得目标保持在视觉设备视场中,是视觉跟踪的两个难点问题。本文围绕基于图像的主动视觉目标跟踪系统的系统模型,目标识别、提取和动态目标跟踪三方面进行了论述,主要工作如下：首先,根据二维转台的结构特性,采用拉格朗日建模方法建立了二维转台的动力学模型；根据视觉设备、转台以及动态目标的位置结构关系,建立了基于转台的图像雅克比矩阵和基于动态目标的图像雅克比矩阵,通过图像雅克比矩阵将目标在世界坐标系下的变化转换到目标在图像平面上像素点的变化,并将其应用到视觉跟踪中。其次,分析该系统的图像特点,总结出一个较为有效的检测目标和提取目标的方案。即首先对图像使用滤波除去噪声,然后进行灰度变换等一系列操作对图像进行预处理,接着对预处理之后的图像进行阈值分割,腐蚀与膨胀,提取目标轮廓等操作,最后采用图像矩的方法获取目标实时质心位置。然后,为了保证目标时刻保持在视觉设备视场中,本文将变论域模糊控制和滑模变结构控制相结合,设计了变论域模糊滑模控制器,它具有鲁棒性、实时性以及很好的跟踪精度。仿真实验和实物控制实验都证明了本文所设计的变论域模糊滑模控制器有很好的控制效果,并优于传统的PID控制器。最后,根据系统特点以及现场环境合理配置各部分器件,完成了实物控制平台搭建以及测试工作；并在VC++6.0环境下开发系统实时控制软件,在软件中嵌入不同的控制器算法,能够实现不同控制算法下目标跟踪的效果比较。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-15
  1.1 课题研究的背景及意义  10-11
  1.2 主动视觉跟踪技术研究现状  11-13
    1.2.1 动态目标的状态估计  11-12
    1.2.2 系统跟踪控制  12-13
    1.2.3 存在的问题  13
  1.3 本论文的主要内容以及结构  13-15
2 二维转台跟踪系统建模  15-24
  2.1 转台系统动力学模型  16-17
  2.2 摄像机模型  17-19
  2.3 主动视觉跟踪系统  19-23
    2.3.1 系统坐标系变换  20-21
    2.3.2 目标、摄像机位姿关系  21-23
  2.4 本章小结  23-24
3 视觉处理  24-33
  3.1 图像预处理  24-27
    3.1.1 滤波去噪  24-26
    3.1.2 灰度变换  26-27
  3.2 图像分析  27-31
    3.2.1 图像阈值分割  27-28
    3.2.2 图像腐蚀与膨胀  28-29
    3.2.3 图像边缘提取  29-31
  3.3 获取目标质心点坐标  31-32
  3.4 本章小结  32-33
4 变论域自适应模糊滑模控制  33-42
  4.1 模糊控制  33-36
    4.1.1 模糊控制结构  33-35
    4.1.2 模糊控制特点  35
    4.1.3 变论域模糊控制  35-36
  4.2 滑模控制  36-39
    4.2.1 滑模控制基本原理  37-38
    4.2.2 常规滑模控制特性分析  38-39
  4.3 变论域自适应模糊滑模控制器  39-41
    4.3.1 模糊滑模的分类  39
    4.3.2 控制器设计  39-41
  4.4 本章小结  41-42
5 主动视觉跟踪系统的控制仿真  42-48
  5.1 基于图像的主动视觉跟踪系统组成  42
  5.2 控制器设计  42-44
  5.3 仿真结果  44-47
    5.3.1 静止目标跟踪仿真  44-46
    5.3.2 运动目标跟踪仿真  46-47
  5.4 本章小结  47-48
6 主动视觉跟踪系统实验平台设计与实现  48-60
  6.1 系统整体方案  48
  6.2 系统硬件组成  48-51
    6.2.1 转台本体  48-49
    6.2.2 摄像机系统  49-50
    6.2.3 激光测距仪  50-51
    6.2.4 移动靶标  51
  6.3 运动控制系统  51-54
  6.4 软件平台设计  54-57
    6.4.1 软件模块  54-57
    6.4.2 软件流程  57
  6.5 控制效果及结果分析  57-59
  6.6 本章小结  59-60
结论  60-61
参考文献  61-64
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  64-65
致谢  65-66

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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