1、基于DSP的光电成像跟踪系统研究硕士学位论文基于DSP的光电成像跟踪系统研究STUDY ON OPTOELECTRONIC IMAGING AND TRACKING SYSTEM BASED ON DSP学位授予单位及代码：长春理工大学(10186)学科专业名称及代码： 测试计量技术及仪器（080402） 研究方向： 精密测控技术与仪器 申请学位级别： 硕 士 摘 要本论文旨在研制一套光电成像跟踪系统，该系统能在实验室条件下实现对动目标的实时跟踪，为理解光电成像跟踪系统的构成和实际应用提供实验平台和原理演示平台。本文阐述了光电成像跟踪系统原理与组成，论述了光电成像跟踪系统的设计和实现。 针对跟
2、踪系统设备和系统指标要求，确定了跟踪控制系统结构：控制系统由上位机和下位机两级控制系统组成，上位PC机对CCD相机采集的图像进行光电图像处理并提供人机界面，下位机采用基于DSP芯片的实验系统实现二维转台的实时控制，二者之间通过RS232通信协议进行命令和数据的通讯。结合转台驱动元件步进电机的矩频特性，对转台采用自适应控制策略，使二维转台的水平速度和垂直速度动态地改变，使得转台实时的跟踪目标，实现了高精度跟踪控制。关键词：光电成像跟踪 DSP 自适应控制 变速控制 串行通信 步进电机AbstractThis thesis aims at developing an photoelectric i
3、maging and tracking system. This system can achieve real-time tracking to moving object in laboratory. Finally a experiment platform and principle demo platform can be provided for the reserach of the structure and practical application of optoelectronic imaging and tracking system.The theory and te
4、chnique of engineering application is expounded in this paper.The designer and implementer of optoelectronic imaging and tracking system is discussed in this paper. In accordance with the researching tracking equipments and requirement of system index, the tracking control structure is confirmed: th
5、e master-slave control structure. The master-slave control structure based PC and DSP experiment system. The PC accomplish the processing of optoelectronic image collected by CCD camera and implement the human-computer interface. The real time control of two-dimensional numerical turntable is achiev
6、ed by DSP experiment system. The communication of command and data between PC and DSP experiment system is accomplished through RS232 communication protocol. According to pulse-torque characteristics of stepper motor of two-dimensional numerical turntable, the adaptive control algorithm is adopted w
7、hich can achieve high precision tracking control through dynamic changes of the velocity of horizontal axis and the velocity of elevation axis of the two-dimensional numerical turntable.Key words: optoelectronic imaging and tracking DSP adaptive control variable speed control serial communication st
8、epper motor 目 录摘 要ABSTRACT目 录第一章 绪论 11.1课题研究背景、目的及意义 11.2光电成像跟踪系统国内外现状 11.3论文主要研究内容 31.4论文结构安排 3第二章 光电成像跟踪系统总体设计方案 52.1 光电成像跟踪系统工作原理 52.2光电成像跟踪系统组成 52.3光电成像跟踪系统总体设计 102.4 PC机与DSP的通信设计 122.5转台的控制方案设计 12第三章 系统硬件设计 163.1 DSP选型及TMS320LF2407简介 163.2 基于DSP的转台控制系统功能分析 193.3步进电机及其工作原理 223.4光电隔离模块 27第四章 系统的软
9、件设计与实现 284.1主程序设计 284.2系统初始化设置 284.3 SCI串口通信模块设置 294.4脉冲输出子程序 324.5转台控制算法及其实现 344.6光电编码器测角信号处理子程序 394.7上位机（PC机）人机界面设计 40第五章 实验结果及控制系统的改进意见 455.1 DSP仿真开发环境及DSP软件开发流程 455.2 DSP硬件仿真器 475.3实验系统介绍 485.4实验结果分析 485.5总结与展望 50致谢 51参 考 文 献 52第一章 绪 论1.1课题研究背景、目的及意义1.1.1课题研究背景光电成像技术是适应信息社会的需要而迅速发展的一门新技术分支学科。这一先
10、进的技术为人类有效地扩展了自身的视觉能力。利用光电成像技术，可在全黑的夜空不用照明能像白天一样看清周围景物；可利用景物本身在常温下的辐射能获得可见的图像信息；可通过视频信号的转换来完成图像的传输、存贮以及处理等功能。由于光电成像技术首先在军事领域中得到了应用，因此这一技术已成为国防科技中至关重要的专业技术。随着光电编码技术、电视摄像技术、热成像技术、红外技术、数字图像处理技术的不断进步，光电成像跟踪技术自二十世纪六十年代以来, 得到了极大的发展, 在导弹制导、火炮控制、天文观测（空间飞行体和星体跟踪）、靶场测量、武器控制、航天航空等领域有着极其广泛的应用1。此外，光电成像跟踪技术在工业及科学研
11、究中也有很多用途，如印刷包装中目标定位，工业检测、安防监控等。1.1.2课题研究目的本课题来源于实验室学科建设项目，旨在研制一套光电成像跟踪系统，该系统能在实验室条件下实现对动目标的实时跟踪。该系统的设计主要是为了研究光电成像跟踪装置如何能快速、准确的跟踪目标，并且为各种跟踪算法提供知识积累以及为理论的实践提供实验平台。1.1.3课题研究意义光电成像跟踪系统是集光学技术、激光技术、计算机技术、信息处理、控制技术等多学科为一体的现代高精跟踪系统2 。近年来，光电成像跟踪系统在许多领域获得日益广泛和重要的应用，为国家现代化建设发挥着重要的作用。随着科学技术的迅速发展, 光电跟踪技术无论是在军事领域
12、还是在工业和科学研究领域都开始有了更加广泛的应用。1.2光电成像跟踪系统国内外现状 光电成像跟踪系统的研制始于50年代，是一种集光、机、电、算于一体的涉及到微电子技术、计算机技术、光电子成像技术、信号处理、光学设计、光纤技术等领域的综合系统。早在50年代初期，GAC公司就为美国海军开发研制了自动的识别跟踪系统(ATRAN)。图像信息的获取和处理是成像跟踪的基础。进入70年代以来，随着相关理论与技术的不断发展，成像跟踪技术无论从理论研究、还是从应用研究上都取得了巨大的进展。在学术方面：自W.Meger和G.Drius报道了有关二维相关计算以来，Hef,Anuta,Blom,Batnea,Maut
13、er等人对成像跟踪研究领域的新思想、新方法、新进展作了系统而全面的论述3。70年代初期，自适应跟踪、智能跟踪的思想方法相继提出。许多国际性刊物，如IEEE on AES，IEEE on PAMI，IEEE on AC，Pattern ecognition,Proceedings of SPIE等成了许多专家、学者学术交流的重要园地。成像跟踪是国内外研究的热门课题，国内的国防科技大学、西安电子科技大学、中国科学院光电技术研究所、华中理工大学图像识别与人工智能研究所等，也都在成像跟踪领域做了大量的工作，例如在目标与背景红外图像特征处理研究中，创造性地提出了算法融合的思想，提出了基于背景预测的弱小目
14、标检测算法，在线多目标处理技术及分段控制随动系统策略等。近年来，一些专家、学者通过各种手段，如模式识别、人工智能、图像信息智能融合等对智能成像跟踪技术的研究进行了尝试。近几年来，我国的成像跟踪技术得到突飞猛进的发展，与国外的差距正在逐步缩小，有些设备的先进性也可同国外同步，相信国内和国外的差距会进一步缩小，尤其在可见光成像跟踪的应用方面更可以独树一帜。光电成像跟踪系统要具有较短的响应时间和较高的跟踪精度，因此要对光电成像跟踪系统的控制子系统采用某种合理的控制算法，近些年来一些新型的控制方法不断应用到光电成像跟踪伺服控制系统中来，提高了目标跟踪的稳定性。这些新型的控制方法包括广义预测控制(GPC
15、)、复合控制、共轴跟踪、智能控制、模糊控制、多模控制、自适应控制、变结构控制、鲁棒控制、神经网络控制以及它们之间相互渗透形成的混合控制。总而言之，随着自动控制理论的不断发展，光电跟踪中伺服控制系统新的控制方法也随之涌现，特别是自适应滤波和预测方法、数据融合技术的逐渐引入，提高了目标发生机动时的跟踪的稳定性。而且计算机的离线应用，实现了对控制系统的分析、设计和建模等的数字仿真，缩短了设计周期，提高了设计质量，减小了研制风险。如何在现有设备上不断提高光电跟踪精度有多种技术途径，如提高机械系统谐振频率，提高探测系统采样频率，组成复合轴系统（二级或多级跟踪系统）等方案；这些方案中提高机械系统谐振频率会
16、受限于设计的极限，提高探测系统采样频率受限于单元技术水平，组成复合轴系统（二级或多级跟踪系统）是一个很好的方案，而且精度可达到很高，但有些系统要求在不组成复合轴的情况下对跟踪精度要求很高。因此，研究提高光电跟踪精度的控制方法是有重要价值的。实时成像跟踪是一个有着重要研究意义的课题，同时又富有一定的挑战性，随着科学技术的进步和现代战略技术的发展，人们发现提出新的目标跟踪概念和体制是完全可能的。1.3论文主要研究内容本文的主要工作如下：（1）本文采用DSP实验系统、PC机、CCD摄像头、图像采集卡、二维精密电控旋转台、两相混合式步进电机驱动器MA335B、绝对式光电编码器、RS232无源转换器、光
17、电耦合器等硬件，构建基于DSP的光电成像跟踪系统的试验平台。在构建的硬件平台上进行系统软件程序开发与调试。（2）本文光电成像跟踪系统采用上位PC机和基于DSP的下位机两级式系统【4】。上位PC机主要完成图像采集、处理和管理功能，为操作者提供良好的人机接口，采用基于DSP的下位机完成转台实时控制功能，上下位机之间通过并行接口或串行接口进行通信。（3）在实验室现有CCD摄像机和图像采集卡的基础上，视频图像采集与处理由上位PC机进行，针对本系统所采集图像的特点，在环境条件改变较小的情况下(如室内)，可以采用简单的当前图像与背景图像相减或连续的帧间相减的方法来检测出被跟踪目标。上位PC机除完成对CCD
18、采集的视频图像的存储、处理外，还要完成和下位机DSP的实时通信和系统状态监测等。（4）结合DSP的C语言开发环境特点，采用C语言和汇编语言混合编程的方法完成对二维转台的实时控制，使得整个系统调试相当方便。对转台的控制过程中，根据自适应控制原理，采取变速控制方案，大大提高了转台实时跟踪的快速性和稳定性。1.4论文结构安排第一章介绍了本文研究的背景、意义、目前该领域研究现状与发展以及成像跟踪系统的构成，最后说明了本文的主要工作和论文的总体安排。第二章介绍了光电成像跟踪系统总体设计方案。首先论述了光电成像跟踪系统的工作原理，介绍光电成像跟踪系统组成，并详细分析了各组成部分的功能，在分析论述各组成部分
19、功能的基础上确定本系统的总体设计方案。并详细阐述分析了光电成像跟踪系统通信方案以及转台变速控制方案。第三章给出整个系统的硬件设计方案。首先在确立转台核心控制器件（TMS320LF2407）的基础上对DSP实验系统（该实验系统的CPU板为C2000系列的TMS320LF2407ADSP微处理器）做了详细的描述与分析。之后对基于DSP的转台控制系统的功能和转台驱动元件步进电机的工作原理、特点、及其运动控制方法做了具体的分析。第四章系统软件设计与实现。本章重点分析了基于DSP的转台变速控制算法及其实现，同时对系统初始化程序、DSP与上位PC机串口通信子程序、脉冲输出子程序、光电编码器测角信号处理子程
20、序、上位机人机控制界面的设计等做了详细阐述。第五章实验结果及控制系统的改进意见。本章首先介绍了DSP的软件开发环境CCS(Code Composer studio)的整体特点以及CCS内所集成的开发工具。给出系统实验结果，并对试验结果进行分析与讨论。最后总结本论文的主要工作，提出对本系统的改进方案，同时对整个光电成像跟踪系统做出展望。第二章 光电成像跟踪系统总体设计方案实时光电成像跟踪系统的主要任务是从目标的图像序列中检测运动信息，估计运动及参数并给出伺服机构控制算法，从而使光电成像跟踪系统准确跟踪目标或目标特征的运动轨迹。2.1 光电成像跟踪系统工作原理光电成像跟踪系统通常是由探测系统及伺服
21、机构联合组成的。探测系统提供测量信息，伺服机构完成对目标的跟踪，如图2.1所示：图2.1光电成像跟踪系统架构探测器安装在承载转台上，探测器输出的电视制式的信号(含有图像和同步、行场消隐信号)一路送到监视器上进行实时监视，另一路经过视频预处理，A/D变换后送入图像处理单元进行图像处理，图像处理单元首先形成一个检测(波门)窗口，然后在窗口中检测、识别、提取出目标图像信号，进行目标跟踪处理，确定出目标在当前帧观测图像中的精确坐标，送至承载转台控制模块，经过控制模块的转换计算得到目标相对于探测器瞄准线的偏差量，控制模块根据偏差量输出相应控制信号使承载转台转动，带动转台上的探测器转动，使目标始终处于探测
22、器视场中心。2.2光电成像跟踪系统组成作为一个自成体系的测量跟踪系统，光电成像跟踪系统应能探测并跟踪近距离运动目标（如：低空或超低空飞行的无人侦察机、巡航导弹、高速战斗机、武装直升机等），提供有效的作战信息目标方位角度、目标俯仰角度和目标斜径(距离)等，此外还要提供当前角跟踪误差，目标方位、俯仰角速度等辅助信息以提高实时跟踪精度。对光电成像跟踪系统的功能要求，决定了系统的构成。典型光电成像跟踪系统主要由以下几个设备组成，每个设备有若干单元，见图2.2：探测器单元图2.2光电成像跟踪系统组成框图2.2.1目标探测设备目标探测设备是光电成像跟踪系统的重要组成部分，其任务是对目标进行光电探测，监视和
23、记录。可由CCD成像设备、电视跟踪测量设备或红外跟踪测量设备组成。目前，常用的光电成像系统的探测器有两种：一种是CCD（电荷耦合）器件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）为代表的固体成像器件。考虑到CCD成像设备无扫描畸变、信息处理容易，并且便于与计算机接口的突出特点【5】，本系统采用CCD成像设备完成光信号采集、并通过视频采集卡将数字化信号送往计算机的重要工作。Windows提供的Video for Windows(VFW)为系统的设计提供了一个方便的编程接口，通过这个接口，既可以直接观测整个视频采集的动态过程，又能够有效的控制视频数据的采集过程。该接口可以被大多数的视频采集卡（采集卡可
24、以支持摄像头、TV等多种输入）支持，并有多种视频驱动供选择。因而，只要为CCD电视摄像头辅以合理完善的软件平台，充分利用计算机强大的数据处理能力，即可构成CCD图像识别系统，为实验者提供一个直观、可操作性好的用户操作平台。CCD图像系统组成原理图如图2.3所示：图2.3图像识别系统组成原理框图本系统CCD摄像机的专用电源须采用12V直流电源接入DC IN(+12V)，并且同轴电缆接在CCD摄像机的VIDEO OUT，将视频信号输入到计算机的视频采集卡上。2.2.2转台跟踪设备跟踪转台设备是光电成像跟踪系统中最核心的重要基础设备，可在其上安装用于目标探测的CCD/红外跟踪测量头、激光测距测量头等
25、重要设备，完成对目标的跟踪探测。1）转台系统的功能【6】（1）转角位置伺服控制转台工作在位置伺服控制方式，可以按给定位置指令要求伺服调节各轴位置。（2）转角速度伺服控制转台工作在速度伺服控制方式，可以按给定速度指令要求伺服调节各轴速度。（3）转台限位告警转台限位有软限位和硬限位两种：转台的软限位是在控制器面板上任意设定限位值，当转台转角大于软限位值时，由软件程序处理发出限位告警指示和指令；转台硬限位由安装在台体的限位开关实现，当转台的转角大于硬限位，限位开关闭合，接通转台的保护与告警电路，转台转入保护动作。（4）转台保护告警转台的保护指：功率放大器故障、转台越位、手动应急等。当出现转台保护告警
26、时，转台控制器响应动作为：转台伺服电机与功率放大器脱离。（5）转角的实时显示转台控制器能提供转台转角的实时数值显示(一般转角指示分辨角为)。（6）微机监控转台数字控制器采用微机数字控制，转台控制具有与上位微机接口的能力，转台控制器可以接受监控器的指令或上位微机的指令，并可将转台的位置传上位微机。2）转台总体结构设计的研究转台框架的主要结构有封闭的O型，敞开式的U型和T型3种：O型结构对称性好、整体刚度大、易于实现整圈旋转、结构简单、紧凑、体积小、结构频率高，适于高速旋转，一般用于内框架和中框架；U型和T型结构对称性差、整体刚度差、用于低速摆动运动、应考虑配重问题、结构复杂、体积大、要实现较高的
27、结构频率时，结构笨拙，一般用于外框架和中框架。本文在实验室现有O型精密电控旋转台RSA200（用于水平X轴）的台体上固定一个 U型外框架，用于俯仰轴。U型的外框架结构简单，转动惯最小，并可相应缩小台体总体尺寸。两轴转台的轴系均采用精密机械轴承支撑、步进电机驱动、绝对式光电编码器作为角度测量和反馈元件。图2.4为二维电控旋转台示意图：图2.4二维电控旋转台示意图二维转台原理框图如图2.5所示：俯仰/方位测角信号光电编码器俯仰/方位步进电机俯仰/方位驱动器方向信号脉冲信号图2.5二维转台原理框图3）二维转台技术指标根据系统的要求，二维转台的技术指标如下：（a）跟踪角度转动范围：方位：无限制，n36
28、0俯仰：-70+80（b）跟踪角速度：方位： 020/S俯仰： 010/S（c）重复定位精度： 方位： 0.1 俯仰： 0.1（d）转台负重：10Kg2.2.3转台控制设备转台跟踪控制设备是实现对转台随动控制的核心部件。它的主要任务是接收上位机（PC计算机）的方位和俯仰的位置指令，实时读取方位和俯仰两个光电编码器的测角读数，按一定的控制算法进行运算，得出方位和俯仰电机的控制指令值，送到驱动器，由驱动器驱动电机转动，从而实现方位和俯仰电机的位置随动控制；另外，跟踪控制设备还接受并执行上位机（PC计算机）的指令，对方位和俯仰驱动器的状态进行监控，并将监控结果发送给上位机。目前，国内高精度转台跟踪控
29、制设备的硬件实现主要有三种方式7：（1）基于单片机的伺服控制卡这类卡一般以8031、8051、8096等单片机作为微处理器，加上存储器、编码器信号处理电路、D/A转换电路、通信接口电路等构成一块插卡直接插入PC机的总线扩展槽中，以一个外部设备的方式被PC访问。基于单片机的伺服控制卡采用元件较多，尺寸较大，可靠性较差，控制参数不易改变。受单片机输入、输出通道数和运算速度的限制，这类控制卡一般只能控制12轴，而且由于卡上ROM容量的限制，控制程序不能太大，不能采用较为复杂的控制算法，不适用于高精度、高速度控制场合。目前在国内主要用于经济型数控系统。（2）基于专用运动控制芯片的伺服控制卡80年代后，
30、国外半导体厂商推出了直接面对伺服控制任务的专用运动控制芯片，如美国国家半导体公司的LM628运动控制芯片、Galimotion公司的GL1000、GL2000等。它们均可从硬件一级完成对电机的位置和速度控制，控制精度高，性能可靠。基于专用运动控制芯片的伺服控制卡使用户能方便灵活地构造伺服控制系统，减轻了用户花在伺服控制上的时间，同时也提高了伺服系统的可靠性。但这类卡也存在控制算法简单、板卡集成元件较多等不足之处。（3）基于数字信号处理器(DSP)的伺服控制卡数字信号处理器(DSP)专为信号处理而设计，是解决实时处理要求的单片可编程处理芯片。它使用灵活，在用于实现数据量大、计算复杂、实时性要求高
31、的信号处理任务时，与一般微处理器相比，其速度更快、效率更高。DSP强大的运算功能，使其在伺服控制中得到了越来越广泛的应用。许多公司研制了以DSP为微处理器的伺服控制卡，这些卡一般以PC机为硬件平台，以DOS或WINDOWS为软件平台，使用很方便。无论是基于单片机的伺服控制卡、基于专用运动控制芯片的伺服控制卡、还是基于DSP的伺服控制卡，它的一般构成都不外乎以下几部分，如图2.6所示：图2.6运动控制器的一般构成总线接口用于与上位机连接，实现上下位机的通信；MCU 或 DSP 实现对执行机构的实时控制；脉冲发生器用于产生控制步进电机驱动器的脉冲信号；反馈输入是指实现闭环控制时，检测装置的输出；I
32、/O接口用于限位开关、原点开关等信号的输入以及外部使能等信号的输出。2.2.4测角单元测角单元作为转台角位置的测量及反馈是转台随动控制系统中最重要的环节，它在某种程度上决定了系统的性能8。测角单元可将检测到的实际位移反馈给控制设备，控制设备根据检测到的运动部件的实际位移和速度状态，来调整输入控制量，使转台稳定在正常运行状态，并使运动部件的实际位移与指令要求一致，从而满足光电成像跟踪系统的精度和可靠性的要求。目前，角位置传感器种类很多。最常用的是按其工作原理来进行分类，例如电位器式角度传感器，光栅式角度传感器，磁栅式角度传感器9等等。比较光栅、感应同步器和码盘这三种传感器，其共同特点是：易数字化，适用于静、动态测角，精度较高，信号转
