基于鳥類視覺特征的多運動目標(biāo)搜索與定位裝置及方法
【專利說明】基于鳥類視覺特征的多運動目標(biāo)搜索與定位裝置及方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于仿生設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種基于鳥類視覺特征的多運動目標(biāo)搜索與定位 裝置及方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 對運動目標(biāo)的搜索與跟蹤定位是機器視覺領(lǐng)域研究的熱點，在實際中也應(yīng)用廣 泛。問題的關(guān)鍵在于保證大范圍搜索和定位的快速性和準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有技術(shù)方案主要有兩 類：其一是利用單目或者雙目視覺對目標(biāo)進(jìn)行識別、跟蹤和定位。目前這種方案可以對運動 目標(biāo)實現(xiàn)準(zhǔn)確的識別和定位，但該方法對多個目標(biāo)無法同時保證對多個目標(biāo)大范圍搜索和 精確定位；其二是在需要搜索的區(qū)域內(nèi)安裝足夠多的攝像頭，使該區(qū)域都能被搜索到。這種 方法雖然在一定程度上解決了上述問題，但是成本增加，并且后續(xù)的圖像信息處理工作帶 來困難。綜上，目前的工程技術(shù)對多運動目標(biāo)的大范圍搜索和精確定位難以同時滿足。因 此，設(shè)計一種搜索范圍大、精度高的多運動目標(biāo)搜索與定位裝置成為工程實際的迫切需要， 具有非常重要的研究價值及現(xiàn)實意義。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種基于鳥類視覺特征的多運 動目標(biāo)搜索與定位裝置及方法，該裝置能夠解決工程中利用主動機器視覺監(jiān)控中對多目標(biāo) 進(jìn)行大范圍快速搜索和準(zhǔn)確定位之間的不能同時滿足的問題。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0005] -種基于鳥類視覺特征的多運動目標(biāo)搜索與定位裝置，包括底座以及固定在底座 上的四個結(jié)構(gòu)相同的2自由度單目機構(gòu)和兩個結(jié)構(gòu)相同的固定相機；所述四個單目機構(gòu)包 括沿圓周方向均勻分布的第一單目機構(gòu)、第二單目機構(gòu)、第三單目機構(gòu)和第四單目機構(gòu)；固 定相機為設(shè)置在底座中心的第一固定相機和第二固定相機，第一固定相機和第二固定相機 的視角反向設(shè)置；四個2自由度的單目機構(gòu)通過控制系統(tǒng)的控制以實現(xiàn)多運動目標(biāo)搜索與 定位。
[0006] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0007] 所述單目機構(gòu)包括自上而下依次設(shè)置的相機、上部支撐、下部支撐以及支撐架；上 部支撐上安裝有用于實現(xiàn)相機在豎直方向上轉(zhuǎn)動的第一步進(jìn)電機、第一齒輪傳動對和第一 轉(zhuǎn)動軸；第一轉(zhuǎn)動軸與相機固連；下部支撐上安裝有用于實現(xiàn)相機在水平方向上轉(zhuǎn)動的第 二步近電機、第二齒輪傳動對和第二轉(zhuǎn)動軸，上部支撐通過第二轉(zhuǎn)動軸與下部支撐固連。
[0008] 所述第一轉(zhuǎn)動軸和第二轉(zhuǎn)動軸的兩端均裝有軸承，第一轉(zhuǎn)動軸與軸承之間的配合 為過渡配合，第二轉(zhuǎn)動軸與軸承之間的配合為過盈配合；上部支撐與第一轉(zhuǎn)動軸上軸承的 配合方式為過渡配合，下部支撐與第二轉(zhuǎn)動軸上軸承的配合方式為過渡配合；第一齒輪傳 動對和第二齒輪傳動對的齒輪與相應(yīng)傳動軸之間的配合為過盈配合，齒輪與相應(yīng)步進(jìn)電機 軸之間的配合為過渡配合。
[0009] 所述控制系統(tǒng)包括上位機、每個步進(jìn)電機的控制器、驅(qū)動器和處理器；第一固定相 機和第二固定相機的信號輸出端通過各自處理器與上位機相交互；四個單目機構(gòu)的相機分 別通過各自的處理器與上位機相交互；每個單目機構(gòu)的步進(jìn)電機分別通過各自的控制器， 經(jīng)CAN總線與上位機相交互。
[0010] 所述相機上還設(shè)置有用于采集相機位姿的陀螺儀。
[0011] 所述陀螺儀通過每個單目機構(gòu)的控制器，經(jīng)CAN總線與上位機相交互。
[0012] 本發(fā)明還公開了一種基于鳥類視覺特征的多運動目標(biāo)搜索與定位裝置的搜索與 定位方法，包括以下步驟：
[0013] 1)系統(tǒng)上電，程序初始化，第一固定相機和第二固定相機開始搜索目標(biāo)；
[0014] 2)當(dāng)兩個固定相機中的任意一個發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，該固定相機獲取的圖像通過標(biāo)定， 根據(jù)目標(biāo)在固定相機圖像上的位置，確定目標(biāo)在空間的位置；
[0015] 3)將以上位置信息傳給上位機，上位機將該信息發(fā)送到CAN總線上；
[0016] 4)四個單目機構(gòu)的處理器接收到CAN總線上的信息，通過設(shè)置和標(biāo)定，激活離目 標(biāo)最近的單目機構(gòu)對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；若目標(biāo)在幾個單目機構(gòu)負(fù)責(zé)的范圍內(nèi)運動，則需要切 換幾個單目機構(gòu)輪流對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；
[0017] 5)根據(jù)目標(biāo)在單目相機獲取的圖像上的大小來確定是否進(jìn)行雙目測距，當(dāng)上位機
，激活距離目標(biāo)最近的兩個相鄰的單目機構(gòu)，對目標(biāo) 進(jìn)行雙目測距，其中，nXm為相機獲取圖像的像素；被激活的兩個單目機構(gòu)的相機處理器 根據(jù)接收到的信息，實時控制對應(yīng)的兩個單目機構(gòu)運動，使得兩個單目機構(gòu)上的相機均捕 捉到目標(biāo)，然后執(zhí)行步驟6);如果目標(biāo)在圖像上小于
則返回步驟4)，繼續(xù)對目 標(biāo)進(jìn)行跟蹤；
[0018] 6)通過閉環(huán)控制，調(diào)整已激活的兩個單目機構(gòu)的位姿，使得目標(biāo)處于兩個單目機 構(gòu)相機的中心區(qū)域，并獲取的目標(biāo)圖像信息；
[0019] 7)根據(jù)步驟6)從獲取的兩幅圖像中進(jìn)行目標(biāo)提取、立體匹配，深度信息計算等， 測量出待測目標(biāo)到兩攝像機中心位置的距離信息；
[0020] 8)將上述兩個單目機構(gòu)的位姿信息及雙目測距結(jié)果通過CAN總線發(fā)送給上位機， 結(jié)合根據(jù)7)中得到的目標(biāo)相對兩單目機構(gòu)相機中心位置信息，計算得到目標(biāo)的絕對位置 信息，包括相對于兩個單目機構(gòu)相機的中心位置距離及相對于平臺底座的角度。
[0021] 所述步驟4)中，單目機構(gòu)負(fù)責(zé)的范圍是指將空間均勻劃分成4部分，每個單目負(fù) 責(zé)的一個范圍。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0023]本發(fā)明通過借鑒捕食關(guān)系中動物視覺特征并結(jié)合鳥類視覺的雙凹結(jié)構(gòu)特點，創(chuàng)造 性地為多運動目標(biāo)的大范圍搜索和精確定位提供仿生的方法和思路。本發(fā)明能夠同時實現(xiàn) 對多個運動目標(biāo)的大范圍搜索和精確定位，解決了工程實際中的問題。本發(fā)明利用CAN總 線分布式控制結(jié)構(gòu)，提高了處理速度，同時提高了系統(tǒng)的可靠性，即當(dāng)某一個相機出現(xiàn)故障 時，其他的相機仍然可以對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位。 【【附圖說明】】
[0024] 圖1是基于鳥類視覺特征多目標(biāo)搜索與定位裝置示意圖；其中，a為俯視圖，b為 軸測圖；
[0025] 圖2是單目機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3是系統(tǒng)的分布式控制結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖4是裝置工作流程圖。
[0028] 其中：1為第一單目機構(gòu)；2為第一固定相機；3為第二固定相機；4為第二單目機 構(gòu)；5為第三單目機構(gòu)；6為底座；7為第四單目機構(gòu)；8為單目機構(gòu)相機；9為上部支撐；10 為第二傳動軸；11為下部支撐；12為支撐架；13為第二步進(jìn)電機；14為第二齒輪傳動對；15 為第一步進(jìn)電機；16為第一齒輪傳動對；17為第一傳動軸；18為陀螺儀。 【【具體實施方式】】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0030] 本發(fā)明從仿生學(xué)的角度出發(fā)，利用捕食關(guān)系中動物的視覺特征和鳥類的視覺特 征，設(shè)計了一套多運動目標(biāo)大范圍搜索與精確定位裝置。兼具被捕食動物視野寬、捕食動物 雙目視覺發(fā)達(dá)的特點，能夠?qū)Χ鄠€運動目標(biāo)進(jìn)行大范圍搜索與定位。在搜索與定位過程中， 具有鳥的"雙凹"特征，實現(xiàn)多個相機的功能切換。在模仿鳥類視覺特征的基礎(chǔ)上，拓展了 其功能，具有更大的監(jiān)視范圍。
[0031] 本發(fā)明由水平安裝的圓形底座、沿圓形均勻分布的四個相同的2自由度單目機 構(gòu)、安裝于底座中部的固定相機部分及相應(yīng)的計算機和電路部分等組成。單目機構(gòu)相機通 過兩個28步進(jìn)電機分別驅(qū)動兩對齒輪傳動，具有兩個方向的轉(zhuǎn)動自由度，即包括水平面內(nèi) 轉(zhuǎn)動和豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。單目機構(gòu)的相機鏡頭視角在30°~60°范圍內(nèi)。相鄰兩個單 目機構(gòu)轉(zhuǎn)動使相機平行時，雙目交疊區(qū)至少為相機鏡頭視角大小。為中心部分背對背安裝 有視角在180°~220°兩臺魚眼鏡頭的固定相機，作用是模仿鳥類視網(wǎng)膜，對目標(biāo)進(jìn)行大 范圍搜索。兩臺相機的視角范圍加起來超過360°。
[0032] 本發(fā)明主要處理單元為上位計算機。四個單目機構(gòu)的相機及兩個固定相機獲取的 圖像處理器通過相應(yīng)的處理器處理后，發(fā)送給上位機。上位機通過獲取的信息控制四個單 目機構(gòu)做相應(yīng)的運動。裝置通信采用基于CAN總線的分布式結(jié)構(gòu)，即上位機和四個單目機 構(gòu)控制器之間利用CAN總線進(jìn)行通信。
[0033] 本發(fā)明所述的多運動目標(biāo)搜索與定位裝置的機構(gòu)組成、電路連接及控制策略結(jié)合 附圖詳細(xì)描述如下：
[0034] 如附圖1所示，基于鳥類視覺特征的多運動目標(biāo)搜索與定位方法的裝置由四個2 自由度單目機構(gòu)、2個魚眼鏡頭的第一固定相機2和第二及底座6組成。四個單目機構(gòu)包括 關(guān)于圓形底座中心對稱分布的第一單目機構(gòu)1、第二單目機構(gòu)4、第三單目機構(gòu)5和第四單 目機構(gòu)7,上面安裝的相機鏡頭朝向外側(cè)。固定相機部分由第一固定相機2、第二固定相機3 及支撐架組成，各部分之間均為螺釘固定連接。圓形底座用于固定安裝以上所述的四個單 目機構(gòu)部分及固定相機部分。對目標(biāo)的視覺監(jiān)控范圍是裝置的外側(cè)360°全景范圍。對于 感興趣目標(biāo)的識別和雙目測距獲得的位置信息應(yīng)事先做標(biāo)定。
[0035] 如附圖2所示，單目機構(gòu)由相機8、陀螺儀18、第一轉(zhuǎn)動軸17、上部支撐9、第一步 進(jìn)電機15、第一齒輪傳動對16、第一控制器、第一驅(qū)動器、第二轉(zhuǎn)動軸10、下部支撐11、第二 步進(jìn)電機13、第二齒輪傳動對14、第二控制器、第二驅(qū)動器及支撐架12組成。
[0036] 在第一轉(zhuǎn)動軸17和第二轉(zhuǎn)動軸10的兩端均裝有B = 5的686ZZ軸承。考慮到零
絲固定。此外，上部支撐是由三部分鋁合金板經(jīng)機加工后通過M3螺釘連接成整體。第一步 進(jìn)電機和第二步進(jìn)電機15、13通過螺釘分別固定在上部支撐9和下部支撐11上。單目機構(gòu)