一种目标跟踪装置和跟踪方法与流程

本发明涉及跟踪装置和跟踪方法，特别地涉及一种针对运动目标的目标跟踪装置和跟踪方法。

背景技术：

目前，对运动目标跟踪的相关装置已有许多，从一维跟踪扩展到二维跟踪。对二维方向上的目标跟踪大多采用水平转台结合竖直方向上电机控制部分来实现。但目标在图像采集单元视场中的运动轨迹是未知的，除了存在水平和竖直方向上的位置变化外，目标与镜头之间的垂直距离是在不断变化的，因而目标在图像采集单元中的成像不是固定不变的。以往的跟踪系统中所采用的镜头焦距固定，当运动目标在镜头视场内的运动纵深变化小且目标运动范围较小时，定焦镜头基本可以捕获目标，并成像显示。然而，一旦目标运动状态发生较大的变化，由于图像采集单元缺乏有效的应对手段，即自适应的能力不足，往往使得捕获的目标图像质量不高，使得上位机无法通过对图像处理来获得准确的目标位置和坐标信息，或者获得的相应信息误差较大，无法实现对运动目标进行准确定位，这样就严重影响了系统对目标的可靠跟踪。

此外，由于多数的运动目标跟踪是在室外环境下进行的，未知的环境变化往往对系统的整体性能造成不良的影响。例如工业生产导致的地面抖动现象，这会导致整体跟踪系统也随之发生抖动。当抖动量级低时，对系统影响可以不计；但当抖动为剧烈时，可能会导致运动目标的丢失，这就对跟踪系统平台的平稳性能提出了更高的要求。因而，系统的抗干扰能力也是评估系统工作性能的重要指标。目前报道的跟踪平台，如专利CN104482950A和专利CN105676865A。在专利CN105676865A中，通过提高控制系统的控制精度来提高系统性能。而专利CN104482950A中只是解决了现有技术运输不便、系统刚度低和拆卸、安装不便的技术问题，对跟踪过程中系统的稳定性问题并没有作深入地分析和有效地解决。但是准确的获取目标的运动信息对准确定位运动目标至关重要，会严重影响系统的跟踪精度，因而，如何获取准确的目标信息是必须要考虑并解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种自适应能力强、稳定性高的目标跟踪装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种目标跟踪装置，其包括位于底部的支撑部分、位于中部的系统主体部分以及位于顶部的跟踪转台部分，其中，支撑部分包括三角基座，在三角基座上固定设有圆形连接座，在圆形连接座上设有V字槽，圆形连接座用于与将支撑部分与系统主体部分进行连接，其中，系统主体部分包括第一外壳和连接圆盘，第一外壳安装在连接圆盘上，在连接圆盘下部设有圆形凹槽，圆形凹槽与支撑部分中圆形连接座上的V字槽相互转动匹配，在第一外壳内侧顶部安装有转台稳定控制单元，跟踪转台部分安装在系统主体部分上，跟踪转台部分包括二维跟踪转台、图像采集单元、自动调焦控制单元以及水平调节单元。

作为优选，在三角基座的三个角部分别设有底座，支撑部分通过3个底座固定在平面或地面上，每个底座与三角基座之间通过旋转轴连接，在每个底座与三角基座之间还设有调节旋钮，调节旋钮固定安装在旋转轴上。

作为优选，转台稳定控制单元包括陀螺稳定仪，在陀螺稳定仪下方连接有第一步进电机，第一步进电机用于对装置中水平方向转动部分进行驱动，陀螺稳定仪用于当外界环境发生变化导致第一步进电机的运行出现异常时，对第一步进电机的转动进行稳定。

作为优选，在第一外壳的内侧底部设有控制电路板，控制电路板用于控制转动操作，控制电路板包括步进电机控制电路、驱动电路、与上位机的通信电路以及系统工作时的供电电路。

作为优选，二维跟踪转台安装在第一外壳顶部外侧中间部分，二维跟踪转台通过第一步进电机驱动转动，二维跟踪转台能够在对目标进行跟踪时在水平方向上转动，图像采集单元设在二维跟踪转台上，其包括直角U型支架，在支架上通过固定轴安装有带触发模式的摄像机，摄像机用于采集运动目标的图像，在支架上设置有第三步进电机，用于驱动垂直方向转动。

作为优选，在二维跟踪转台上固定有第二外壳，第二外壳可以通过螺钉固定在二维跟踪转台上，在第二外壳内设有自动调焦控制单元，自动调焦控制单元包括竖直设置的可伸缩的支撑轴，在支撑轴顶端设有第二步进电机，支撑轴用于支撑第二步进电机，支撑轴和第二步进电机之间通过可旋转的固定螺柱连接。

作为优选，自动调焦单元还包括调焦连接轴，调焦连接轴的一端与图像采集单元中的摄像机的镜头相连接，调焦连接轴的另一端与自动调焦控制单元中第二步进电机的输出轴相连，在摄像机的镜头部分与调焦连接轴之间采用可嵌套的环形连接装置进行连接和固定。

作为优选，调焦连接轴包括依次连接的第一连接轴、第二连接轴、第三连接轴和第四连接轴，其中，第二连接轴和第四连接轴相互平行，第一连接轴和第三连接轴相互平行，第二步进电机的输出轴与第一连接轴相连接，第二连接轴和第四连接轴分别通过第一固定旋钮和第二固定旋钮固定在第三连接轴的两端，第二步进电机转动并使第一连接轴第二连接轴、第三连接轴和第四连接轴的位置发生变化，当运动目标远离或者靠近摄像机时，根据目标图像所占整幅图像的比例大小，第二步进电机进行相应转动，控制调焦连接轴对摄像机的镜头进行相应调整。

作为优选，系统主体部分的第一外壳的侧面设有控制面板，其上设有保险管、表头、充电接口、通信接口、电源工作指示灯以及总开关，其中，表头位于控制面板上半部分的中间位置并用于显示工作电压，在表头的两侧分别安装为保险管和充电接口，其中，保险管对整个装置的电路系统起到保护作用，充电接口用来对内部供电电池进行充电，以保证整个装置的正常工作，电源工作指示灯位于控制面板下半部分的中间位置，其用来提示当前装置工作状态，其两端分别为通信接口和控制系统供电工作的总开关，其中，通信接口采用串行通信接口负责上下位机之间的通信，使得整个装置可以进行闭环控制。

本发明还提供一种基于二维转台的可自动调焦的目标跟踪方法，采用上述任一项技术方案的目标跟踪装置，形成以实现对不同飞行形态的目标的速度、位置和位移的特征信息的提取，从而达到对目标进行实时跟踪的目的，具体步骤如下：

(1)根据运动目标的运行方向，在与目标运动初始方向平行，且与目标待经过区域具有一定垂直距离的方向上，布置跟踪装置，通过调节三角基座的底部的调节旋钮，配合水平调节单元，保证二维跟踪转台在跟踪过程中处于水平状态，将调整后的状态通过锁定旋钮锁紧，保证跟踪过程中装置状态的稳定，为获取准确的目标位置和位移信息奠定基础；

(2)在野外工作环境下，使用外部电源对整个装置进行供电，将跟踪装置控制面板上的电源端口和供电电源通过电源线进行连接，将控制面板上的通信接口和图像采集单元的通信接口通过数据线进行连接，将摄像机的数据传输接口同外部图像处理仪器内部的采集卡接口进行连接，将图像处理仪器与计算机进行连接，使得图像可以在计算机上显示出来；

(3)分别打开摄像机和控制面板上以及图像处理仪器的电源开关，通过表头显示出当前的电源电压是否在正常工作范围，通过电源工作指示灯显示装置工作是否正常，绿灯表示正常，红灯表示异常；

(4)分别对每个步进电机进行上电测试，保证各部分能够独立的正常工作；

按照上述步骤(1)-(4)，完成整个系统的准备工作，通过二维跟踪转台转动、摄像机的调整、图像采集单元采集图像以及图像处理仪器的处理，最终获取目标的运动信息，该信息反馈到控制单元，实现对运动目标的实时跟踪。

本发明涉及的目标跟踪装置和跟踪方法不仅可以实现对二维方向上的运动目标进行跟踪，自动调焦功能的引入可以实现自适应地对远离或靠近镜头的运动目标进行高质量的图像捕获，为系统的可靠和稳定的跟踪提供保障，提高了系统的跟踪时间、跟踪范围和跟踪精度，而陀螺稳定器可以使得系统的工作稳定性大大加强。

附图说明

图1为本发明的目标跟踪装置的结构示意图；

图2为本发明的目标跟踪装置的结构俯视图；

图3为本发明的目标跟踪装置中控制面板的示意图；

其中：1、底座；2、调节旋钮；3、三角基座；4、旋转轴；5、圆形连接座；6、第一外壳；7、第一水平仪；8、螺钉；9、第二外壳；10、步进电机；11、固定螺柱；12、支撑轴；13、第一连接轴；14、第二连接轴；15、第一固定旋钮；16、第四连接轴；17、第二水平仪；18、支架；19、固定轴；20、摄像机；21、第二固定旋钮；22、第三连接轴；23、二维跟踪转台；24、陀螺稳定仪；25、第一步进电机；26、锁紧旋钮；27、第三步进电机；29、控制电路板；30、连接圆盘；31、保险管；32、表头；33、充电接口；34、通信接口；35电源工作指示灯；36、总开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1、2所示，图1和2分别示出了一种目标跟踪装置的结构示意图和俯视图，通过附图，可以看出，本发明所涉及的目标跟踪装置包括位于底部的支撑部分、位于中部的系统主体部分以及位于顶部的跟踪转台部分，其中，支撑部分包括三角基座3，在三角基座3的三个角部分别设有底座1，支撑部分通过3个底座1固定在平面或地面上，每个底座1与三角基座3之间通过旋转轴4连接，在每个底座1与三角基座3之间还设有调节旋钮2，调节旋钮2固定安装在旋转轴4上，其用来调节每个底座1和三角基座3之间的距离，从而调节三角基座3中每个角部的高度，这样，通过旋转调节旋钮2能够对支撑部分的高低进行调节，并且使得目标跟踪装置的整体被调整至水平状态。在每个旋转轴4上还设有锁定旋钮，其用于对支撑部分调整后的状态进行锁定，避免在对运动目标进行跟踪的过程中整个装置的上半部分出现转动，这样可以为获取运动目标的高质量图像以及上位机对图像进行基于像素坐标的处理奠定基础。在三角基座3上固定设有圆形连接座5，在圆形连接座5上设有V字槽，该圆形连接座5用于与将支撑部分与系统主体部分进行连接。

目标跟踪装置的系统主体部分包括呈长方形的第一外壳6和连接圆盘30，第一外壳6安装在连接圆盘30上，在连接圆盘30下部设有圆形凹槽，该圆形凹槽与支撑部分中圆形连接座5上的V字槽相互转动匹配，具体地，将系统主体部分安装在支撑部分上时，可将连接圆盘30倒扣在圆形连接座5上，这样，连接圆盘30通过V字槽和圆形凹槽的配合能够可旋转安装在圆形连接座5上，这样使得系统主体部分被安装在支撑部分上，同时系统主体部分能够在支撑部分上转动，从而能够根据运动目标设定并对准跟踪方向。

在第一外壳6内侧顶部安装有转台稳定控制单元，该转台稳定控制单元包括陀螺稳定仪24，优选采用三轴陀螺稳定仪，在陀螺稳定仪24下方连接有第一步进电机25，该第一步进电机24用于对装置中转动部分进行驱动，该陀螺稳定仪24用于当外界环境发生变化导致第一步进电机25的运行出现异常时，对第一步进电机25的转动进行稳定，这样使得跟踪操作能够保持正常进行。考虑到在野外环境工作时，不确定因素多种多样，对整个系统的干扰也很多，稳定性对于运动目标跟踪而言是很重要的指标，陀螺稳定仪24正是用于消除这样影响稳定性的装置。在第一外壳6的内侧底部设有控制电路板29，该控制电路板29用于控制转动操作，具体地，在使用时，通过控制电路板29发出控制信号，使得相应的转动单元能够按照要求进行转动。控制电路板29包括步进电机控制电路、驱动电路、与上位机的通信电路以及系统工作时的供电电路，其中，步进电机的供电范围在9V至36V之间，而摄像机20的正常工作电压为12V，因此可以使用统一的电源对装置进行供电。

系统主体部分的第一外壳6的侧面设有用于实现系统相关功能的控制面板，其上设有保险管31、表头32、充电接口33、通信接口34、电源工作指示灯35以及总开关36，其中，表头32位于该控制面板上半部分的中间位置并用于显示工作电压，在表头32的两侧分别安装为保险管31和充电接口33，其中，保险管31对整个装置的电路系统起到保护作用，充电接口33用来对内部供电电池进行充电，以保证整个装置的正常工作，电源工作指示灯35位于控制面板下半部分的中间位置，其用来提示当前装置工作状态，其两端分别为通信接口34和控制系统供电工作的总开关36，其中，通信接口34采用串行通信接口负责上下位机之间的通信，使得整个装置可以进行闭环控制。

跟踪转台部分安装在系统主体部分上，其用来对运动目标在水平方向上进行跟踪，具体而言，跟踪转台部分包括二维跟踪转台23、图像采集单元、自动调焦控制单元以及水平调节单元，其中，二维跟踪转台23安装在第一外壳6顶部外侧中间部分，二维跟踪转台23通过第一步进电机25驱动转动，该二维跟踪转台能够在对目标进行跟踪时在水平方向上转动，实现水平跟踪，并且跟踪转角能够达到360°。

图像采集单元设在二维跟踪转台23上，具体地，图像采集单元包括直角U型支架18，在支架18上通过固定轴19安装有摄像机20，摄像机20用于采集运动目标的图像，其优选采用千兆网500万像素带触发模式的CMOS工业摄像机，其通过数字I/O接口作为触发接口，通过摄像机20上的C口进行数据传输，有效传输距离可达100米，该摄像机20自身的触发功能使得结构设计更加优化，不需增加额外的辅助性触发单元即可触发摄像机20工作，在支架18上设置有第三步进电机27，用来控制摄像机20在竖直方向上的转动。

在二维跟踪转台23上固定有第二外壳9，第二外壳9可以通过螺钉8固定在二维跟踪转台23上，在第二外壳9内设有自动调焦控制单元，具体地，自动调焦控制单元包括竖直设置的可伸缩的支撑轴12，支撑轴12能够自身调整长度，在支撑轴12顶端设有第二步进电机10，支撑轴12用于支撑第二步进电机10，该第二步进电机10采用二相四线步进电机，具体地，支撑轴12和第二步进电机10之间通过可旋转的固定螺柱11连接，自动调焦单元还包括调焦连接轴，调焦连接轴的一端与图像采集单元中的摄像机20的镜头相连接，调焦连接轴的另一端与自动调焦控制单元中第二步进电机10的输出轴相连，这种调焦连接轴可进行自适应调整并且弹性较好，并且在摄像机20的镜头部分与调焦连接轴之间采用可嵌套的环形连接装置进行连接和固定，使得两者之间形成可自适应调整的整体，具体地，调焦连接轴包括依次连接的第一连接轴13、第二连接轴14、第三连接轴22和第四连接轴16，其中，第二连接轴14和第四连接轴16相互平行，第一连接轴13和第三连接轴22相互平行，第二步进电机10的输出轴与第一连接轴13相连接，第二连接轴14和第四连接轴16分别通过第一固定旋钮15和第二固定旋钮21固定在第三连接轴22的两端，第二步进电机10转动并使第一连接轴13、第二连接轴14、第三连接轴22和第四连接轴16的位置发生变化，当运动目标远离或者靠近摄像机20时，根据目标图像所占整幅图像的比例大小，第二步进电机10进行相应转动，控制调焦连接轴对涉及摄像机20镜头进行相应调整，从而实现调焦的目的，最终获取质量较高的目标图像，实现对运动目标的图像采集跟踪，具体地，在跟踪时，竖直方向的转角范围为-45°至45°，这样再结合二维跟踪转台23的转动实现二维跟踪。此外，作为一种优选方式，第一连接轴13和第二连接轴14之间采用滑动连接的方式进行连接，因为在跟踪过程，摄像机20和自动调焦控制单元中的第二步进电机10之间的相对位置会发生变化，滑动连接方式可以保证相对位置变化的同时，两部分依然连接在一起，使得自动调焦功能可以在摄像机20上下转动时依然有效，即在整个过程中都可以实现自动调焦。

水平调节单元设在第一外壳6的上表面，该水平调节单元用于在初始化跟踪时，检验整个装置是否保持水平，具体地，水平调节单元包括第一水平仪7和第二水平仪17，第一水平仪7和第二水平仪17相互垂直布置并且用来分别显示系统主体部分在相互垂直的两个方向上是否水平，如果出现系统主体部分不水平的情况，可通过调节旋钮2使得整个系统达到水平状态。

通过采用本发明中的目标跟踪装置，可形成一种基于二维转台的可自动调焦的运动目标跟踪方法，以实现对不同飞行形态的目标的速度、位置和位移等特征信息的提取，从而达到对目标进行实时跟踪的目的，具体步骤如下：

(1)根据运动目标的运行方向，在与目标运动初始方向平行，且与目标待经过区域具有一定垂直距离的方向上，布置跟踪装置，通过调节三角基座3的底部的调节旋钮2，配合第一水平仪7和第二水平仪17，保证二维跟踪转台23在跟踪过程中处于水平状态，将调整后的状态通过锁定旋钮锁紧，保证跟踪过程中装置状态的稳定，为获取准确的目标位置和位移信息奠定基础；

(2)在野外工作环境下，使用外部电源对整个装置进行供电，将跟踪装置控制面板上的电源端口和供电电源通过电源线进行连接，将控制面板上的通信接口34和图像采集单元的通信接口通过数据线进行连接，将摄像机20的数据传输接口同外部图像处理仪器内部的采集卡接口进行连接。将图像处理仪器与计算机进行连接，使得图像可以在计算机上显示出来；

(3)分别打开摄像机20和控制面板上以及图像处理仪器的电源开关，通过表头32显示出当前的电源电压是否在正常工作范围，通过电源工作指示灯35显示装置工作是否正常，绿灯表示正常，红灯表示异常；

(4)分别对每个步进电机进行上电测试，保证各部分能够独立的正常工作；

按照上述步骤(1)-(4)，完成整个系统的准备工作，通过二维跟踪转台23转动、摄像机20的调整、图像采集单元采集图像以及图像处理仪器的处理，最终获取目标的运动信息，该信息反馈到控制单元，实现对运动目标的实时跟踪。

当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。