基于鳥類視覺特征的多運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)領(lǐng)域，涉及一種基于鳥類視覺特征的多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)搜索與定位 裝置及方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的搜索與跟蹤定位是機(jī)器視覺領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，在實(shí)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和定位。目前這種方案可以對(duì)運(yùn)動(dòng) 目標(biāo)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的識(shí)別和定位，但該方法對(duì)多個(gè)目標(biāo)無法同時(shí)保證對(duì)多個(gè)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(duì)多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的大范圍搜索和精確定位難以同時(shí)滿足。因 此，設(shè)計(jì)一種搜索范圍大、精度高的多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)搜索與定位裝置成為工程實(shí)際的迫切需要， 具有非常重要的研究?jī)r(jià)值及現(xiàn)實(shí)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(diǎn)，提供一種基于鳥類視覺特征的多運(yùn) 動(dòng)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(dòng)機(jī)器視覺監(jiān)控中對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)：
[0005] -種基于鳥類視覺特征的多運(yùn)動(dòng)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(gè)結(jié)構(gòu)相同的2自由度單目機(jī)構(gòu)和兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的固定相機(jī)；所述四個(gè)單目機(jī)構(gòu)包 括沿圓周方向均勻分布的第一單目機(jī)構(gòu)、第二單目機(jī)構(gòu)、第三單目機(jī)構(gòu)和第四單目機(jī)構(gòu)；固 定相機(jī)為設(shè)置在底座中心的第一固定相機(jī)和第二固定相機(jī)，第一固定相機(jī)和第二固定相機(jī) 的視角反向設(shè)置；四個(gè)2自由度的單目機(jī)構(gòu)通過控制系統(tǒng)的控制以實(shí)現(xiàn)多運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)包括自上而下依次設(shè)置的相機(jī)、上部支撐、下部支撐以及支撐架；上 部支撐上安裝有用于實(shí)現(xiàn)相機(jī)在豎直方向上轉(zhuǎn)動(dòng)的第一步進(jìn)電機(jī)、第一齒輪傳動(dòng)對(duì)和第一 轉(zhuǎn)動(dòng)軸；第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸與相機(jī)固連；下部支撐上安裝有用于實(shí)現(xiàn)相機(jī)在水平方向上轉(zhuǎn)動(dòng)的第 二步近電機(jī)、第二齒輪傳動(dòng)對(duì)和第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸，上部支撐通過第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸與下部支撐固連。
[0008] 所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸和第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩端均裝有軸承，第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸與軸承之間的配合 為過渡配合，第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸與軸承之間的配合為過盈配合；上部支撐與第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸上軸承的 配合方式為過渡配合，下部支撐與第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸上軸承的配合方式為過渡配合；第一齒輪傳 動(dòng)對(duì)和第二齒輪傳動(dòng)對(duì)的齒輪與相應(yīng)傳動(dòng)軸之間的配合為過盈配合，齒輪與相應(yīng)步進(jìn)電機(jī) 軸之間的配合為過渡配合。
[0009] 所述控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、每個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制器、驅(qū)動(dòng)器和處理器；第一固定相 機(jī)和第二固定相機(jī)的信號(hào)輸出端通過各自處理器與上位機(jī)相交互；四個(gè)單目機(jī)構(gòu)的相機(jī)分 別通過各自的處理器與上位機(jī)相交互；每個(gè)單目機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)分別通過各自的控制器， 經(jīng)CAN總線與上位機(jī)相交互。
[0010] 所述相機(jī)上還設(shè)置有用于采集相機(jī)位姿的陀螺儀。
[0011] 所述陀螺儀通過每個(gè)單目機(jī)構(gòu)的控制器，經(jīng)CAN總線與上位機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jī)和第二固定相機(jī)開始搜索目標(biāo)；
[0014] 2)當(dāng)兩個(gè)固定相機(jī)中的任意一個(gè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，該固定相機(jī)獲取的圖像通過標(biāo)定， 根據(jù)目標(biāo)在固定相機(jī)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(jī)，上位機(jī)將該信息發(fā)送到CAN總線上；
[0016] 4)四個(gè)單目機(jī)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(jī)構(gòu)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；若目標(biāo)在幾個(gè)單目機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，則需要切 換幾個(gè)單目機(jī)構(gòu)輪流對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤；
[0017] 5)根據(jù)目標(biāo)在單目相機(jī)獲取的圖像上的大小來確定是否進(jìn)行雙目測(cè)距，當(dāng)上位機(jī)
，激活距離目標(biāo)最近的兩個(gè)相鄰的單目機(jī)構(gòu)，對(duì)目標(biāo) 進(jìn)行雙目測(cè)距，其中，nXm為相機(jī)獲取圖像的像素；被激活的兩個(gè)單目機(jī)構(gòu)的相機(jī)處理器 根據(jù)接收到的信息，實(shí)時(shí)控制對(duì)應(yīng)的兩個(gè)單目機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使得兩個(gè)單目機(jī)構(gòu)上的相機(jī)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(duì)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(gè)單目機(jī)構(gòu)的位姿，使得目標(biāo)處于兩個(gè)單目機(jī) 構(gòu)相機(jī)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(jì)算等， 測(cè)量出待測(cè)目標(biāo)到兩攝像機(jī)中心位置的距離信息；
[0020] 8)將上述兩個(gè)單目機(jī)構(gòu)的位姿信息及雙目測(cè)距結(jié)果通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)， 結(jié)合根據(jù)7)中得到的目標(biāo)相對(duì)兩單目機(jī)構(gòu)相機(jī)中心位置信息，計(jì)算得到目標(biāo)的絕對(duì)位置 信息，包括相對(duì)于兩個(gè)單目機(jī)構(gòu)相機(jī)的中心位置距離及相對(duì)于平臺(tái)底座的角度。
[0021] 所述步驟4)中，單目機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)的范圍是指將空間均勻劃分成4部分，每個(gè)單目負(fù) 責(zé)的一個(gè)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(dòng)物視覺特征并結(jié)合鳥類視覺的雙凹結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)造 性地為多運(yùn)動(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn) 對(duì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的大范圍搜索和精確定位，解決了工程實(shí)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(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性，即當(dāng)某一個(gè)相機(jī)出現(xiàn)故障 時(shí)，其他的相機(jī)仍然可以對(duì)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(cè)圖；
[0025] 圖2是單目機(jī)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(jī)構(gòu)；2為第一固定相機(jī)；3為第二固定相機(jī)；4為第二單目機(jī) 構(gòu)；5為第三單目機(jī)構(gòu)；6為底座；7為第四單目機(jī)構(gòu)；8為單目機(jī)構(gòu)相機(jī)；9為上部支撐；10 為第二傳動(dòng)軸；11為下部支撐；12為支撐架；13為第二步進(jìn)電機(jī)；14為第二齒輪傳動(dòng)對(duì)；15 為第一步進(jìn)電機(jī)；16為第一齒輪傳動(dòng)對(duì)；17為第一傳動(dòng)軸；18為陀螺儀。 【【具體實(shí)施方式】】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)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(dòng)物的視覺特征和鳥類的視覺特 征，設(shè)計(jì)了一套多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)大范圍搜索與精確定位裝置。兼具被捕食動(dòng)物視野寬、捕食動(dòng)物 雙目視覺發(fā)達(dá)的特點(diǎn)，能夠?qū)Χ鄠€(gè)運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)多個(gè)相機(jī)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(gè)相同的2自由度單目機(jī) 構(gòu)、安裝于底座中部的固定相機(jī)部分及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)和電路部分等組成。單目機(jī)構(gòu)相機(jī)通 過兩個(gè)28步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩對(duì)齒輪傳動(dòng)，具有兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即包括水平面內(nèi) 轉(zhuǎn)動(dòng)和豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。單目機(jī)構(gòu)的相機(jī)鏡頭視角在30°~60°范圍內(nèi)。相鄰兩個(gè)單 目機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)使相機(jī)平行時(shí)，雙目交疊區(qū)至少為相機(jī)鏡頭視角大小。為中心部分背對(duì)背安裝 有視角在180°~220°兩臺(tái)魚眼鏡頭的固定相機(jī)，作用是模仿鳥類視網(wǎng)膜，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行大 范圍搜索。兩臺(tái)相機(jī)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(jì)算機(jī)。四個(gè)單目機(jī)構(gòu)的相機(jī)及兩個(gè)固定相機(jī)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(jī)。上位機(jī)通過獲取的信息控制四個(gè)單 目機(jī)構(gòu)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。裝置通信采用基于CAN總線的分布式結(jié)構(gòu)，即上位機(jī)和四個(gè)單目機(jī) 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(yùn)動(dòng)目標(biāo)搜索與定位裝置的機(jī)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)搜索與定位方法的裝置由四個(gè)2 自由度單目機(jī)構(gòu)、2個(gè)魚眼鏡頭的第一固定相機(jī)2和第二及底座6組成。四個(gè)單目機(jī)構(gòu)包括 關(guān)于圓形底座中心對(duì)稱分布的第一單目機(jī)構(gòu)1、第二單目機(jī)構(gòu)4、第三單目機(jī)構(gòu)5和第四單 目機(jī)構(gòu)7,上面安裝的相機(jī)鏡頭朝向外側(cè)。固定相機(jī)部分由第一固定相機(jī)2、第二固定相機(jī)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(gè)單 目機(jī)構(gòu)部分及固定相機(jī)部分。對(duì)目標(biāo)的視覺監(jiān)控范圍是裝置的外側(cè)360°全景范圍。對(duì)于 感興趣目標(biāo)的識(shí)別和雙目測(cè)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(jī)構(gòu)由相機(jī)8、陀螺儀18、第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸17、上部支撐9、第一步 進(jìn)電機(jī)15、第一齒輪傳動(dòng)對(duì)16、第一控制器、第一驅(qū)動(dòng)器、第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸10、下部支撐11、第二 步進(jìn)電機(jī)13、第二齒輪傳動(dòng)對(duì)14、第二控制器、第二驅(qū)動(dòng)器及支撐架12組成。
[0036] 在第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸17和第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸10的兩端均裝有B = 5的686ZZ軸承?？紤]到零
絲固定。此外，上部支撐是由三部分鋁合金板經(jīng)機(jī)加工后通過M3螺釘連接成整體。第一步 進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)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(jī)構(gòu)