自瞄準(zhǔn)炮臺(tái)系統(tǒng)

李紅燕

（西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124）

以無(wú)人炮臺(tái)裝甲車(chē)為藍(lán)本進(jìn)行修改制作，這一想法多用于軍事領(lǐng)域，并且有可以裝配到不同的機(jī)械裝置上，如：裝甲車(chē)，無(wú)人機(jī)，以至于槍械器材等，應(yīng)用多樣化，并且在現(xiàn)代化的今天。已實(shí)現(xiàn)四合一化，即火力、火力指揮控制、電源供給，自行化四合一。具有很大的發(fā)展價(jià)值，即使是今天也在不斷的探索改進(jìn)中。本文以開(kāi)源的計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理框架（Opencv）為算法核心，結(jié)合Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，其特色如下：使用廉價(jià)的芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能;通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕捉;利用經(jīng)典的PID算法控制相應(yīng)的機(jī)械對(duì)捕捉到的目標(biāo)進(jìn)行物理跟蹤;基于前兩點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行物理打擊利用物聯(lián)網(wǎng)的思想，將多個(gè)嵌入式設(shè)備組合起來(lái)，通過(guò)分?jǐn)傞e置的運(yùn)算資源，使廉價(jià)的芯片也能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，這在將來(lái)嵌入式發(fā)展成型之后，絕大多數(shù)的物體被物聯(lián)網(wǎng)植入芯片之后，能夠?qū)τ行У睦门康拈e置芯片做出探究。

1 系統(tǒng)方案

（1）計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)的使用。將OpenCV庫(kù)（跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)）和python語(yǔ)言結(jié)合運(yùn)用，利用閑置芯片進(jìn)行分?jǐn)傔\(yùn)算，完成了對(duì)攝像頭所采集到的圖像和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的協(xié)同運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的識(shí)別和追蹤。

（2）經(jīng)典PID控制算法。使用經(jīng)典的離散型PID控制算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了跟蹤捕捉，在Opencv計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理庫(kù)將目標(biāo)物的質(zhì)心運(yùn)算出來(lái)后，交由PID控制器進(jìn)行控制。根據(jù)目標(biāo)物的質(zhì)心與系統(tǒng)的坐標(biāo)中心的偏移程度來(lái)進(jìn)行PID修正，以此實(shí)現(xiàn)的控制器，其數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，算法復(fù)雜度低，所帶來(lái)的運(yùn)算量也相對(duì)較少。

（3）機(jī)械硬件部分。機(jī)械部分的設(shè)計(jì)及為簡(jiǎn)單，正如緒論中所述，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，利用廉價(jià)的處理器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)算。其部分為做物理機(jī)構(gòu)主控恩智浦K60芯片一塊，180度轉(zhuǎn)向金屬舵機(jī)兩個(gè)，基于物理勢(shì)能的機(jī)械發(fā)射裝置，攝像頭一個(gè)，其中K60所需要實(shí)現(xiàn)的功能僅是接收另一處理器給入的通信數(shù)據(jù)，并依據(jù)此來(lái)控制舵機(jī)的打角和機(jī)械發(fā)射裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤和對(duì)跟蹤目標(biāo)的打擊。

（4）Python編程。Python 進(jìn)來(lái)使用極為廣泛的編程語(yǔ)言，其具有良好的“膠水性”，可以很好的粘合兩種不同的語(yǔ)言，同時(shí)因其極為清爽的書(shū)寫(xiě)風(fēng)格和特色的空行縮進(jìn)代替段落的方式受到開(kāi)發(fā)者的偏愛(ài)，正是如此，Python才被選用為樹(shù)莓派中廣泛流行的編程開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

（5）協(xié)處理部分。使系統(tǒng)中的一塊樹(shù)莓派充當(dāng)協(xié)處理器功能，利用多線程來(lái)給下屬的運(yùn)算機(jī)構(gòu)樹(shù)莓派分配任務(wù)，同時(shí)有序的回收任務(wù)。其中采用隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，來(lái)將得到的視頻流分割，之后更具時(shí)間戳來(lái)給截取得到的圖像場(chǎng)標(biāo)號(hào)，之后丟入線程堆中，線程堆滿足后入先出的原則，在這里使用線程堆是為了提高圖像處理的實(shí)時(shí)性，對(duì)受外界不穩(wěn)定因素導(dǎo)致不能有效分配的陳舊圖像壓入堆底，在實(shí)在無(wú)法處理的情況下及時(shí)拋棄，不干擾后來(lái)圖像的處理。

2 功能與指標(biāo)

（1）功能梗概。本文所要實(shí)現(xiàn)的功能由表像上看是利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理技術(shù)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行跟蹤，其中所要實(shí)現(xiàn)的是探究多個(gè)嵌入式設(shè)備協(xié)同工作的可行性，利用多個(gè)嵌入式設(shè)備的閑置運(yùn)算資源來(lái)分擔(dān)復(fù)雜的運(yùn)算量，類(lèi)似目前電腦廣泛使用的協(xié)處理器，利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)代替金屬導(dǎo)線。

（2）指標(biāo)。本文的指標(biāo)在于對(duì)目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確度與響應(yīng)度，在本文中機(jī)械部件對(duì)待跟蹤目標(biāo)的跟蹤準(zhǔn)確度為基本的性能指標(biāo)，而響應(yīng)度為考量設(shè)備運(yùn)算力的基本指標(biāo)，由于對(duì)實(shí)時(shí)圖像的分析需要極大的運(yùn)算能力，因此，如何使用算法優(yōu)化運(yùn)算量來(lái)提高，本系統(tǒng)的響應(yīng)度是本項(xiàng)目的難點(diǎn)之一。

3 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

在本文中使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法中的模板匹配算法，即利用給定的模板來(lái)對(duì)一場(chǎng)圖像中的每個(gè)區(qū)域塊進(jìn)行比對(duì)，之后選取出配對(duì)程度最高的一塊區(qū)域來(lái)做下一步運(yùn)算，在本文主控中，使用python來(lái)調(diào)用Opencv庫(kù)實(shí)現(xiàn)模板匹配算法。具體過(guò)程如下：

首先，根據(jù)樹(shù)莓派出廠商提供的用戶使用手冊(cè)，根據(jù)樹(shù)莓派的特性和其系統(tǒng)的攝像頭文件接口編寫(xiě)攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，利用驅(qū)動(dòng)程序?qū)z像頭進(jìn)行驅(qū)動(dòng)調(diào)用，得到視頻流，之后對(duì)流進(jìn)行截取得到一場(chǎng)一場(chǎng)的圖像，在這其中，應(yīng)用多線程的方式，對(duì)每一場(chǎng)圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將多場(chǎng)圖像標(biāo)號(hào)后同步發(fā)送給多個(gè)樹(shù)莓派，以此來(lái)進(jìn)行協(xié)同運(yùn)算，加快運(yùn)算的效率，提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)度，在得到圖像后，將圖像轉(zhuǎn)換到HSV空間，對(duì)其進(jìn)行如下操作，構(gòu)建掩膜，腐蝕操作，膨脹操作，其中先腐蝕再膨脹的效果是開(kāi)運(yùn)算，用以去除噪點(diǎn)。在對(duì)圖像完成基礎(chǔ)處理之后，對(duì)其輪廓進(jìn)行檢測(cè)，找出圖像中的圓形輪廓的質(zhì)心，這時(shí)候如果不對(duì)圖像進(jìn)行任何處理，由于，圖像中會(huì)存在大量的圓形輪廓，因此，需要對(duì)圖像中的圓形輪廓進(jìn)行過(guò)濾，首先根據(jù)其圓面積排序篩選，過(guò)濾去小面積的圓，留下最大圓，再對(duì)這部分的圖像做輪廓的外接圓，計(jì)算矩之后計(jì)算質(zhì)心，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試之后確定，當(dāng)半徑大于10個(gè)單位（圖像中單位）時(shí)能夠有效地找到目標(biāo)，在該場(chǎng)圖像中找到目標(biāo)之后，依據(jù)將圖像發(fā)送給充當(dāng)協(xié)處理器的樹(shù)莓派，其依據(jù)標(biāo)號(hào)，將多場(chǎng)圖像還原成視頻流，得到連續(xù)的目標(biāo)。找到目標(biāo)之后，根據(jù)經(jīng)典的自動(dòng)化控制算法比例-微分-積分控制器來(lái)計(jì)算出舵機(jī)的打角量，之后通過(guò)串口通信協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給恩智浦K60芯片之后控制機(jī)械部件完成對(duì)目標(biāo)的物理跟蹤，當(dāng)裝置能準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)后，即裝置能連續(xù)跟蹤目標(biāo)一秒，發(fā)射裝置發(fā)射，擊打目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹通過(guò)采用協(xié)處理的方式加快運(yùn)算量，以開(kāi)源的計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理框架為算法核心，結(jié)合Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，提升整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)度，來(lái)完成通過(guò)攝像頭采集圖像來(lái)對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤。通過(guò)實(shí)際的測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕捉和PID算法控制機(jī)械對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，然后利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行擊打，有效使用了閑置芯片。文中協(xié)處理傳輸圖像部分需進(jìn)一步完善，如何有效的標(biāo)定圖像順序而不受各個(gè)處理器的處理快慢和網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境的干擾是后續(xù)將要解決的問(wèn)題，同時(shí)，對(duì)圖像的識(shí)別精確度也需要進(jìn)一步的提升，從而使其更加成熟。

[1]王智,潘強(qiáng),邢濤.面向物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)體實(shí)時(shí)搜索服務(wù)綜述[D].上海:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所. 2009.

[2]趙曉霞.計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì).2004,(4).

[3]張啟元.無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在高寒地區(qū)基本農(nóng)田測(cè)繪中的應(yīng)用[J].青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,(2).

[4]曲從善,夏克寒,許化龍,等.導(dǎo)彈快速自瞄準(zhǔn)方法及仿真研究[J].兵工學(xué)報(bào),2009,30(4):467-470.

[5]陳希林,傅裕松,尉洵楷.機(jī)載光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].紅外技術(shù). 2004,(2).

[6]肖正林,錢(qián)培賢.捷聯(lián)慣性制導(dǎo)導(dǎo)彈自對(duì)準(zhǔn)方法[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù). 2006,(2).