AUV 靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

許 平 楊朋飛 齊向東 阮健康

（太原科技大學(xué)，山西 太原 030024）

隨著科技的發(fā)展，自動化在各個領(lǐng)域都占有著非常重要的位置，在AUV 靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系中，目標(biāo)準(zhǔn)確識別和追蹤是海上目標(biāo)打擊的關(guān)鍵一環(huán)。圖像處理技術(shù)和微型計算機(jī)的不斷發(fā)展，為靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的實時跟蹤提供了更多的可能性，通過樹莓派做圖像采集和數(shù)據(jù)處理，結(jié)合OpenCV 添加霍夫圓檢測和顏色識別算法，以串口通訊的方式反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)一個像素差，再通過控制程序?qū)UV 的俯仰和偏航進(jìn)行控制，就可以得到一個精準(zhǔn)實時的靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 靶標(biāo)識別算法

1.1 霍夫圓檢測

在靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中所使用的靶標(biāo)為同心圓靶標(biāo)，所以根據(jù)靶標(biāo)的特征，選用霍夫變換的方法來實現(xiàn)對于靶標(biāo)的檢測。

霍夫圓檢測通過點(diǎn)在圓上的出現(xiàn)最小個數(shù)來判斷圓，認(rèn)為在圖像上的每一個點(diǎn)都在某個圓上。

在X-Y 坐標(biāo)系中圓的方程為：

在a-b-r 參數(shù)空間中表示為

將X-Y 中圓上每個坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行反算，將其映射至a-b-r 坐標(biāo)系中，假設(shè)圓的半徑r 固定，將θ 在[0，360]內(nèi)進(jìn)行推演，所以在圓上的每個坐標(biāo)點(diǎn)都可以得到一個半徑為r 的圓，所有的圓周都在空間中交于一點(diǎn)，即在霍夫空間中不斷累加，得到信號最大的點(diǎn)，使得該點(diǎn)在霍夫空間中最亮，即為所檢測出圓的圓心點(diǎn)，將其重映射至X-Y 空間中，得到圓心坐標(biāo)。

由于霍夫圓累計到的是一個三維的空間，故有很大的計算消耗，因而提出霍夫梯度法來對傳統(tǒng)的霍夫變換進(jìn)行改進(jìn)。因為所檢測到的圓心一定在圓的每個點(diǎn)的模向量上，即在該點(diǎn)切線的垂線上，其交點(diǎn)即為圓心。通過閾值設(shè)定進(jìn)行判斷，在本文中，實際實驗的測量及對實時性的考慮，設(shè)定閾值為50。

霍夫變換對于噪聲非常敏感，所以首先利用高斯濾波的方法來處理?；趯Π袠?biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)實時性考量，采用基于圖像梯度實現(xiàn)的霍夫圓檢測，利用canny 邊緣檢測提取目標(biāo)圖像邊緣輪廓，基于邊緣檢測的結(jié)果從候選圓心開始計算最佳半徑大小，本文中，采取半徑大小范圍為20-70。

霍夫圓檢測完成后，輸出圓心像素坐標(biāo)。

1.2 顏色識別

本文的顏色識別是基于視頻檢測的識別，是將圖像進(jìn)行一個顏色范圍的過濾，通過掩模和閾值操作，找到紅色激光點(diǎn)所在區(qū)域位置，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行形態(tài)學(xué)操作去除干擾，將其輪廓提取出來，做出輪廓的最小外接圓，計算輪廓矩，外接圓圓心坐標(biāo)即為紅色激光點(diǎn)中心坐標(biāo)。

首先將圖像從RGB（Red，Green，Blue）空間映射至HSV（hue，saturation，value）空間上。本文中，由于在攝像頭中所顯示的紅光非常弱，并且在紅光的中心非常接近于白色，所以選擇HSV 的閾值范圍為：

2 系統(tǒng)工作原理

樹莓派通過霍夫圓檢測和顏色識別算法標(biāo)記出靶標(biāo)的中心點(diǎn)和紅色激光筆的光束點(diǎn)后，通過串口送至stm32，同時樹莓派可以通過SSH 連接上位機(jī)，將中心點(diǎn)數(shù)據(jù)通過wifi 送至上位機(jī)，即可通過上位機(jī)監(jiān)控靶標(biāo)中心點(diǎn)和激光中心點(diǎn)數(shù)據(jù)，收到兩個中心點(diǎn)的微處理器可以通過內(nèi)置PID 算法，輸出PWM波形，驅(qū)動電機(jī)，使瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中桿的角度發(fā)生改變，進(jìn)而達(dá)到使靶標(biāo)中心點(diǎn)和激光束中心點(diǎn)重合的目的。原理框圖如圖1。

圖1 靶標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖

3 實驗結(jié)果

在實驗中，我們選擇了靜態(tài)靶標(biāo)瞄準(zhǔn)和動態(tài)靶標(biāo)跟蹤兩個實驗，當(dāng)AUV 啟動后，遠(yuǎn)程啟動樹莓派，攝像頭進(jìn)行實時捕捉，樹莓派通過串口發(fā)送紅點(diǎn)坐標(biāo)與圓心坐標(biāo)差，上位機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)打印結(jié)果，在樹莓派使用過程中，將可視窗口小型化，關(guān)閉顯示窗口，極大提高了算法的實時性，保證對于靶標(biāo)的實時檢測和追蹤，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

實驗環(huán)境如圖2 所示。

圖2

移動靶標(biāo)跟蹤曲線如圖3 所示。

圖3 圓心與紅點(diǎn)像素關(guān)系曲線