基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

許靖添

(北京師范大學(xué)珠海分校 設(shè)計學(xué)院，廣東 珠海 519085)

0 引言

為提高航天系統(tǒng)的自主保護性能，降低安全風(fēng)險系數(shù)，應(yīng)注意其目標跟蹤系統(tǒng)的設(shè)置，避免航天器遭遇不良襲擊[1]。由于航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)在設(shè)計時需要大量的航天器模擬數(shù)據(jù)，為此，不少研究學(xué)者針對航天器制造中可能產(chǎn)生的問題進行航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)法解決當前航天器存在的系統(tǒng)問題[2]。

當前研究集中于對航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的檢驗中，對于中心系統(tǒng)的控制強度較高，在完善內(nèi)部硬件元件的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)軟件系統(tǒng)輔助操作，提升了航天器的操作可控性，能夠為后續(xù)實驗操作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3]。傳統(tǒng)基于FPGA的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計在操作過程中不斷改變自身的系統(tǒng)設(shè)置，并按照航天器所適應(yīng)的標準原則進行系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)提取，檢驗內(nèi)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)狀態(tài)，獲取良好的目標跟蹤控制結(jié)果[4]。

傳統(tǒng)基于圖像特征的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計整合了所需的中心信息，時刻保證航天器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全，具有一定的高效性[5]。但傳統(tǒng)研究在實驗時，會產(chǎn)生一定的操作浪費，操作步驟較為繁瑣，不符合系統(tǒng)的簡化要求，為此，根據(jù)上述問題，本文提出一種新式基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計對以上問題進行分析與解決。

本文系統(tǒng)設(shè)計整合了系統(tǒng)硬件的優(yōu)勢功能，輔助軟件調(diào)整操作，獲取有關(guān)的操作數(shù)據(jù)，完善中心信息系統(tǒng)收集功能，獲得良好的目標跟蹤數(shù)據(jù)，提升了系統(tǒng)的操作有效性，縮減操作時間，一定程度上優(yōu)化系統(tǒng)裝置，具有更好的研究價值。

1 航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖像輪廓檢測作為較為關(guān)鍵的系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)檢測技術(shù)，在航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)中具有較為重要的設(shè)備檢查地位，為強化對航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計性能，本文構(gòu)建了不同的數(shù)據(jù)操作模塊，確保數(shù)據(jù)處于系統(tǒng)可調(diào)控位置，且保護系統(tǒng)硬件裝置不受外界影響[6]。通過E5-2600 v3/v4處理器設(shè)計了數(shù)據(jù)統(tǒng)計器，強化了對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，并進行集中性操作管理統(tǒng)計，通過VGA接口及RJ45獨立IPMI管理網(wǎng)口設(shè)計了數(shù)據(jù)傳輸模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸及存儲[7]。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計器搭配E5-2600 v3/v4處理器，單處理器支持22核，雙QPI鏈接支持9.6 GT/s，多達16個DDR4內(nèi)存插槽，具有7個PCIe擴展槽位支持全高卡的設(shè)計，能夠在統(tǒng)計數(shù)據(jù)較多的情況下實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時管理與調(diào)配操作。通過不同的硬盤處理器將航天器目標跟蹤控制數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)統(tǒng)計系統(tǒng)中，逐步統(tǒng)計出系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，并按照經(jīng)典處理模式將處理的數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集到硬件主盤系統(tǒng)中作為存儲數(shù)據(jù)執(zhí)行存儲任務(wù)[8]。支持12個內(nèi)存，每個處理器支持6個內(nèi)存通道，內(nèi)存速度可達 2 933 MT/s，可進行全方面的數(shù)據(jù)控制操作，并研究中心處理器的剩余空間信息，并管理系統(tǒng)硬件交換線結(jié)構(gòu)，設(shè)置交換式總線如圖1所示，保證數(shù)據(jù)的控制安全性。

圖1 交換式總線圖

在完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計后，將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)放置至數(shù)據(jù)傳輸模塊中，并選用相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸器處理數(shù)據(jù)傳輸過程，本文數(shù)據(jù)傳輸器具有2個前置USB 3.0接口、后置2個USB3.0接口，1個前置VGA接口、1個后置VGA接口，1個后置RJ45獨立IPMI管理網(wǎng)口，能夠在信息傳輸?shù)耐瑫r進行控制管理，并不斷調(diào)整接口信息狀態(tài)，在信息集中后調(diào)整操作狀態(tài)，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)由前置接口輸入，再經(jīng)過流動通道傳輸控制信息，最后經(jīng)過后置接口傳出所需數(shù)據(jù)，由此實現(xiàn)整體航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計操作[9]。

2 基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的設(shè)計后，通過圖像輪廓實現(xiàn)航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。采集航天器輪廓圖像，獲取輪廓信息，選取閾值作為航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)的操作系數(shù)，檢驗跟蹤目標的運動方向，調(diào)控方向數(shù)據(jù)，降低圖像的像素變化程度，實現(xiàn)航天器目標跟蹤精準控制。

設(shè)置軟件設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計流程圖

通過圖2可以看出，進行了軟件結(jié)構(gòu)重組操作，將航天器目標跟蹤控制數(shù)據(jù)全部存儲至運輸通道中，控制數(shù)據(jù)的流通方向，擴展流通通道，保證數(shù)據(jù)流通的通暢性，并按照航天器目標選取原則控制選取的目標范圍，補充數(shù)據(jù)跟蹤控制算法[10]。設(shè)置如下步驟的軟件操作：

所設(shè)計的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)選取不同的操作組件進行操作研究，首先控制實時圖像的采集信息，由圖像輪廓檢測系統(tǒng)顯示接收的圖像信息，并實時處理接收的圖像數(shù)據(jù)，編制系統(tǒng)操作編碼，同時管理中心存儲模塊的信息狀態(tài)，按照解碼芯片的解碼功能破解內(nèi)部程序信息，防止信息系統(tǒng)的崩潰，采集的航天器輪廓如圖3所示。選取合適的閾值，作為航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)的操作系數(shù)，設(shè)置閾值設(shè)定方程式如下：

(1)

由上述公式可以看出，閾值D中的坐標處于T的可允許運動范圍內(nèi)，根據(jù)動點F與動點B的具體位置確定閾值的精準操作范圍，并由此獲取相應(yīng)的操作系數(shù)，執(zhí)行內(nèi)部航天器系統(tǒng)的軟件程序操作任務(wù)[11]。

圖3 采集的航天器輪廓圖

下達目標跟蹤控制查找命令，同時將命令范圍縮減至區(qū)域空間內(nèi)，檢測動態(tài)目標控制算法，根據(jù)視頻顯示的航天器具體狀況劃分操作區(qū)域，并設(shè)定區(qū)域的標準域值基本掌握域值數(shù)據(jù)的分布條件[12]。監(jiān)測數(shù)據(jù)目標，并提取目標數(shù)據(jù)，由于算法計算的過程較為龐雜，本文簡化基礎(chǔ)算法操作，將與研究數(shù)據(jù)無關(guān)的參數(shù)刪除，整合剩余的參數(shù)數(shù)據(jù)，集中檢驗跟蹤目標的運動方向，精準調(diào)控方向數(shù)據(jù)，降低圖像的像素變化程度，調(diào)配絕對差數(shù)據(jù)，設(shè)置絕對差調(diào)配公式如下所示：

K(x+i-1,y+j-1)

(2)

式中，P表示為絕對差坐標系數(shù)，T表示為跟蹤目標運動坐標數(shù)據(jù)，K表示為檢驗程度數(shù)值。按照上述調(diào)配操作，完善中心系統(tǒng)軟件部分的處理性能，同時標準化管理航天器目標跟蹤控制數(shù)據(jù)的操作實現(xiàn)數(shù)據(jù)，考慮目標運動的檢測準則，簡化數(shù)學(xué)形態(tài)處理操作，加強內(nèi)部控制力度，設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)控裝置，確?？刂茢?shù)據(jù)處于一定的安全狀態(tài)中[13]。精準降低軟件模塊化管理程度，計算目標數(shù)據(jù)的運動方位角，并設(shè)置計算公式如下：

(3)

式中，a表示為目標數(shù)據(jù)的運動方位角數(shù)據(jù)，y表示為坐標系縱軸中的數(shù)據(jù)，x表示為坐標系橫軸中的數(shù)據(jù)，最終得出的a角為銳角[14]。設(shè)置相關(guān)的角度方位參數(shù)如圖4所示。

圖4 角度方位參數(shù)圖

將獲取的方位角數(shù)據(jù)集中收集至軟件信息庫中，加大中心溝通力度，并調(diào)配系統(tǒng)信息管理數(shù)據(jù)，在獲得相應(yīng)的管理數(shù)據(jù)數(shù)值后，解鎖軟件程序空間信息，并釋放程序因子，排除外界干擾數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)受到外來侵擾，實現(xiàn)整體航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[15]。

通過采集到的航天器輪廓圖，監(jiān)測并提取目標數(shù)據(jù)，設(shè)置絕對差調(diào)配公式檢驗跟蹤目標的運動方向，降低圖像的像素變化程度，通過計算目標數(shù)據(jù)的運動方位角來精準調(diào)控方向數(shù)據(jù)，實現(xiàn)航天器目標的精準跟蹤控制。

3 實驗結(jié)果與分析

為檢驗所設(shè)計系統(tǒng)的目標跟蹤控制性能，設(shè)計不同的實驗環(huán)境，將本文基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于FPGA的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)系統(tǒng)及基于圖像特征的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)進行比較，同時構(gòu)建操作實驗背景數(shù)據(jù)集實驗操作步驟如下：

實驗在仿真環(huán)境Matlab軟件中進行，采用國家航天局網(wǎng)站(http://www.cnsa.gov.cn/)中的航天器圖像為實驗數(shù)據(jù)。為驗證系統(tǒng)操作板塊處于可控狀態(tài)中，將實驗環(huán)境設(shè)置在密閉環(huán)境中，同時盡量避免實驗數(shù)據(jù)與外來數(shù)據(jù)的接觸，保證數(shù)據(jù)的完整程度，同時對數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)時序進行檢驗，設(shè)置相應(yīng)的時序如圖5所示。

圖5 時序圖

管理內(nèi)部調(diào)控系統(tǒng)，將不同的系統(tǒng)設(shè)計操作數(shù)據(jù)集中調(diào)進內(nèi)部信息空間中，結(jié)合硬件管理手段與軟件整合手段，不斷加強中心區(qū)域的實驗參數(shù)數(shù)量添加程度，利用邏輯分析儀分析航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)的存在可行性，調(diào)配保護裝置位置，時刻保護數(shù)據(jù)的存儲狀態(tài)。在經(jīng)過上述初始實驗操作后，設(shè)置實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

根據(jù)表1的實驗參數(shù)進行數(shù)據(jù)操作實驗研究，集中圖像解碼數(shù)據(jù)，并整合數(shù)據(jù)信息，將需進行基礎(chǔ)性檢驗的數(shù)據(jù)集中至內(nèi)部調(diào)配系統(tǒng)空間中，同時按照系統(tǒng)操作的基礎(chǔ)流程管理內(nèi)部空間范圍，追蹤數(shù)據(jù)解碼圖像，在圖像傳輸至主系統(tǒng)的過程中攔截錯誤數(shù)據(jù)，避免錯誤數(shù)據(jù)對實驗結(jié)果的干擾，同時控制數(shù)據(jù)時序順序，對數(shù)據(jù)時序進行圖像設(shè)置，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)時序圖

強化內(nèi)部調(diào)控力度，并將調(diào)控中心轉(zhuǎn)移至實驗環(huán)境中心位置，主導(dǎo)內(nèi)部系統(tǒng)的信息控制方向，將不同方法的系統(tǒng)設(shè)計操作放于同一操作通道中，進行實驗對比，并設(shè)置相應(yīng)的目標跟蹤控制有效率對比如圖7所示。

圖7 目標跟蹤控制有效率對比圖

根據(jù)圖7可以分析出，基于FPGA的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計具有較高的目標跟蹤控制有效率，平均值為53%，傳統(tǒng)基于圖像特征的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計的目標跟蹤控制有效率較低，平均值為31%，而本文基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計的目標跟蹤控制有效率均高于其他兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)，平均值為84%。造成此種差異的原因在于本文系統(tǒng)在操作過程中不斷轉(zhuǎn)化信息數(shù)據(jù)功能，并將控制系統(tǒng)的重心轉(zhuǎn)移至控制系統(tǒng)內(nèi)部，合理調(diào)配相關(guān)性數(shù)據(jù)，并整合操作的內(nèi)部系統(tǒng)數(shù)據(jù)，完善航天器信息，合理管理信息的存儲空間，具有較高的跟蹤控制有效率。

為更好地比較出本文系統(tǒng)設(shè)計的性能，設(shè)置二次實驗環(huán)境進行實驗操作，并管理試驗數(shù)據(jù)的擠出流向，涉及如表2所示的二次試驗參數(shù)表。

表2 實驗參數(shù)

在表2中，選取相關(guān)的參數(shù)管理數(shù)據(jù)，將內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計信息統(tǒng)一集中到管理系統(tǒng)中，管理信息存儲空間，將分配的航天器目標跟蹤控制數(shù)據(jù)收集到信息處理系統(tǒng)中，并調(diào)節(jié)系統(tǒng)間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)矛盾，保證數(shù)據(jù)處于精準處理狀態(tài)中，設(shè)置狀態(tài)調(diào)整如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)狀態(tài)調(diào)整圖

計算航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)的控制系數(shù)，調(diào)配控制系數(shù)的存儲區(qū)域，并將區(qū)域的范圍擴大到系統(tǒng)操作范圍中，整合控制數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)可進行自主流動操作，并加強信息中心管理操作力度，在管理的基礎(chǔ)上進行實驗研究，整合實驗數(shù)據(jù)，將獲得的本文系統(tǒng)設(shè)計的目標跟蹤控制位置圖像與傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計的目標跟蹤控制位置圖像進行比較，如圖9所示。

圖9 目標跟蹤控制位置圖像對比圖

對比圖9可以得出，傳統(tǒng)航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)的目標跟蹤控制位置與理想位置差距較大，且跟蹤位置的準確率較差，而本文基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)與理想位置差距均小于其他兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計的差距，準確率較高。由于本文在實驗過程中不斷擴大對控制數(shù)據(jù)的監(jiān)控范圍，時刻把握數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)位置，并調(diào)控數(shù)據(jù)信息，將所獲取的信息集中統(tǒng)計于同一航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，簡便操作步驟，優(yōu)化控制性能，獲取較佳的目標跟蹤控制位置。傳統(tǒng)基于圖像特征的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計在管理自身系統(tǒng)數(shù)據(jù)的同時兼顧對航天器目標數(shù)據(jù)的監(jiān)測操作，強化內(nèi)部信息的整合力度，擴展控制空間，具有良好的目標跟蹤控制位置。

綜上所述，本文基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計效果較好，能夠完整處理航天器目標信息，具有較強的操作性能。

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上提出了一種新式基于圖像輪廓檢測的航天器目標跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，提高了目標跟蹤控制有效率及準確率。所設(shè)計系統(tǒng)結(jié)合了系統(tǒng)硬件裝置與軟件程序的優(yōu)勢，減緩了系統(tǒng)內(nèi)部矛盾，具有較高的系統(tǒng)整合性，能夠在較高程度上完善系統(tǒng)，獲得更好的操作結(jié)果數(shù)據(jù)，具有更為廣闊的發(fā)展前景。