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1、基于DSP的光电成像跟踪系统研究STUDY ON OPTOELECTRONIC IMAGING AND TRACKING SYSTEM BASED ON DSP学位授予单位及代码：长春理工大学(10186)学科专业名称及代码： 测试计量技术及仪器（080402） 研究方向： 精密测控技术与仪器 申请学位级别： 硕 士 摘 要本论文旨在研制一套光电成像跟踪系统，该系统能在实验室条件下实现对动目标的实时跟踪，为理解光电成像跟踪系统的构成和实际应用提供实验平台和原理演示平台。本文阐述了光电成像跟踪系统原理与组成，论述了光电成像跟踪系统的设计和实现。 针对跟踪系统设备和系统指标要求，确定了跟踪控制系统
2、结构：控制系统由上位机和下位机两级控制系统组成，上位PC机对CCD相机采集的图像进行光电图像处理并提供人机界面，下位机采用基于DSP芯片的实验系统实现二维转台的实时控制，二者之间通过RS232通信协议进行命令和数据的通讯。结合转台驱动元件步进电机的矩频特性，对转台采用自适应控制策略，使二维转台的水平速度和垂直速度动态地改变，使得转台实时的跟踪目标，实现了高精度跟踪控制。关键词：光电成像跟踪 DSP 自适应控制 变速控制 串行通信 步进电机2AbstractThis thesis aims at developing an photoelectric imaging and tracking s
3、ystem. This system can achieve real-time tracking to moving object in laboratory. Finally a experiment platform and principle demo platform can be provided for the reserach of the structure and practical application of optoelectronic imaging and tracking system.The theory and technique of engineerin
4、g application is expounded in this paper.The designer and implementer of optoelectronic imaging and tracking system is discussed in this paper. In accordance with the researching tracking equipments and requirement of system index, the tracking control structure is confirmed: the master-slave contro
5、l structure. The master-slave control structure based PC and DSP experiment system. The PC accomplish the processing of optoelectronic image collected by CCD camera and implement the human-computer interface. The real time control of two-dimensional numerical turntable is achieved by DSP experiment
6、system. The communication of command and data between PC and DSP experiment system is accomplished through RS232 communication protocol. According to pulse-torque characteristics of stepper motor of two-dimensional numerical turntable, the adaptive control algorithm is adopted which can achieve high
7、 precision tracking control through dynamic changes of the velocity of horizontal axis and the velocity of elevation axis of the two-dimensional numerical turntable.Key words: optoelectronic imaging and tracking DSP adaptive control variable speed control serial communication stepper motor 目 录摘 要ABS
8、TRACT目 录第一章 绪论11.1课题研究背景、目的及意义11.2光电成像跟踪系统国内外现状11.3论文主要研究内容31.4论文结构安排3第二章 光电成像跟踪系统总体设计方案52.1 光电成像跟踪系统工作原理52.2光电成像跟踪系统组成52.3光电成像跟踪系统总体设计102.4 PC机与DSP的通信设计122.5转台的控制方案设计12第三章 系统硬件设计163.1 DSP选型及TMS320LF2407简介163.2 基于DSP的转台控制系统功能分析193.3步进电机及其工作原理223.4光电隔离模块27第四章 系统的软件设计与实现284.1主程序设计284.2系统初始化设置284.3 SCI
9、串口通信模块设置294.4脉冲输出子程序324.5转台控制算法及其实现344.6光电编码器测角信号处理子程序394.7上位机（PC机）人机界面设计40第五章 实验结果及控制系统的改进意见455.1 DSP仿真开发环境及DSP软件开发流程455.2 DSP硬件仿真器475.3实验系统介绍485.4实验结果分析485.5总结与展望50致谢 51参 考 文 献52第一章 绪 论1.1课题研究背景、目的及意义1.1.1课题研究背景光电成像技术是适应信息社会的需要而迅速发展的一门新技术分支学科。这一先进的技术为人类有效地扩展了自身的视觉能力。利用光电成像技术，可在全黑的夜空不用照明能像白天一样看清周围景
10、物；可利用景物本身在常温下的辐射能获得可见的图像信息；可通过视频信号的转换来完成图像的传输、存贮以及处理等功能。由于光电成像技术首先在军事领域中得到了应用，因此这一技术已成为国防科技中至关重要的专业技术。随着光电编码技术、电视摄像技术、热成像技术、红外技术、数字图像处理技术的不断进步，光电成像跟踪技术自二十世纪六十年代以来, 得到了极大的发展, 在导弹制导、火炮控制、天文观测（空间飞行体和星体跟踪）、靶场测量、武器控制、航天航空等领域有着极其广泛的应用1。此外，光电成像跟踪技术在工业及科学研究中也有很多用途，如印刷包装中目标定位，工业检测、安防监控等。1.1.2课题研究目的本课题来源于实验室学
11、科建设项目，旨在研制一套光电成像跟踪系统，该系统能在实验室条件下实现对动目标的实时跟踪。该系统的设计主要是为了研究光电成像跟踪装置如何能快速、准确的跟踪目标，并且为各种跟踪算法提供知识积累以及为理论的实践提供实验平台。1.1.3课题研究意义光电成像跟踪系统是集光学技术、激光技术、计算机技术、信息处理、控制技术等多学科为一体的现代高精跟踪系统2 。近年来，光电成像跟踪系统在许多领域获得日益广泛和重要的应用，为国家现代化建设发挥着重要的作用。随着科学技术的迅速发展, 光电跟踪技术无论是在军事领域还是在工业和科学研究领域都开始有了更加广泛的应用。1.2光电成像跟踪系统国内外现状 光电成像跟踪系统的研
12、制始于50年代，是一种集光、机、电、算于一体的涉及到微电子技术、计算机技术、光电子成像技术、信号处理、光学设计、光纤技术等领域的综合系统。早在50年代初期，GAC公司就为美国海军开发研制了自动的识别跟踪系统(ATRAN)。图像信息的获取和处理是成像跟踪的基础。进入70年代以来，随着相关理论与技术的不断发展，成像跟踪技术无论从理论研究、还是从应用研究上都取得了巨大的进展。在学术方面：自W.Meger和G.Drius报道了有关二维相关计算以来，Hef,Anuta,Blom,Batnea,Mauter等人对成像跟踪研究领域的新思想、新方法、新进展作了系统而全面的论述3。70年代初期，自适应跟踪、智能
13、跟踪的思想方法相继提出。许多国际性刊物，如IEEE on AES，IEEE on PAMI，IEEE on AC，Pattern ecognition,Proceedings of SPIE等成了许多专家、学者学术交流的重要园地。成像跟踪是国内外研究的热门课题，国内的国防科技大学、西安电子科技大学、中国科学院光电技术研究所、华中理工大学图像识别与人工智能研究所等，也都在成像跟踪领域做了大量的工作，例如在目标与背景红外图像特征处理研究中，创造性地提出了算法融合的思想，提出了基于背景预测的弱小目标检测算法，在线多目标处理技术及分段控制随动系统策略等。近年来，一些专家、学者通过各种手段，如模式识别、
14、人工智能、图像信息智能融合等对智能成像跟踪技术的研究进行了尝试。近几年来，我国的成像跟踪技术得到突飞猛进的发展，与国外的差距正在逐步缩小，有些设备的先进性也可同国外同步，相信国内和国外的差距会进一步缩小，尤其在可见光成像跟踪的应用方面更可以独树一帜。光电成像跟踪系统要具有较短的响应时间和较高的跟踪精度，因此要对光电成像跟踪系统的控制子系统采用某种合理的控制算法，近些年来一些新型的控制方法不断应用到光电成像跟踪伺服控制系统中来，提高了目标跟踪的稳定性。这些新型的控制方法包括广义预测控制(GPC)、复合控制、共轴跟踪、智能控制、模糊控制、多模控制、自适应控制、变结构控制、鲁棒控制、神经网络控制以及
15、它们之间相互渗透形成的混合控制。总而言之，随着自动控制理论的不断发展，光电跟踪中伺服控制系统新的控制方法也随之涌现，特别是自适应滤波和预测方法、数据融合技术的逐渐引入，提高了目标发生机动时的跟踪的稳定性。而且计算机的离线应用，实现了对控制系统的分析、设计和建模等的数字仿真，缩短了设计周期，提高了设计质量，减小了研制风险。如何在现有设备上不断提高光电跟踪精度有多种技术途径，如提高机械系统谐振频率，提高探测系统采样频率，组成复合轴系统（二级或多级跟踪系统）等方案；这些方案中提高机械系统谐振频率会受限于设计的极限，提高探测系统采样频率受限于单元技术水平，组成复合轴系统（二级或多级跟踪系统）是一个很好的方案，而且精度可达到很高，但有些系统要求在不组成复合轴的情况下对跟踪精度要求很高。因此，研究提高光电跟踪精度的控制方法是有重要价值的。实时成像跟踪是一个有着重要研究意义的课题，同时又富有一定的挑战性，随着科学技术的进步和现代战略技术的发展，人们发现提出新的目标跟踪概念和体制是完全可能的。1.3论文主要研究内容本文的主要工作如下：（1）本文采用DSP实验系统、PC机、CCD摄像头、图像采集卡、二维精密电控旋转台、两相混合式步进电
