基于dsp的光電成像跟蹤系統研究碩士學位論文(已修改)

　

【正文】 基于 DSP 的光電成像跟蹤系統研究STUDY ON OPTOELECTRONIC IMAGING AND TRACKING SYSTEM BASED ON DSP學位授予單位及代碼：長春理工大學(10186)學科專業名稱及代碼： 測試計量技術及儀器（080402） 研究方向： 精密測控技術與儀器 申請學位級別： 碩 士 2摘 要本論文旨在研制一套光電成像跟蹤系統，該系統能在實驗室條件下實現對動目標的實時跟蹤，為理解光電成像跟蹤系統的構成和實際應用提供實驗平臺和原理演示平臺。本文闡述了光電成像跟蹤系統原理與組成，論述了光電成像跟蹤系統的設計和實現。 針對跟蹤系統設備和系統指標要求，確定了跟蹤控制系統結構：控制系統由上位機和下位機兩級控制系統組成，上位 PC 機對 CCD 相機采集的圖像進行光電圖像處理并提供人機界面，下位機采用基于 DSP 芯片的實驗系統實現二維轉臺的實時控制，二者之間通過 RS232 通信協議進行命令和數據的通訊。結合轉臺驅動元件——步進電機的矩頻特性，對轉臺采用自適應控制策略，使二維轉臺的水平速度和垂直速度動態地改變，使得轉臺實時的跟蹤目標，實現了高精度跟蹤控制。關鍵詞：光電成像跟蹤 DSP 自適應控制 變速控制 串行通信 步進電機AbstractThis thesis aims at developing an photoelectric imaging and tracking system. This system can achieve realtime 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 engineering application is expounded in this 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 masterslave control structure. The masterslave control structure based PC and DSP experiment system. The PC acplish the processing of optoelectronic image collected by CCD camera and implement the humanputer interface. The real time control of twodimensional numerical turntable is achieved by DSP experiment system. The munication of mand and data between PC and DSP experiment system is acplished through RS232 munication protocol. According to pulsetorque characteristics of stepper motor of twodimensional numerical turntable, the adaptive control algorithm is adopted which can achieve high precision tracking control through dynamic changes of the velocity of horizontal axis and the velocity of elevation axis of the twodimensional numerical turntable.Key words: optoelectronic imaging and tracking DSP adaptive control variable speed control serial munication stepper motor 目 錄摘 要ABSTRACT目 錄第一章 緒論 .........................................................1 課題研究背景、目的及意義 .....................................1 光電成像跟蹤系統國內外現狀 ...................................1 論文主要研究內容 .............................................3 論文結構安排 .................................................3第二章 光電成像跟蹤系統總體設計方案 .................................5 光電成像跟蹤系統工作原理 ....................................5 光電成像跟蹤系統組成 .........................................5 光電成像跟蹤系統總體設計 ....................................10 PC 機與 DSP 的通信設計 .......................................12 轉臺的控制方案設計 ..........................................12第三章 系統硬件設計 ................................................16 DSP 選型及 TMS320LF2407 簡介 .................................16 基于 DSP 的轉臺控制系統功能分析 .............................19 步進電機及其工作原理 ........................................22 光電隔離模塊 ................................................27第四章 系統的軟件設計與實現 ........................................28 主程序設計 ..................................................28 系統初始化設置 ..............................................28 SCI 串口通信模塊設置 ........................................29 脈沖輸出子程序 ..............................................32 轉臺控制算法及其實現 ........................................34 光電編碼器測角信號處理子程序 ................................39 上位機（PC 機）人機界面設計 .................................40第五章 實驗結果及控制系統的改進意見 ................................45 DSP 仿真開發環境及 DSP 軟件開發流程 ..........................45 DSP 硬件仿真器 ..............................................47 實驗系統介紹 ................................................48 實驗結果分析 ................................................48 總結與展望 ..................................................50致謝 .............................................................. 51參 考 文 獻 ........................................................521第一章 緒 論 課題研究背景、目的及意義 課題研究背景光電成像技術是適應信息社會的需要而迅速發展的一門新技術分支學科。這一先進的技術為人類有效地擴展了自身的視覺能力。利用光電成像技術，可在全黑的夜空不用照明能像白天一樣看清周圍景物；可利用景物本身在常溫下的輻射能獲得可見的圖像信息；可通過視頻信號的轉換來完成圖像的傳輸、存貯以及處理等功能。由于光電成像技術首先在軍事領域中得到了應用，因此這一技術已成為國防科技中至關重要的專業技術。隨 著 光 電 編 碼 技 術 、 電 視 攝 像 技 術 、 熱 成 像 技 術 、 紅 外 技 術 、 數 字 圖 像 處 理 技 術的 不 斷 進 步 ， 光 電 成 像 跟 蹤 技 術 自 二 十 世 紀 六 十 年 代 以 來 , 得 到 了 極 大 的 發 展 , 在導 彈 制 導 、 火 炮 控 制 、 天 文 觀 測 （ 空 間 飛 行 體 和 星 體 跟 蹤 ） 、 靶 場 測 量 、 武 器 控 制 、航 天 航 空 等 領 域 有 著 極 其 廣 泛 的 應 用 [1]。 此 外 ， 光 電 成 像 跟 蹤 技 術 在 工 業 及 科 學 研 究中 也 有 很 多 用 途 ， 如 印 刷 包 裝 中 目 標 定 位 ， 工 業 檢 測 、 安 防 監 控 等 。 課題研究目的本 課 題 來 源 于 實 驗 室 學 科 建 設 項 目 ， 旨 在 研 制 一 套 光 電 成 像 跟 蹤 系 統 ， 該 系 統 能在 實 驗 室 條 件 下 實 現 對 動 目 標 的 實 時 跟 蹤 。 該 系 統 的 設 計 主 要 是 為 了 研 究 光 電 成 像跟 蹤 裝 置 如 何 能 快 速 、 準 確 的 跟 蹤 目 標 ， 并 且 為 各 種 跟 蹤 算 法 提 供 知 識 積 累 以 及 為 理論 的 實 踐 提 供 實 驗 平 臺 。 課題研究意義光電成像跟蹤系統是集光學技術、激光技術、計算機技術、信息處理、控制技術等多學科為一體的現代高精跟蹤系統 [2] 。近年來，光電成像跟蹤系統在許多領域獲得日益廣泛和重要的應用，為國家現代化建設發揮著重要的作用。隨著科學技術的迅速發展, 光電跟蹤技術無論是在軍事領域還是在工業和科學研究領域都開始有了更加廣泛的應用。 光電成像跟蹤系統國內外現狀 光電成像跟蹤系統的研制始于 50 年代，是一種集光、機、電、算于一體的涉及到微電子技術、計算機技術、光電子成像技術、信號處理、光學設計、光纖技術等領域的綜合系統。早在 50 年代初期，GAC 公司就為美國海軍開發研制了自動的識別跟蹤系統(ATRAN)。圖像信息的獲取和處理是成像跟蹤的基礎。進入 70 年代以來，隨著相關2理論與技術的不斷發展，成像跟蹤技術無論從理論研究、還是從應用研究上都取得了巨大的進展。在學術方面：自 和 報道了有關二維相關計算以來，Hef,Anuta,Blom,Batnea,Mauter 等人對成像跟蹤研究領域的新思想、新方法、新進展作了系統而全面的論述 [3]。70 年代初期，自適應跟蹤、智能跟蹤的思想方法相繼提出。許多國際性刊物，如 IEEE on AES，IEEE on PAMI，IEEE on AC，Pattern ecognition,Proceedings of SPIE 等成了許多專家、學者學術交流的重要園地。成像跟蹤是國內外研究的熱門課題，國內的國防科技大學、西安電子科技大學、中國科學院光電技術研究所、華中理工大學圖像識別與人工智能研究所等，也都在成像跟蹤領域做了大量的工作，例如在目標與背景紅外圖像特征處理研究中，創造性地提出了算法融合的思想，提出了基于背景預測的弱小目標檢測算法，在線多目標處理技術及分段控制隨動系統策略等。近年來，一些專家、學者通過各種手段，如模式識別、人工智能、圖像信息智能融合等對智能成像跟蹤技術的研究進行了嘗試。近幾年來，我國的成像跟蹤技術得到突飛猛進的發展，與國外的差距正在逐步縮小，有些設備的先進性也可同國外同步，相信國內和國外的差距會進一步縮小，尤其在可見光成像跟蹤的應用方面更可以獨樹一幟。光 電 成 像 跟 蹤 系 統 要 具 有 較 短 的 響 應 時 間 和 較 高 的 跟 蹤 精 度 ， 因 此 要 對 光 電 成 像跟 蹤 系 統 的 控 制 子 系 統 采 用 某 種 合 理 的