基于PC的目标追踪系统
[关键词] 运动控制，图像采集，机器视觉，目标追踪，CCD摄像机，伺服电机
一、系统构成与原理
1.1机器视觉
所谓机器视觉就是：赋予机器以人类视觉功能，突破人类自身视觉的局限性，把计算机的快速性、可靠性、结果的可重复性，与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此逐渐形成了一门新学科。机器视觉系统采用CCD照相机将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如：面积、长度、数量、位置等；根据预设的容许度和其他条件输出分析结果。机器视觉系统一般由光源，镜头，CCD照相机，图像处理单元（或图像捕获卡），图像处理软件，监视器，通讯/输入输出单元等部分组成。（见图 1）
图 1
1.2伺服电机
伺服电机把输入的控制电压信号变为输出的角位移或角速度，它的运动状态由控制信号控制，加上控制电压，他应当马上旋转，去掉控制电压它应马上停转，转速高低应用控制电压成正比。相对于同样应用于运动控制的的步进电机它有如下优点：
1.控制精度更高：伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证，对于17位的旋转编码器而言，驱动器每接收217＝131072个脉冲电机旋转一圈，其脉冲当量为360°/131072＝0.0027
2.伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象
3.伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
4.交流伺服电机具有较强的过载能力 。一般是额定转矩的2-3倍。
5.伺服系统的加速性能较好从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。
6.伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。（如图 2）
图 2
1.3 基于PC的运动控制系统
为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；同时PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。基于PC的运动控制系统的构成如图3
图 3
上图所示是目标追踪系统的控制单元部分的结构图。选用凌华公司的运动控制卡（PCI-8164）、三菱公司的伺服电机及驱动器、和专为配合三菱伺服电机而设计的端子板（DIN-814M）。由于有相配合的端子板，整个控制部分的接线非常简单。
1.4运动控制卡：PCI-8164
1. 支持OUT/DIR和CW/CCW脉冲输出方式，最大脉冲输出频率：6.55Mpps
2. 可同时控制四轴电机，任意两轴、三轴的直线插补，任意两轴的圆弧插补
3. 支持持续插补运动
4. 梯形与S曲线速度曲线
5. 可编程控制加速与减速时间
6. 可以在运动中改变速度
7. 多轴同步启动/停止
8. 位置比较与捕捉位置功能
9. 回差补偿功能
1.5图像捕捉卡：Picolo
1. 可接1个摄像头
2. 三种模拟视频信号输入方式
3. 支持PAL / NTSC / CCIR / RS170制式
4. 一个S-Video视频输入
5. 实时视频捕捉(PCI总线主控DMA方式)
6. 四个数字量输入/输出通道
1.6图像分析软件包：Evision_EasyMatch
EasyMatch是颜色和灰度级别的模式匹配库。它可以让系统在图像中找到与基准模式相匹配的部分，并计算出目标的位置。即使目标发生旋转，等放性或任意方向的缩放，它都可以找到目标。（如图 4）
图 4
二、结束语
该系统已在标准工控机上得到验证，同时可扩展到嵌入式结构中。可应用于汽车、船舶、飞机等对尺寸有严格要求的场合。
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