【正文】 向?yàn)槔齺碚f明： （）/xxtw???式中， 是水平方位角移動量， 是水平旋轉(zhuǎn)角速度， 是目標(biāo)在水平方向回到視?? xt場中心所需要的時(shí)間，由上式可知，根據(jù)水平方位角移動量和水平旋轉(zhuǎn)角速度得出其相應(yīng)轉(zhuǎn)臺電機(jī)運(yùn)行時(shí)間，當(dāng) 過大、 相對過小時(shí)，電機(jī)在水平方向運(yùn)行時(shí)間過長，??x靈敏度差，反應(yīng)太慢，跟不上目標(biāo)；當(dāng) 過大、 相對過大，這樣得出的時(shí)間很小，xw造成轉(zhuǎn)臺反應(yīng)過于靈敏，抖動性過大，目標(biāo)就不能準(zhǔn)確的回到視場中心。圖 圖像坐標(biāo)系平移 與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系圖x? 轉(zhuǎn)臺變速控制的提出在基于 DSP 的轉(zhuǎn)臺控制算法中，主要實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)臺的水平軸和俯仰軸電機(jī)速度和方向的控制。現(xiàn)以水平方向?yàn)槔?，說明圖像坐標(biāo)系平移 與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)圖像水平方向長度為 ，垂直方向長度為 。??? 轉(zhuǎn)臺控制參數(shù)的計(jì)算在跟蹤系統(tǒng)中，圖像處理單元送出目標(biāo)形心與圖像中心的位移偏差（ 、 ） ，x?y先將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)臺控制參數(shù)( 、 )，其中 為轉(zhuǎn)臺水平方位角移動量， 為轉(zhuǎn)??????臺俯仰角移動量。串行接口標(biāo)準(zhǔn)采用 RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)。如果用串行同步方式可提高傳輸率，但需在 PC 機(jī)上擴(kuò)展設(shè)備。在串行通信中，系統(tǒng)選用了異步通信，其特點(diǎn)是通信雙方以一個字符作為數(shù)據(jù)傳輸單位，且發(fā)送方傳送字符的間隔時(shí)間是不定的，在傳輸一個字符時(shí)總是以起始位開始，以停止位結(jié)束 [12]。剩下的 USB 總線和 RS232 串行總線，USB 總線的傳輸速率在 規(guī)范中可以和PCI 總線相比，其開發(fā)周期也相對較短；RS232 串行總線的傳輸速率較低，但是它的開發(fā)是最容易的。ISA 總線傳輸速率慢，并且開發(fā)周期也比較長，現(xiàn)在已經(jīng)基本上被PCI 總線所取代了。根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，可以選用不同的總線擴(kuò)展下位機(jī)控制系統(tǒng)，以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。（4）串行總線。（3）USB 總線。 PCI 總線是一種同步的獨(dú)立于 CPU 的 32 位或 64 位局部總線，最高工作頻率 33MHZ，數(shù)據(jù)傳輸率為 132MB/S。但是 ISA 總線的響應(yīng)速度較慢，并且在多任務(wù)的操作環(huán)境下占用太多的系統(tǒng)資源，這成為限制 ISA 總線發(fā)展的瓶頸。早期電機(jī)控制與 PC 機(jī)的結(jié)合是通過 ISA 總線實(shí)現(xiàn)的。上位機(jī)采用可視化語言（如 VB、VC++ ）容易建立良好的人機(jī)界面，便于用戶實(shí)現(xiàn)向下位機(jī)發(fā)送自檢信息，并在檢測到故障時(shí)進(jìn)行故障處理，設(shè)置轉(zhuǎn)臺的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，向下位機(jī)發(fā)送命令，接收下位機(jī)送回的信息，對出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警，以及數(shù)據(jù)的采集與處理等工作；基于 DSP 處理器的下位機(jī)是二維轉(zhuǎn)臺的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，它接受上位機(jī)傳送過來的指令和數(shù)據(jù)并對轉(zhuǎn)臺電機(jī)的驅(qū)動電源進(jìn)行具體的控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動控制算法，比如變速控制、插補(bǔ)（用于兩軸或多軸轉(zhuǎn)臺步進(jìn)電機(jī)控制）等 【11】 ，此外下位機(jī)還要根據(jù)上位機(jī)的命令完成對轉(zhuǎn)臺各種運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制，主要實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺測角系統(tǒng)（如：光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等）的實(shí)時(shí)監(jiān)控和測角數(shù)據(jù)的讀取、處理以及轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)的及時(shí)回傳等工作 【10】 。本系統(tǒng)采用 CCD 光電探測器作為光電成像元件，CCD 攝像頭安裝在二維跟蹤轉(zhuǎn)臺上，CCD 攝像頭輸出的電視制式的圖像信號傳給計(jì)算機(jī)（PC 機(jī)） ，由 PC 機(jī)圖像處理單元完成圖像預(yù)處理、目標(biāo)檢測，提取出被跟蹤目標(biāo)，確定出目標(biāo)在當(dāng)前幀觀測圖像中的精確坐標(biāo)，經(jīng)過串行口下傳給下位機(jī) DSP 控制系統(tǒng)，DSP 控制系統(tǒng)計(jì)算得到目標(biāo)相對于攝像頭瞄準(zhǔn)線的偏差量，輸出控制信號控制轉(zhuǎn)臺步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動以帶動轉(zhuǎn)臺上的 CCD 攝像頭轉(zhuǎn)動，使目標(biāo)始終處于視場中心。在選擇軸角編碼器時(shí)，要考慮被測元件的精度，要使它能與被測元件的精度相匹配，一般編碼器的精度要高于被測元件的精度。絕對式光電軸角編碼器的缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)小型化。增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)小型化，響應(yīng)迅速，結(jié)構(gòu)簡單，其缺點(diǎn)是掉電后容易造成數(shù)據(jù)損失，且有誤差累積現(xiàn)象；絕對式光電軸角編碼器一般使用二進(jìn)制碼盤，碼盤上的碼道按一定規(guī)律排列，對應(yīng)每一分辯串區(qū)間有唯一的二進(jìn)制數(shù)，因此在不同的位置，11可輸出不同的數(shù)字代碼。光電軸角編碼器是一種應(yīng)用廣泛的編碼式數(shù)字傳感器，它利用光電轉(zhuǎn)換原理直接將位移或角度的模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖或數(shù)字量，具有分辨率高、體積小、精度高、工作可靠和接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，所以在各類運(yùn)動控制系統(tǒng)中，常常采用光電編碼器作為角度反饋檢測元件。比較光柵、感應(yīng)同步器和碼盤這三種傳感器，其共同特點(diǎn)是：易數(shù)字化，適用于靜、動態(tài)測角，精度較高，信號轉(zhuǎn)換與處理電路復(fù)雜。目前，角位置傳感器種類很多。 測角單元測角單元作為轉(zhuǎn)臺角位置的測量及反饋是轉(zhuǎn)臺隨動控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，它在某種程度上決定了系統(tǒng)的性能 [8]。許多公司研制了以 DSP 為微處理器的伺服控制卡，這些卡一般以 PC 機(jī)為硬件平臺，以 DOS 或 WINDOWS 為軟件平臺，使用很方便。它使用靈活，在用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高的信號處理任務(wù)時(shí)，與一般微處理器相比，其速度更快、效率更高。但這類卡也存在控制算法簡單、板卡集成元件較多等不足之處。它們均可從硬件一級完成對電機(jī)的位置和速度控制，控制精度高，性能可靠。目前在國內(nèi)主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)?；趩纹瑱C(jī)的伺服控制卡采用元件較多，尺寸較大，可靠性較差，控制參數(shù)不易改變。它的主要任務(wù)是接收上位機(jī)（PC 計(jì)算機(jī)）的方位和俯仰的位置指令，實(shí)時(shí)讀取方位和俯仰兩個光電編碼器的測角讀數(shù)，按一定的控制算法進(jìn)行運(yùn)算，得出方位和俯仰電機(jī)的控制指令值，送到驅(qū)俯仰/方位測角信號脈沖信號方向信號俯仰/方位步進(jìn)電機(jī)俯仰/方位驅(qū)動器光電編碼器9動器，由驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)方位和俯仰電機(jī)的位置隨動控制；另外，跟蹤控制設(shè)備還接受并執(zhí)行上位機(jī)（PC 計(jì)算機(jī)）的指令，對方位和俯仰驅(qū)動器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并將監(jiān)控結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)。? 俯仰： 176。/S俯仰： 0~10176。～+80176。圖 為二維電控旋轉(zhuǎn)臺示意圖：圖 二維電控旋轉(zhuǎn)臺示意圖二維轉(zhuǎn)臺原理框圖如圖 所示：俯仰/方位運(yùn)動控制器圖 二維轉(zhuǎn)臺原理框圖3）二維轉(zhuǎn)臺技術(shù)指標(biāo)根據(jù)系統(tǒng)的要求，二維轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標(biāo)如下：（a）跟蹤角度轉(zhuǎn)動范圍：方位：無限制，n360176。 U 型的外框架結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動慣最小，并可相應(yīng)縮小臺體總體尺寸。2）轉(zhuǎn)臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究轉(zhuǎn)臺框架的主要結(jié)構(gòu)有封閉的 O 型，敞開式的 U 型和 T 型 3 種：O 型結(jié)構(gòu)對稱性好、整體剛度大、易于實(shí)現(xiàn)整圈旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、結(jié)構(gòu)頻率高，適于高速旋轉(zhuǎn)，一般用于內(nèi)框架和中框架；U 型和 T 型結(jié)構(gòu)對稱性差、整體剛度差、用于低速擺動運(yùn)動、應(yīng)考慮配重問題、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、要實(shí)現(xiàn)較高的結(jié)構(gòu)頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)笨拙，一般用于外框架和中框架。（5）轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)臺控制器能提供轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)數(shù)值顯示(一般轉(zhuǎn)角指示分辨角為 )。（4）轉(zhuǎn)臺保護(hù)告警轉(zhuǎn)臺的保護(hù)指：功率放大器故障、轉(zhuǎn)臺越位、手動應(yīng)急等。（2）轉(zhuǎn)角速度伺服控制轉(zhuǎn)臺工作在速度伺服控制方式，可以按給定速度指令要求伺服調(diào)節(jié)各軸速度。 轉(zhuǎn)臺跟蹤設(shè)備跟蹤轉(zhuǎn)臺設(shè)備是光電成像跟蹤系統(tǒng)中最核心的重要基礎(chǔ)設(shè)備，可在其上安裝用于目標(biāo)探測的 CCD/紅外跟蹤測量頭、激光測距測量頭等重要設(shè)備，完成對目標(biāo)的跟蹤探測。因而，只要為 CCD 電視攝像頭輔以合理完善的軟件平臺，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，即可構(gòu)成 CCD 圖像識別系統(tǒng)，為實(shí)驗(yàn)者提供一個直觀、可操作性好的用戶操作平臺。Windows 提供的 Video for Windows(VFW)為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個方便的編程接口，通過這個接口，既可以直接觀測整個視頻采集的動態(tài)過程，又能夠有效的控制視頻數(shù)據(jù)的采集過程。目前，常用的光電成像系統(tǒng)的探測器有兩種：一種是 CCD（電荷耦合）器件；另一種是 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體）為代表的固體成像器件。典型光電成像跟蹤系統(tǒng)主要由以下幾個設(shè)備組成，每個設(shè)備有若干單元，見圖 ：6光 電 成 像 跟 蹤 系 統(tǒng)轉(zhuǎn)臺跟蹤設(shè)備轉(zhuǎn)臺控制設(shè)備目標(biāo)探測設(shè)備（紅外/電視/CCD ）垂直軸系單元水平軸系單元測角單元信號處理單元功率電源單元信號采集單元功率驅(qū)動單元數(shù)字控制單元圖 光電成像跟蹤系統(tǒng)組成框圖 目標(biāo)探測設(shè)備目標(biāo)探測設(shè)備是光電成像跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分，其任務(wù)是對目標(biāo)進(jìn)行光電探測，監(jiān)視和記錄。 光電成像跟蹤系統(tǒng)組成作為一個自成體系的測量跟蹤系統(tǒng)，光電成像跟蹤系統(tǒng)應(yīng)能探測并跟蹤近距離運(yùn)動目標(biāo)（如：低空或超低空飛行的無人偵察機(jī)、巡航導(dǎo)彈、高速戰(zhàn)斗機(jī)、武裝直升機(jī)等） ，提供有效的作戰(zhàn)信息——目標(biāo)方位角度、目標(biāo)俯仰角度和目標(biāo)斜徑(距離)等，此外還要提供當(dāng)前角跟蹤誤差，目標(biāo)方位、俯仰角速度等輔助信息以提高實(shí)時(shí)跟蹤精度。 光電成像跟蹤系統(tǒng)工作原理光電成像跟蹤系統(tǒng)通常是由探測系統(tǒng)及伺服機(jī)構(gòu)聯(lián)合組成的。最后總結(jié)本論文的主要工作，提出對本系統(tǒng)的改進(jìn)方案，同時(shí)對整個光電成像跟蹤系統(tǒng)做出展望。本章首先介紹了 DSP 的軟件開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer studio)的整體特點(diǎn)以及 CCS 內(nèi)所集成的開發(fā)工具。本章重點(diǎn)分析了基于 DSP 的轉(zhuǎn)臺變速控制算法及其實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對系統(tǒng)初始化程序、DSP 與上位 PC 機(jī)串口通信子程序、脈沖輸出子程4序、光電編碼器測角信號處理子程序、上位機(jī)人機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)等做了詳細(xì)闡述。之后對基于 DSP 的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的功能和轉(zhuǎn)臺驅(qū)動元件——步進(jìn)電機(jī)的工作原理、特點(diǎn)、及其運(yùn)動控制方法做了具體的分析。第三章給出整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案。首先論述了光電成像跟蹤系統(tǒng)的工作原理，介紹光電成像跟蹤系統(tǒng)組成，并詳細(xì)分析了各組成部分的功能，在分析論述各組成部分功能的基礎(chǔ)上確定本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。 論文結(jié)構(gòu)安排第一章介紹了本文研究的背景、意義、目前該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與發(fā)展以及成像跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)成，最后說明了本文的主要工作和論文的總體安排。（4）結(jié)合 DSP 的 C 語言開發(fā)環(huán)境特點(diǎn)，采用 C 語言和匯編語言混合編程的方法完成對二維轉(zhuǎn)臺的實(shí)時(shí)控制，使得整個系統(tǒng)調(diào)試相當(dāng)方便。（3）在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有 CCD 攝像機(jī)和圖像采集卡的基礎(chǔ)上，視頻圖像采集與處理由上位 PC 機(jī)進(jìn)行，針對本系統(tǒng)所采集圖像的特點(diǎn)，在環(huán)境條件改變較小的情況下(如室內(nèi))，可以采用簡單的當(dāng)前圖像與背景圖像相減或連續(xù)的幀間相減的方法來檢測出被跟蹤目標(biāo)。（2）本文光電成像跟蹤系統(tǒng)采用上位 PC 機(jī)和基于 DSP 的下位機(jī)兩級式系統(tǒng) 【4】 。3 論文主要研究內(nèi)容本文的主要工作如下：（1）本文采用 DSP 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、PC 機(jī)、CCD 攝像頭、圖像采集卡、二維精密電控旋轉(zhuǎn)臺、兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 MA335B、絕對式光電編碼器、RS232 無源轉(zhuǎn)換器、光電耦合器等硬件，構(gòu)建基于 DSP 的光電成像跟蹤系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺。 因 此 ，研 究 提 高 光 電 跟 蹤 精 度 的 控 制 方 法 是 有 重 要 價(jià) 值 的 。 而 且 計(jì) 算 機(jī) 的 離 線 應(yīng) 用 ， 實(shí) 現(xiàn) 了 對 控 制 系 統(tǒng)的 分 析 、 設(shè) 計(jì) 和 建 模 等 的 數(shù) 字 仿 真 ， 縮 短 了 設(shè) 計(jì) 周 期 ， 提 高 了 設(shè) 計(jì) 質(zhì) 量 ， 減 小 了 研 制風(fēng) 險(xiǎn) 。 這 些 新 型 的 控 制方 法 包 括 廣 義 預(yù) 測 控 制 (GPC)、 復(fù) 合 控 制 、 共 軸 跟 蹤 、 智 能 控 制 、 模 糊 控 制 、 多 模 控制 、 自 適 應(yīng) 控 制 、 變 結(jié) 構(gòu) 控 制 、 魯 棒 控 制 、 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 控 制 以 及 它 們 之 間 相 互 滲 透 形 成的 混 合 控 制 。近幾年來，我國的成像跟蹤技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，與國外的差距正在逐步縮小，有些設(shè)備的先進(jìn)性也可同國外同步，相信國內(nèi)和國外的差距會進(jìn)一步縮小，尤其在可見光成像跟蹤的應(yīng)用方面更可以獨(dú)樹一幟。成像跟蹤是國內(nèi)外研究的熱門課題，國內(nèi)的國防科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所、華中理工大學(xué)圖像識別與人工智能研究所等，也都在成像跟蹤領(lǐng)域做了大量的工作，例如在目標(biāo)與背景紅外圖像特征處理研究中，創(chuàng)造性地提出了算法融合的思想，提出了基于背景預(yù)測的弱小目標(biāo)檢測算法，在線多目標(biāo)處理技術(shù)及分段控制隨動系統(tǒng)策略等。70 年代初期，自適應(yīng)跟蹤、智能跟蹤的思想方法相繼提出。進(jìn)入 70 年代以來，隨著相關(guān)2理論與技術(shù)的不斷發(fā)展，成像跟蹤技術(shù)無論從理論研究、還是從應(yīng)用研究上都取得了巨大的進(jìn)展。早在 50 年代初期，GAC 公司就為美國海軍開發(fā)研制了自動的識別跟蹤系統(tǒng)(ATRAN)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展, 光電跟蹤技術(shù)無論是在軍事領(lǐng)域還是在工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域都開始有了更加廣泛的應(yīng)用。 課題研究意義光電成像跟蹤系統(tǒng)是集光學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理、控制技術(shù)等多學(xué)科為一體的現(xiàn)代高精跟蹤系統(tǒng) [2] 。 課題研究目的本 課 題 來 源 于 實(shí) 驗(yàn) 室 學(xué) 科 建 設(shè) 項(xiàng) 目 ， 旨 在 研 制 一 套 光 電 成 像 跟 蹤 系 統(tǒng) ， 該 系 統(tǒng) 能在 實(shí) 驗(yàn) 室 條 件 下 實(shí) 現(xiàn) 對 動 目 標(biāo) 的 實(shí) 時(shí) 跟 蹤 。隨 著 光 電 編 碼 技 術(shù) 、 電 視 攝 像 技 術(shù) 、 熱 成 像 技 術(shù) 、 紅 外 技 術(shù) 、 數(shù) 字 圖 像 處 理 技 術(shù)的 不 斷 進(jìn) 步 ， 光 電 成 像 跟 蹤 技 術(shù) 自 二 十 世 紀(jì) 六 十 年 代 以 來 , 得 到 了 極 大 的 發(fā) 展