基于工业以太网ethercat之目标跟踪平台的研究与实现

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1、基于工业以太网EtherCAT之目标跟踪平台的研究与实现第一章绪论1.1课题研究背景及意义视觉目标跟踪是当前计算机视觉的研究热点之一，该技术可广泛应用于视觉伺服、辅助驾驶、视频监控、动作识别、人机交互等领域中[1]。目前已提出的许多目标跟踪算法在一定范围内取得了很好的效果，但仍存在很多问题有待解决[2]。比如在被跟踪目标背景、形态、大小以及所处环境的光照条件等发生剧烈变化时对目标进行可靠跟踪是非常大的挑战，此外怎样快速跟踪到目标则是另一大挑战。事实上，这两大挑战是一对矛盾，往往难以同时满足，需要相互妥协以

2、获得较好的综合性能[3]。巨大的挑战与广阔的应用前景，使得视觉目标跟踪这一学科方向吸引着世界上众多专家、学者投身其中。不同知识背景和研究领域的人员加入研究使得不断有新的方法、理论引入到这一领域。如物理学、热力学、神经网络、信号处理方面的新方法和理论被引入[3]，促使着视觉目标跟踪这一学科方向不断发展，不断与其他学科方向融合。由于视觉目标跟踪这一学科方向的前沿性与挑战性，对于研究人员的知识水平提出了较高的要求。目前科研人员主导着目标跟踪的研究，而工程师作为辅助角色参与目标跟踪应用的开发。下面对各个领域内基于

3、目标跟踪技术的现有应用作介绍。在视觉伺服领域：瑞士ABB公司研发了一款并联分拣机器人，如图1-1（a）所示，该机器人通过图像技术识别和跟踪目标，进而实现对目标的抓取。日本本田公司开发的阿西莫仿人机器人，如图1-1（b）所示，该机器人通过视觉传感器连续拍摄图像，再通过轮廓特征识别人类及辨别来着身份。1.2国内外研究现状工业以太网（IndustrialEther）是指相关组件经工业防护等级升级改造后而应用在工业环境的工控系统中的标准以太网。早在20世纪80年代，就已经提出工业以太网的概念[7,8]。但是存在以

4、下问题：首先，由于以太网自身的传输媒介访问控制方式造成网络传输的不确定性，导致数据通信的时延，而实时性差在某些工业场合是不可接受的；其次，以太网相关组件不适应工业现场的严酷环境，导致以太网难以抵抗干扰；第三，以太网线缆无法给工业现场设备供电。以上三点使得客户拒绝在工业环境使用以太网，而是采用可靠性高的工业现场总线（Fieldbus）[9,10]。20世纪80年代以来，大批工业企业或国家推出了各自的现场总线标准。如西门子公司和三菱公司分别推出了Profibus和CC-Link；英国和挪威分别推出了ERA和F

5、INT。一方面由于不同的工业现场总线通信协议之间存在较大差异，因此支持不同现场总线的工业产品之间无法互连，造成资源浪费。各种不同现场总线背后的利益之争、国家角力，导致现场总线出现混乱的局面，一直无法推出统一的国际标准[11]。另一方面现场总线的底层信息势必要与企业最上层的通用局域网相连，且被传输的信息需求也越来越丰富，可以是大数据量、图像、声音甚至视频流。而现场总线自身的设计限制使得总线带宽面对越来越丰富的信息变得捉襟见肘，如Profibus-PA的传输速率只有31.125kbps，基金会总线FF-H2的

6、最高传输速率为2.5Mbps[9,10]。可见，工业控制对总线的标准统一性和带宽需求越来越高。而以太网有着非常高的数据传输速率，100M以太网技术已经非常成熟，1G/10G以太网技术也已可行，因此工业控制领域采用工业以太网成为大势所趋。.第二章基于工业以太网EtherCAT的目标跟踪平台总体方案设计2.1目标跟踪平台总体方案设计本文设计的基于工业以太网EtherCAT的目标跟踪平台主要包括两大部分：EtherCAT通信主站和底层的伺服运动控制系统。其中EtherCAT主站负责目标跟踪算法的实时运算处理和E

7、therCAT数据帧的处理，底层的运动控制系统实现EtherCAT命令数据处理与伺服运动控制。目标跟踪平台硬件总体框架如图2-1所示，可以看出本平台是个全闭环运动控制系统，最外环是图像控制环：固定在二维运动平台上的摄像头获取目标的实时图像信息并反馈给EtherCAT主站，EtherCAT主站处理图像信息获得目标的位置信息并将结果发送至伺服运动控制系统；伺服运动控制系统通过对目标位置信息的运算转换为伺服命令，控制二维运动平台，进而带动摄像头，使得目标中心点始终位于摄像头拍摄图像的中心点。在基于工业以太网Et

8、herCAT目标跟踪平台总体框架的基础上，通过EtherCAT主站和伺服运动控制系统两大部分程序的开发，实现目标跟踪平台的功能。其中EtherCAT主站程序运行在带标准以太网卡的PC机上，伺服控制程序运行在DSP多轴运动控制卡上。2.2工业以太网EtherCAT研究大部分以太网解决方案存在系统限制：从站设备只能获取从以太网数据包中解析出来的过程数据。这个过程繁琐复杂，而德国倍福公司提出的工业以太网EtherCAT技术在实现时通