摄像头目标跟踪系统设计报告

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1、摄像头目标跟踪系统设计与总结报告华南理工大学机械与汽车工程学院2014级（庆不凡队）陈伟陈汉伟廖庆锋【摘要】实现一种目标跟踪系统，由上位机程序及下位机程序和机械部分组成。上位机分为Windows平台和Android平台。Windows上位机采用C++,使用QtSDK和OpenCV,可以应用多种算法对目标进行跟踪oAndroid上位机采用Java语言，使用安卓平台的OpenCV进行图像处理。下位机平台为Stm32最小系统板。最终，我们实现了比赛所有基本要求和若干拓展功能。在本次智能控制大赛中，我们设计了一个摄像头目标跟踪系统。本系统采用一片STM32

2、F103RCT6最小系统板作为下位机控制器，并分别设计了Windows平台和Android平台的上位机软件。当使用Windows平台的上位机时，上位机与下位机的通讯采用usb虚拟串口进行，当使用Android平台的上位机时，上位机和下位机的通讯则利用蓝牙4.0。上位机利用一个UVC摄像头进行图像采集，采集到的图像通过USB进行传输，再用OpenCV图像处理库对采集到的视频进行分析处理。上位机可以发出信息指示下位机对最终，我们的目标跟踪系统可以实现以下功能，并满足大赛提出的基本要求：*对指定的任意目标利用跟踪算法进行跟踪,能在屏幕上标岀目标的所在位置

3、；*控制两个伺服电机转动，使摄像头始终对准被跟踪物体；*提供良好的人机操作界面，实现图像的时事展示和参数控制除此之外，我们还实现了以下拓展功能：*跟踪物体与跟踪背景的任意化；*上位机搭载多种算法，并易于编程扩展；*可以用小车搭载移动安卓设备，实现摄像头的移动跟踪；*利用SFM算法，在单摄像头的情况下实现目标的三维重建下面，我们详细介绍本系统的具体实现细节。Stm32Fl03rct6最小系统板本系统采用STM32F103RCT6作为控制芯片。STM32系列基于转为要求高性能，低成本，低功耗的嵌入式应用设计的ARMCotex-M3内核。芯片型号屮的F1

4、03代表此芯片为增强型,R代表其一共有64个引脚，C代表有256K内嵌Flash容量,T代表LQFP封装，6代表其工作温度必须在・40到85摄氏度之间。通信方法・虚拟串口模块我们采用的STM32最小系统板带有USB通讯功能。一般情况下，上位机与下位机之间的通信采用串口通信形式。早期的计算机一般带有RS232等形式的针式串口，如今这种串口已经在笔记本电脑上淘汰了。USB虽然也是串口的一种，但是由于标准不同，要想用USB连接笔记本型计算机与最小系统板,往往需要USB转串口线。为了减少系统的接线，使硕件电路更加简洁美观，我们采用USB虚拟串口的设计。一方

5、面在STM32芯片中烧入相应的对应的程序，另一方面在计算机上安装虚拟串口驱动，那么使用USB连接最小系统板与计算机时，系统板就会被识别为串口设备，可以如同其它串口设备一样正常操作。•蓝牙串口模块当采用安卓设备作为上位机平台时，安卓设备往往没有虚拟串口所需的驱动，因此我们决定使用蓝牙串口模块提供STM32与安卓设备之间的通信。我们使用的蓝牙串口模块型号为CC2541.该型号的蓝牙串口模块采用蓝牙4.0协议进行通信，利用安卓本身提供的接口可以很容易的实现与蓝牙模块的通信。机械控制方法•摄像头转动支架的设计及控制本系统采用两个伺服电机实现摄像头的转动，一

6、个伺服电机控制水平方向的转动，另一个电机控制竖直方向上的转动。我们从PID控制的角度来看摄像头的转动控制。首先PID屮的P所代表的是比例控制，是必不可少的一环。举例来说明比例控制的作用。以图像中心为原点：当算法计算得到冃标物体的方向坐标为(x,0)的时候，那么可以控制摄像头往(kx,0)处转动，其屮，k即为比例控制中的比例系数。一般取k为一个小于1的数，由于PID控制是循环不断进行的，那么尽管每次摄像头的转动都达不到日标位置，但经过多次控制以后，摄像头指向必定收敛于目标方向。k越接近于1,那么收敛过程就越快实现，但是如果太大，那么控制系统很容易发生

7、振荡现象。我们讨论k恰好为1的极限情况，看似这种情况下摄像头会立即到达指定的目标位置，但考虑到惯性,误差，还有物体的运动，很有可能发生摄像头的运动超过的情况。一旦摄像头超过，就必须往冋运动对误差进行补偿，这就是振荡产生的原因。再假设k十分小，比如为0.01,那么当x为7时，kx为0.07.实际上普通的伺服电机根木无法转动这么小的角度。过小的k会使系统迟钝，并且可能减小系统的精度。在本系统中，我们収k为十到补之间吋,410都可以达到良好的控制效果。图I一个典型的S函数图1一个典型的S函数展示了一-种表达式为y=2/(l+exp(-x))-l的S形函数

8、。在此,我们不拘泥与采用传统的比例控制方法，而用S函数对比例控制进行优化。从图1所示的函数图形可以看出，S函数有上限1和下