專利名稱：基于反饋神經(jīng)積分器的類人眼異向運(yùn)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于反饋神經(jīng)積分器的類人眼異向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在監(jiān)測監(jiān)控，視覺測距定位等系統(tǒng)中，需要獲得實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的三維深度信息，眾所周知， 為了準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的獲得三維深度信息，需要保證被測目標(biāo)始終處于兩個(gè)攝像機(jī)的公共視場當(dāng)中， 然而，對(duì)于一些需要將攝像機(jī)安裝到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的情況，傳統(tǒng)的雙攝像頭監(jiān)控測距系統(tǒng)存在盲 區(qū)，不能使目標(biāo)區(qū)域始終在公共視場內(nèi)，如圖2所示?，F(xiàn)有的對(duì)于兩個(gè)攝像機(jī)處于移動(dòng)平臺(tái) 上的測距系統(tǒng)一般是圖像處理的方法，來獲得深度信息，這種方法也稱為幀內(nèi)穩(wěn)像，用維納 濾波或逆濾波等方法復(fù)原線運(yùn)動(dòng)形成的模糊圖像，但這種方法所能復(fù)原的程度是極其有限的， 處理速度很慢，無法滿足實(shí)時(shí)性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，提供一種基于反饋神經(jīng)積分器的類人 眼異向運(yùn)動(dòng)控制方法，根據(jù)兩個(gè)攝像機(jī)所在的移動(dòng)平臺(tái)與被測目標(biāo)的位置變化，分別對(duì)運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)上兩個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，消除盲區(qū)，使被測目標(biāo)的區(qū)域始終處于這兩個(gè)攝像頭的公 共視場當(dāng)中，從而獲得實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的三維深度信息。圖3是我們發(fā)明的這種方法的效果示意圖。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是人眼的異向運(yùn)動(dòng)是人眼同時(shí)注視空間內(nèi)不同距離目 標(biāo)時(shí)，雙眼同時(shí)、等量、等速度地向相反方向運(yùn)動(dòng)，使被注視的目標(biāo)處于兩眼的公共視場當(dāng)
中。圖4所示的是根據(jù)解剖學(xué)和生理神經(jīng)學(xué)建立的仿生眼雙目異向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 該模型己被生理學(xué)試驗(yàn)證實(shí)。圖5是圖4的簡化圖。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的兩個(gè)攝像機(jī)，分別表示人 的人的兩個(gè)眼睛，通過仿生眼異向運(yùn)動(dòng)的控制算法調(diào)節(jié)這兩個(gè)攝像機(jī)，從而使被測目標(biāo)的區(qū) 域處于兩個(gè)攝像機(jī)的公共視場當(dāng)中。
根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明采用以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)-
一種基于反饋神經(jīng)積分器的類人眼異向運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于基于反饋神經(jīng)積分器， 精確實(shí)現(xiàn)人類眼球的異向運(yùn)動(dòng)，控制操作步驟如下
1) 傳感器測量測量攝機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與被測目標(biāo)位置參數(shù)的連續(xù)模擬量；
2) A/D轉(zhuǎn)換對(duì)傳感器得到的連續(xù)模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量采樣信號(hào)；
3) 數(shù)字濾波對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑加工，增強(qiáng)有效信號(hào)，消除或減少噪聲；
4) 標(biāo)度轉(zhuǎn)換進(jìn)行傳感器的標(biāo)定，得到與傳感器輸出值相對(duì)應(yīng)的輸入值即運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn) 動(dòng)參數(shù)值，同時(shí)將步驟1)測量的結(jié)果計(jì)算轉(zhuǎn)化為攝像機(jī)I和II光軸與被測目標(biāo)的夾角(為了便于控制，設(shè)攝像機(jī)i和n與被測目標(biāo)的夾角分別為正值和負(fù)值)；
5) 系統(tǒng)控制運(yùn)算獲得的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)值通過單片機(jī)的控制算法，得到攝像機(jī)云臺(tái) 補(bǔ)償載體快速運(yùn)動(dòng)所需要旋轉(zhuǎn)的速度和方向。
6) 控制雙攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)將得到的攝像機(jī)云臺(tái)補(bǔ)償載體快速運(yùn)動(dòng)所需旋轉(zhuǎn)的角度和速度， 發(fā)送給攝像機(jī)云臺(tái)電機(jī)，控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
上述的控制算法采用了人眼的視動(dòng)反射的數(shù)學(xué)模型，如附圖4和圖5所示
圖中，模型的輸入量7;(力和7;(力分別是被測目標(biāo)與攝像機(jī)I和II的光軸的位置夾角，
模型的輸出量￡,0)和￡ 。
圖中眼球運(yùn)動(dòng)裝置的傳遞函數(shù)尸^)為
(l)
^代表眼球運(yùn)動(dòng)裝置的時(shí)間常數(shù)，5=Q'28S; ^代表眼球運(yùn)動(dòng)裝置的增益，
圖中反饋神經(jīng)積分器中的傳遞函數(shù)為
(2)
^代表眼球運(yùn)動(dòng)裝置的時(shí)間常數(shù)，T/Z"28、 ~代表神經(jīng)積分器的增益~=1 圖5中的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可表示為等式(3)和等式(4):
7>r/ +[(i+^)rp+7^+1+^:, p
+ 7>r/ +[(1+巧X,)7; + 7>+1+&
(3)
糊
7/ +[(1+琳,)7; +7}}$+1+琳/ 7/ +[(1+^)7; +7}>+1+難/
(4)
其中；k ， // ， v ， 義，a:，
7， "， g,， g ， A， A， ^， r2， 5，代表眼球神經(jīng)回路中相應(yīng)常數(shù)增益，t;代表眼球
運(yùn)動(dòng)裝置的時(shí)間常數(shù)，7V代表反饋神經(jīng)積分器的時(shí)間常數(shù)。為了簡化建模，
p二g,A + gJ!+^A^ ，盡=&戍+《^2+^~3 。根據(jù)生理學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)"0.3，// = 0.25，/ = 7.5， <t = 5， v = 1, ;i = 8 , *: = 0.1, 7 = 5, 5 = 0.25。
根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，編好單片機(jī)的程序，即可計(jì)算出所需的控制量，發(fā)送給攝像機(jī)云臺(tái) 的電機(jī)，控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上雙 攝像機(jī)可以根據(jù)仿生眼異向運(yùn)動(dòng)原理，根據(jù)目標(biāo)的位置移動(dòng)，像人類眼球一樣，兩攝像機(jī)自 主實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)，從而使被測目區(qū)域處于兩攝像機(jī)的公共視場當(dāng)中，獲得三維深度信息。單片 機(jī)只要接受傳感器數(shù)據(jù)將自動(dòng)按照編好的程序進(jìn)行簡單運(yùn)算，就可以控制攝像機(jī)云臺(tái)的電機(jī) 以一定的命令按相應(yīng)的方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償平臺(tái)自身的運(yùn)動(dòng)，消除盲區(qū)現(xiàn)象。


圖1利用本發(fā)明方法的控制操作流程圖； 圖2傳統(tǒng)雙攝像機(jī)獲得深度信息的示意圖； 圖3基于異向運(yùn)動(dòng)原理的雙攝像機(jī)獲得深度信息的示意圖； 圖4基于反饋神經(jīng)積分器的仿生眼異向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)圖； 圖5仿生眼異向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)簡圖； 圖6實(shí)例的系統(tǒng)示意圖； 圖7實(shí)例的系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例如下詳述參見圖5，本基于仿生眼異向運(yùn)動(dòng)原理的運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 上雙攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)減小盲區(qū)的方法，基于人類眼球異向運(yùn)動(dòng)的原理，當(dāng)裝載有雙攝像機(jī)的 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生位置變化時(shí)，控制該雙攝像機(jī)的角度和方向，使目標(biāo)區(qū)域始終處于 兩個(gè)攝像機(jī)的公共視場，從而獲得目標(biāo)區(qū)域的三維深度信息。其控制操作步驟如下
1) 傳感器測量測量攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與被測目標(biāo)位置參數(shù)；
2) A/D轉(zhuǎn)換對(duì)傳感器得到的連續(xù)模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量；
3) 數(shù)字濾波對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑加工，增強(qiáng)有效信號(hào)，消除或減少噪聲；
4) 標(biāo)度轉(zhuǎn)換進(jìn)行傳感器的標(biāo)定，得到與傳感器輸出值相對(duì)應(yīng)的輸入值，即運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的 運(yùn)動(dòng)參數(shù)值，同時(shí)將l)部測量的結(jié)果計(jì)算轉(zhuǎn)化為兩個(gè)攝像機(jī)的光軸與被測目標(biāo)的夾角；
5) 系統(tǒng)控制運(yùn)算獲得的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)值通過單片機(jī)的控制算法，得到攝像機(jī)云臺(tái) 補(bǔ)償載體快速運(yùn)動(dòng)所需旋轉(zhuǎn)的速度和方向。
6) 控制攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)將得到的攝像機(jī)云臺(tái)補(bǔ)償載體快速運(yùn)動(dòng)所需旋轉(zhuǎn)的速度和方向，發(fā) 送給攝像機(jī)云臺(tái)的電機(jī)，控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
5參見圖6和圖7，本基于仿生眼異向運(yùn)動(dòng)原理的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上雙攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)減小盲區(qū) 的方法，用于小型無人旋翼機(jī)的野外定點(diǎn)著陸系統(tǒng)，系統(tǒng)包括地面控制系統(tǒng)1和機(jī)載控制系 統(tǒng)2和小型無人旋翼機(jī)3。機(jī)載系統(tǒng)2包括飛行控制系統(tǒng)單元15和基于仿生眼的雙攝像機(jī)控 制系統(tǒng)13。飛控傳感器系統(tǒng)(陀螺儀、高度計(jì)、速度計(jì))16采集相應(yīng)的信息，通過A/D輸入 到飛行控制系統(tǒng)。飛控導(dǎo)航系統(tǒng)(電子羅盤和GPS)通過RS-232與飛控系統(tǒng)提供導(dǎo)航信息。 地面手動(dòng)操作可以使用RC觸發(fā)器5與RC接收器發(fā)送操作命令，通過模擬開關(guān)6將命令輸入 飛行控制單元15。飛行控制單元15根據(jù)上述的采集到的信息和命令，對(duì)執(zhí)行單元4 (控制閥、 舵機(jī)和升降機(jī))控制，從而控制無人旋翼機(jī)的姿態(tài)。地面控制中心7通過數(shù)據(jù)鏈8和RS-232 發(fā)送命令并接收飛控系統(tǒng)15的信息反饋。飛控系統(tǒng)單元15與攝像機(jī)控制單元13通過串口通 信。攝像機(jī)控制單元13，根據(jù)圖像處理單元11的信息反饋，結(jié)合仿生眼異向運(yùn)動(dòng)的控制算 法，通過發(fā)送PWM波控制攝像機(jī)I和II，攝像機(jī)將獲得的信息，傳輸?shù)綀D像處理單元ll。圖 像處理單元11通過圖像數(shù)據(jù)鏈9，最終發(fā)送到地面監(jiān)視器11。無人飛行器為上海箭微機(jī)電技 術(shù)有限公司研制的超小型旋翼飛行器，型號(hào)為SUAV-X160。圖像處理單元ll的圖像數(shù)據(jù)采集 卡為加拿大Matrox公司生產(chǎn)，數(shù)據(jù)處理采用美國德州儀器公司的DSP圖像處理套件，型號(hào)為 TMDX320026711。數(shù)據(jù)鏈8采用美國Maxstream生產(chǎn)的XStream XH9-019PKC-R,導(dǎo)航系統(tǒng)17 磁羅盤采用德國生產(chǎn)E-compass-3磁羅盤和GPS采用中國臺(tái)灣的RGM300。傳感器系統(tǒng)16中 速度計(jì)采用SK—W型空速計(jì)，陀螺采用ENC-03J角速率陀螺。飛行控制單元15和攝像機(jī)控制 單元13采用美國德州儀器公司的DSPTMS320F2812， 攝像機(jī)系統(tǒng)采用日本Cannon公司的集 成電機(jī)和攝像機(jī)為一體的二維云臺(tái)VC-C50iR，有方位和俯仰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向；地面系統(tǒng)l中， 地面控制中心7和地面檢測中心11均采用筆記本電腦ThinkPad T61。
本控制方法的控制步驟為
a. 在機(jī)載系統(tǒng)2中將傳感器組16感知無人飛行器的飛行速度信號(hào)傳送至攝像機(jī)圖像13 處理；
b. 根據(jù)傳感器系統(tǒng)16和圖像處理單元的11的信息，雙攝像機(jī)控制單元13，對(duì)攝像機(jī)云 臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制，其中包括數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換和控制運(yùn)算，運(yùn)算后得到攝像機(jī)云臺(tái) 系統(tǒng)12的攝像機(jī)I云臺(tái)電機(jī)和攝像機(jī)II云臺(tái)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和方向。
c. 攝像機(jī)系統(tǒng)12通過串口把采集的視頻傳送給圖像處理單元11;
d. 圖像處理單元11視頻數(shù)據(jù)鏈傳送到地面監(jiān)視器10，供有關(guān)人員觀察；
e. 地面控制中心7通過數(shù)據(jù)鏈接受飛行控制單元15的信息，同時(shí)也發(fā)送對(duì)飛行控制單 元發(fā)送命令，數(shù)據(jù)鏈與飛行控制單元是通過RS-232連接；f.地面監(jiān)控人員可以通過手柄控制RC觸發(fā)器與RC接收器5通過模擬開關(guān)6對(duì)飛行控制
單元15進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 本控制方法用于上述系統(tǒng)中的控制，效果良好，當(dāng)小型無人旋翼機(jī)野外定點(diǎn)著陸時(shí)后， 可以清晰的獲得定位點(diǎn)區(qū)域的信息，甚至可以達(dá)到著陸的零盲區(qū)，從而減少損失。
權(quán)利要求
1、一種基于反饋神經(jīng)積分器的類人眼異向運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于基于反饋神經(jīng)積分器，精確實(shí)現(xiàn)人類眼球的異向運(yùn)動(dòng)，控制操作步驟如下1)傳感器測量測量攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與被測目標(biāo)位置參數(shù)的連續(xù)模擬量；2)A/D轉(zhuǎn)換對(duì)傳感器得到的連續(xù)模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量采樣信號(hào)；3)數(shù)字濾波對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑加工，增強(qiáng)有效信號(hào)，消除或減少噪聲；4)標(biāo)度轉(zhuǎn)換進(jìn)行傳感器的標(biāo)定，得到與傳感器輸出值相對(duì)應(yīng)的輸入值，即運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)值，同時(shí)將步驟1)測量的結(jié)果計(jì)算轉(zhuǎn)化為兩個(gè)攝像機(jī)的光軸與被測目標(biāo)的夾角；5)系統(tǒng)控制運(yùn)算獲得的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)值通過單片機(jī)的控制算法，得到攝像機(jī)云臺(tái)補(bǔ)償載體快速運(yùn)動(dòng)所需旋轉(zhuǎn)的速度和方向；6)控制攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)將得到的攝像機(jī)云臺(tái)補(bǔ)償載體快速運(yùn)動(dòng)所需旋轉(zhuǎn)的速度和方向，發(fā)送給攝像機(jī)云臺(tái)的電機(jī)，控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反饋神經(jīng)積分器的人眼異向運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于所述步驟5)中的控制算法，所采用的算法模型如下算法模型的輸入量7Xs)和7;(s)分別是被測目標(biāo) 與攝像機(jī)I和II的光軸的位置夾角，模型的輸出量分別是五,O)和AO)。<formula>formula see original document page 2</formula>i ， & ， r3,分別代表眼球神經(jīng)元間回路中相應(yīng)常數(shù)增益，7;代表眼球運(yùn)動(dòng)裝置的時(shí)間常數(shù)，i^代表眼球運(yùn)動(dòng)裝置的增益，7>代表反饋神經(jīng)積分器的時(shí)間常數(shù)，i^是代表反饋神經(jīng)積分器的增益；為了簡化建模，P = g,A + M + gm/^3 ， A" = g, A + 口2 + g身3;根據(jù)生理學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)7 = 0.3 ， # = 0.25 , / = 7.5 ， o> = 5 ， 1/ = 1，義=8 , a: = 0.1 , //= 5 , 5 = 0.25. 7} = 01 ， ~=1， r,0.28s， K,l。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于仿生眼異向運(yùn)動(dòng)原理的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上雙攝像機(jī)監(jiān)控方法減小盲區(qū)的方法。該方法是基于人類眼球異向運(yùn)動(dòng)的原理，當(dāng)裝載有攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生相對(duì)位置變化時(shí)，該方法可以分別自主控制調(diào)節(jié)這兩個(gè)攝像機(jī)的角度和方向，使目標(biāo)區(qū)域始終處于兩個(gè)攝像機(jī)的公共視場，從而獲得目標(biāo)區(qū)域的三維深度信息。該方法主要通過傳感器測量運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，攝像機(jī)控制單元對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換和控制運(yùn)算后，得到攝像機(jī)云臺(tái)電機(jī)補(bǔ)償平臺(tái)的移動(dòng)所需要旋轉(zhuǎn)的角度和方向。此控制信號(hào)通過串口驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上攝像機(jī)云臺(tái)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)。因此，采用本方法進(jìn)行簡單運(yùn)算，就可以控制攝像機(jī)云臺(tái)的電機(jī)以一定的速度按相應(yīng)的方向旋轉(zhuǎn)，消除裝載有攝像機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)帶來的盲區(qū)。
文檔編號(hào)G01C3/00GK101567970SQ200910052599
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者峰 山, 張麗薇, 超 李, 李恒宇, 金 童, 均 羅, 謝少榮, 鄭麗麗 申請(qǐng)人:上海大學(xué)