??? 摘 要：采用圖像識別以及目標快速跟蹤算法，實現對飛行中火箭的實時跟蹤，使用高性能MSP430、CPLD芯片實現傳統的只有通過多單片機才能實現云臺" title="云臺">云臺在水平垂直方向的同時獨立運動" title="獨立運動">獨立運動，消除了多單片機通信過程的時間消耗所造成的步進電機" title="步進電機">步進電機控制失效因素，解決了單片CPLD實現內部資源短缺的問題，并結合實際實現系統整體機械結構，提高了火箭目標跟蹤的快速性、安全性和精確性。
??? 關鍵詞: 火箭? MSP430? CPLD? 云臺
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??? 從火箭發射到起飛后的一段時間內，由于受地形等因素的影響，外測系統（雷達、光學等設備）常常難以正常跟蹤火箭。尤其在發射失敗時，外測系統很難捕獲到目標，致使指揮人員無法得到火箭飛行數據，并作出正確的判斷和指揮[1]。這樣在火箭起飛的初始階段，采用攝像機的自動跟蹤就顯得非常重要。但目前的方式仍是操作人員手動控制攝像機進行跟蹤，其安全性和可靠性都存在較大的問題。同時，也無法實現幾臺攝像機在多角度多方位進行跟蹤。
??? 隨著微電子技術與工藝的發展，高性能單片機不斷推陳出新，可編程邏輯器件也取得了長足發展[2]。高速運行并更好地實現硬件控制算法，縮小通信時耗，提高快速性，這在目標跟蹤系統中實現目標跟蹤的安全性與精確性是非常重要的。
1 目標跟蹤系統的整體設計
??? 系統由攝像機、圖像監視系統、圖像處理模塊" title="處理模塊">處理模塊、MSP430+CPLD控制系統" title="控制系統">控制系統和機械系統組成。其中，圖像處理模塊、MSP430+CPLD控制系統實現和系統機械結構設計是本系統的關鍵部分。系統框架如圖1所示。
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??? 火箭圖像數據經過攝像機采集后，送圖像處理模塊進行處理，產生目標偏差信號，偏差信號經控制驅動電路產生控制信號，控制機械系統帶動云臺上的攝像機運動將目標回到視野，使火箭目標圖像始終保持在監視顯示區域的中心位置附近，從而實現火箭連續視頻運動圖像的跟蹤。若控制器脫離控制范圍可通過人工方式進行控制。
2 運動火箭圖像處理模塊
??? 火箭的圖像處理在PC機中完成。系統采用幀差算法與模板匹配算法相結合的方法實現目標火箭的檢測與鎖定，在跟蹤目標背景簡單的情況下使用幀差方法，在背景復雜的情況下使用模板匹配方法，并在目標跟蹤失效時，使用卡爾曼濾波器對目標位置進行預測。
2.1 數字化圖像預處理
??? 攝像機拍攝到的火箭圖像要經過采樣量化得到數字化圖像，然后對灰度圖像進行降噪，消除圖像在輸入、傳送、處理過程中形成的干擾噪聲和假輪廓，形成具體算法的輸入圖像。
??? 圖像的灰度化和中值濾波可以很好地進行降噪和保護圖像所蘊含的豐富信息[1]。
2.2 運動火箭目標檢測與跟蹤
??? 要在視頻流中提取目標，一般要依據目標前景所處的背景環境確定目標所在的區域和顏色等特征。可以使用當前監視環境中的一幅靜態圖像作為“靜態”前景目標，然后利用背景圖像與當前幀圖像的差進行運動火箭目標的檢測，即采用“靜態”背景幀差方法[3-4]。不過此種幀差算法一般只適用于背景單一、所受干擾較小的環境。
??? 在火箭發射開始時，由于日光、火箭噴發的氣體、火花以及發射架影響使得背景復雜，使用幀差分算法很難把背景與目標分離開來。這時，模板匹配算法可以較好地實現目標的識別功能[5-6]。在實現過程中，通過灰度直方圖來判斷當前背景的復雜程度，進而確定采用幀差算法還是模板匹配算法。
??? 當火箭開始升空，目標背景變得單一，外界干擾也小，系統通過灰度直方圖判斷背景為簡單，同時火箭飛行速度也開始加快，正好適用幀差算法，從而代替計算量大的模板匹配的方法。
??? 當火箭上升到一定高度，火箭速度加快和受到外界云層的遮擋，可能導致跟蹤目標失效，此時利用卡爾曼濾波器的遞推估計能力對火箭目標在下一時刻可能處于的區域進行預測，以縮小搜索的目標范圍，從而保證目標跟蹤的準確性[4，7]。實踐中，此法滿足了跟蹤的實時性，同時具有很好的魯棒性，解決了圖像受污染或者遮擋導致無法識別的問題。
3 MSP430+CPLD控制系統設計
3.1 控制方案優點
??? 系統控制方案：使用MSP430處理器作為主控芯片，負責與PC機進行通信并實現對CPLD的控制。利用CPLD內部進程并發執行特性實現多路驅動脈沖的產生，從而實現云臺水平和垂直方向同時不相關獨立運動。該控制方案，一方面消除了通過多片單片機進行多機通信才能實現過程中的通信時間消耗帶來的步進電機失步的因素，另一方面解決了通過單片CPLD芯片實現過程中與PC機通信及實現控制消耗過多內部資源且不易實現控制、導致沒有足夠資源實現多路驅動脈沖產生的問題。
3.2 控制方案實現
??? 在PC機上完成圖像數據的處理后，PC機就要與控制系統進行交互，發送偏差控制數據。通過MAX1487實現MSP430與PC機之間的串行RS485通信[5]，然后MSP430根據接收到的控制信息，控制CPLD芯片實現步進電機控制。控制系統流程如圖2所示。
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??? MSP430接收到偏差控制信息，經過校驗無誤后，根據信息控制CPLD產生具體的驅動控制信號。系統要完成云臺攝像機水平和垂直方面的獨立運動。其中控制信息格式如圖3所示。
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??? 此信息格式分為兩部分：步進電機1＃與步進電機2＃，分別用于控制云臺系統兩臺步進電機，達到兩電機同時不相關地獨立運動。
??? 另外加入了人為控制機制，以便及時處理跟蹤中的異常情況，同時也方便調試。
3.3 步進電機定位控制
??? CPLD根據MSP430的控制信號（包括方向控制信號和移動定位控制信息），產生所需脈沖的數量和脈沖的頻率。脈沖的數量用于控制步進電機運行步數，即攝像頭的位置偏差，而脈沖的頻率則用于實現跟蹤圖像的速度選擇。
??? 在軟件上，CPLD基于VHDL語言編程，程序中可以實現不同進程并發執行。由此可知，只需要編寫多路能夠實現單個步進電機轉向與移動定位的控制進程，便可實現云臺的多角度獨立控制[8]。單路進程定位控制如圖4所示。
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4 系統機械結構性能分析與實現
??? 系統結構框架主要由底座、攝像機固定架、機械架構、減速機構以及限位控制機構等部分組成。
4.1 減速機減速比的計算
??? 攝攝像機固定架如圖5所示。假定像機質量為m，重心在M，Cg的距離為r=(h2+l2)1/2，則轉過a角后的力矩為：
M=Grsina=mg(h2+l2)1/2sina，所以力矩最大值Mmax為mg(h2+l2)1/2，如果m=40kg，g=9.8m/s2，h=0.2m，l=0.4m，Mmax=179牛米，則變速比為179/2.4＝79(實際中取80)。
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4.2 物像跟蹤能力計算
??? 目標鎖定圖如圖6所示。假定計算機計算誤差的速度為t0秒/次；圖像鎖定范圍RL為RLW×RLH像素；圖像模板計算范圍RC為RCW×RCH像素。只討論垂直方向的跟蹤能力。
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??? 對于一個高為H的物體O，如要能跟蹤且便于觀察，則其最佳位置如圖6所示。若物體被鎖定，且被跟蹤。物體在計算誤差的速度容許的前提下，物體始終處于如圖6所示位置，則系統能夠滿足“物體被鎖定，且被跟蹤”的要求,即有如下條件成立：
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??? 對于云臺而言，由圖7可知，其垂直方向旋轉角速度ω0應滿足如下條件:
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??? 要注意,攝像機的運動范圍一般都是已知的，由此一般要在云臺中加入限位控制裝置。
??? 本文結合火箭飛行過程中目標識別跟蹤算法，并通過MSP430+CPLD控制步進電機實現了云臺控制系統和連續視頻運動圖像中火箭目標的實時跟蹤，并取得了良好的效果。
參考文獻
[1] ?劉宇. 視覺跟蹤伺服系統在火箭發射測控中的應用.重慶:重慶大學出版社, 2005.
[2] ?王成, 薛小剛, 鐘信潮. FPGA/CPLD設計工具-Xilinx ISE使用詳解.北京：人民郵電出版社, 2005.
[3] ?王強, 韓軍功.一種圖像序列中運動前景分割法.計算機工程,2003,29(19)：48-49.
[4] ?崔玉文,黃飛泉等.運動目標的快速檢測與跟蹤算法的研究.齊齊哈爾大學學報,2006,22(4)：23-25.
[5] ?應陳克,胡文江. 復雜背景下目標模板更新算法研究.遙感測控.2006，27(10)：34-39.
[6] ?吳益飛,李勝. 基于MSP430 單片機的云臺控制系統設計與實現. 微計算機信息,2006,22(7-2):90-93.
[7] ?王俊風,雷斌.卡爾曼預測在自動跟蹤云臺中應用.國外電子測量技術，2006,25(10)：53-55.
[8] ?王強，趙宇. CPLD在步進電機控制系統中的應用.電子測量技術, 2006,29(6):118-120.