视觉跟踪测距机器人定位仪

论文总字数：27072字

摘 要

首先，阐述了现有视觉跟踪技术的研究状况以及应用以及本课题中视觉跟踪系统的整体方案设计。

其次参考现有监控云台的机械结构，基于SolidWorks进行两自由度跟踪装置的机械结构设计与改装。

然后完成视觉跟踪控制系统的设计与硬件实现：以STM32单片机为控制器，选择步进电机为驱动装置，激光测距仪为瞄准器和距离测量装置，摄像头为目标捕获装置，电机编码器为角度测量装置。系统通过摄像头捕获目标，计算机接收图像并进行处理，识别分割出目标，计算目标的偏移量，通过串口传输给单片机，单片机控制跟踪装置跟踪目标，同时通过电机编码器以及激光测距仪获取目标的距离及跟踪装置的角度信息，从而实现对机器人的定位。

最后实现视觉跟踪测距定位系统的软件实现，包括对捕获图像的处理，控制电机转动，读取激光测距仪的距离信息以及电机编码器的角度信息，PC端与下位机的串口通信，以及基于Windows socket的无线控制指令及无线数据传输。

本次项目最终实现了对特定颜色移动目标的自动跟踪，以及相对跟踪装置对移动目标进行定位，并基于Windows socket编程将数据通过局域网传输给服务器，实现数据的共享，同时完成了基于MFC的控制软件的设计，软件能够在windows平台运行。

关键词：视觉跟踪；图像处理；伺服控制；串口通信；无线数据传输

Robot visual tracking locator

02012103 Jin Shanshan

Supervised by Wang Xingsong

Abstract： With the development of computer vision, visual tracking technology become a hot topic, and more and more widely used in research and production; locating a mobile robot is a key issue to achieve its autonomous navigation and intelligence tasks. The project is completed by visual tracking technology to locate and track mobile robot. In this paper, from the following aspects to research:

Firstly, it tells about the current research and application of the visual tracking technology, and about the overall program design of the visual tracking system.

Second, with the reference of the mechanical structure of the existing monitoring platform, using SOLIDWORKS as a tool to design and transform the visual tracking device carried out two degrees of freedom.

Then, complete designing the visual tracking control system including software and hardware: choosing the STM32 microcontroller as the controller, selecting the stepper motor driven device, using a laser rangefinder as an aiming device and a distance measuring device , making the camera a target acquisition device, and using the motor encoder to measure the rotation angles. In this system, the camera capture images, then computer receives and processes the images, identify the target, calculate the offset of the target, and send the offset to the microcontroller by serial transmission, then the microprocessor controlled tracking device to track the target. At the same time, the laser rangefinder emits a laser to get the distance of the target and the microprocessor can get two angles about the location of the target through the motor encoder, and then position the robot.

Finally, to achieve the software part of the visual tracking Ranging positioning system, including the capture of the image processing , motor controlling, reading the angles about the target position from the motor encoder and the distance of the target from the laser range finder, the serial communication between PC and the microcontroller, and Windows socket-based wireless control command and wireless data transmission.

The project ultimately realizes the automatic tracking of a particular color moving target, positing the target relative the tracking device, and realizes the data transmission and sharing over the LAN through to the server based on Windows socket programming, as well as the completion of software design based on MFC which can run on windows platform.

Key words: Visual tracking ; Image Processing; Servo Control; Serial communication; Wireless data transmission.

目 录

摘要 3

Abstract 4

1、绪论 7

1.1 研究背景与意义 7

1.2 国内外研究现状 7

1.2.1光电跟踪技术的国内外研究现状 7

1.2.2视觉跟踪技术的国内外研究现状 8

1.2.3无线控制及数据传输的研究现状 8

1.3 课题目标及论文组织框架 8

1.3.1课题目标 8

2、跟踪系统的整体方案设计及原理 9

2.1 跟踪系统的组成 9

2.2 跟踪系统的技术参数 9

2.3 跟踪系统的工作原理 9

2.3.1跟踪系统的工作过程及框图 9

2.3.2跟踪系统实现目标定位的原理 10

3、跟踪系统的机械结构设计与实现 12

3.1 概述 12

3.2 传动结构 12

3.2.1旋转（水平）自由度传动的实现 12

3.2.2俯仰（竖直）自由度传动的实现 13

3.2.3基于监控云台的改造方案 13

4、跟踪系统的硬件设计与选择 16

4.1 摄像头的选取 16

4.2 激光测距仪： 17

4.2.1激光仪的选型 17

4.2.2激光测距仪的技术参数及操作 18

4.3 电机及电机驱动器选型： 18

4.3.1 步进电机的选择与校验 19

4.3.2 步进电机驱动器的选择 20

4.4 编码器的选择 21

4.5 控制器的选择 22

5、 跟踪系统的软件实现 24

5.1图像处理程序 24

5.1.1 视觉跟踪原理 24

5.1.2 基于HSV颜色空间的图像二值化处理 24

5.1.3 图像的形态学处理及目标中心的计算 26

5.1.4 图像处理程序流程图 27

5.2基于STM32的下位机程序设计 28

5.2.1 步进电机的控制 28

5.2.2 编码器数据读取 29

5.2.3 与PC端的串口通信 30

5.3 计算机PC端与外设之间的通信 31

5.3.1计算机与摄像头的通信 32

5.3.2计算机与激光测距仪的通信 32

5.3.3 计算机与单片机的通信 32

5.4 跟踪系统对目标定位的实现 32

5.4.1定位目标 32

5.4.2运动轨迹的实时显示 32

6 无线控制指令及数据传输的设计与实现 35

6.1实验数据的本地保存 35

6.2基于Windows socket 的局域网数据传输及无线控制的实现 35

6.2.1 基于Windows socket的客户端/服务器通信 35

6.2.2 无线控制指令及数据传输 35

7 基于MFC的人机交互界面 37

8 总结与展望 38

8.1 总结 38

8.2展望 38

致谢……… ………… ……………………………… ……………… ……… ………… ………39

参考文献……… ………… ………… …… ……… ……………………………………… ……40

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