基于FPGA的船载视频光电跟踪系统设计

发布时间：2017-03-22 03:03

  本文关键词：基于FPGA的船载视频光电跟踪系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：船载视频光电跟踪系统可用于海洋资源环境检测,海洋救援,能够对海面低空机动目标进行搜索、监控和跟踪,也可作为舰载武器系统的辅助设施。它是海洋舰船的必备利器,具有重要的工程应用价值和潜在的经济效益。本文以FPGA为核心处理器,着重突出整个系统的设计过程,完成了基于FPGA的船载视频光电跟踪系统的设计。系统结构设计明确,外围PCB电路少,集成度高,目标识别率好,跟踪系统稳定,具有一定的工程意义。论文首先对FPGA数字系统设计流程做了简要概述,然后根据数字系统设计流程对跟踪系统进行了顶层设计,将系统划分为两大部分:视频图像处理部分和伺服电机控制部分。最后论文在总体设计的框架下,对各个模块进行了理论研究并且最终在FPGA中实现。在视频图像处理方面,论文分析了常见滤波算法的优缺点,采用快速中值滤波算法进行图像滤波处理,实验证明该算法对椒盐噪声具有良好的滤波效果。论文比较了传统的运动目标识别与跟踪算法,重点对模板相关匹配算法原理进行了探究。为了解决模板匹配算法中的搜索过程繁琐,效率低的问题,论文改进搜索策略,设计出了基于RGB颜色特征匹配的质心跟踪算法,并在FPGA中得以实现。算法实现简单,搜索速度快,效率高,并且具有较强抗干扰能力。在伺服控制方面,论文首先对伺服电机控制做了数学建模分析,详述了四象限二维自动跟踪控制以及摇杆手动控制原理,并且在FPGA中实现了功能设计。考虑到海浪的影响,论文简要做了船体受海浪扰动模型分析,并且设计出了基于陀螺和电位器信号的稳定控制模块。测试发现,系统在受到扰动时可以达到一定的稳定效果。论文分别给出了室内实验测试和海上实验测试的结果。实验结果表明,系统能够正常稳定的工作。VGA显示器可以实时显示视频画面,摇杆能够控制光电跟踪平台的运动状态。在目标低速运动情况下,捕获目标后,系统能够实时跟踪目标。在640×480视频图像分辨率下,方位电机跟踪精度为80±10个像素点,最大跟踪角速度30/s,俯仰方向跟踪误差为50±10像素点,最大跟踪角速度10/s,目标识别的最小像素矩阵大小为16×16。
【关键词】：FPGA 目标检测 船载视频 光电跟踪 伺服控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.703.3;TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-14
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-14
• 1.3 论文的主要研究内容14-15
• 第2章FPGA概述及系统总体设计15-23
• 2.1 FPGA数字电路设计概述15-19
• 2.1.1 核心控制器选择15-16
• 2.1.2 FPGA基本结构16
• 2.1.3 硬件描述语言概述16-17
• 2.1.4 FPGA开发流程17-19
• 2.2 系统的总体设计19-22
• 2.2.1 系统的结构设计及功能特点19-20
• 2.2.2 系统的FPGA顶层设计20-21
• 2.2.3 系统的工作原理21-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第3章 视频图像处理研究及FPGA设计23-45
• 3.1 视频采集模块概述23-26
• 3.1.1 PAL制式电视信号概述23
• 3.1.2 图像扫描原理23-25
• 3.1.3 视频采集系统25-26
• 3.2 视频图像预处理算法研究及FPGA设计26-34
• 3.2.1 图像滤波算法研究26-29
• 3.2.2 快速中值滤波算法的FPGA设计29-32
• 3.2.3 模块验证分析32-34
• 3.3 视频目标检测与跟踪算法研究及FPGA设计34-44
• 3.3.1 常见运动目标检测与跟踪算法概述34-37
• 3.3.2 常见目标检测与跟踪算法的比较37-38
• 3.3.3 基于RGB颜色匹配的目标质心跟踪算法研究38-40
• 3.3.4 基于RGB颜色匹配的目标质心跟踪算法FPGA设计40-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 伺服系统控制研究及FPGA设计45-63
• 4.1 伺服系统的跟踪控制方法研究45-57
• 4.1.1 直流力矩电机数学建模45-47
• 4.1.2 四象限探测跟踪控制原理47-49
• 4.1.3 四象限目标跟踪FPGA设计49-51
• 4.1.4 四维摇杆控制FPGA设计51-57
• 4.2 平台稳定的控制研究57-62
• 4.2.1 光纤陀螺信号的采集57-59
• 4.2.2 稳定控制的理论分析59-61
• 4.2.3 稳定控制的FPGA设计61-62
• 4.3 本章小结62-63
• 第5章 视频光电跟踪系统的测试与分析63-75
• 5.1 引言63
• 5.2 视频光电跟踪系统的组装和测试63-74
• 5.2.1 系统的硬件组成63-64
• 5.2.2 FPGA系统模块综合64-65
• 5.2.3 实验测试及结论65-74
• 5.3 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献76-81
• 致谢81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 吴春光;;基于多尺度分形特征的海面目标检测方法[J];长春理工大学学报(自然科学版);2011年03期

2 侯法柱;彭楚武;方亮;;图像中值滤波算法及其FPGA的实现[J];微计算机信息;2011年01期

3 郭海燕;董云龙;关键;;基于分数阶模糊函数的海面运动弱目标检测[J];系统工程与电子技术;2011年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 徐贤玉;船载光电平台伺服稳像方法设计及实现[D];南京理工大学;2014年

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本文编号：260736