基于FPGA的船载视频光电跟踪系统设计

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。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 FPGA概述及系统总体设计

2.1 FPGA数字电路设计概述

2.1.1 核心控制器选择

2.1.2 FPGA基本结构

2.1.3硬件描述语言概述

2.1.4 FPGA开发流程

2.2 系统的总体设计

2.2.1 系统的结构设计及功能特点

2.2.2 系统的FPGA顶层设计

2.2.3 系统的工作原理

2.3 本章小结

第3章 视频图像处理研究及FPGA设计

3.1 视频采集模块概述

3.1.1 PAL制式电视信号概述

3.1.2 图像扫描原理

3.1.3 视频采集系统

3.2 视频图像预处理算法研究及FPGA设计

3.2.1 图像滤波算法研究

3.2.2 快速中值滤波算法的FPGA设计

3.2.3 模块验证分析

3.3 视频目标检测与跟踪算法研究及FPGA设计

3.3.1 常见运动目标检测与跟踪算法概述

3.3.2 常见目标检测与跟踪算法的比较

3.3.3 基于RGB颜色匹配的目标质心跟踪算法研究

3.3.4 基于RGB颜色匹配的目标质心跟踪算法FPGA设计

3.4 本章小结

第4章 伺服系统控制研究及FPGA设计

4.1 伺服系统的跟踪控制方法研究

4.1.1 直流力矩电机数学建模

4.1.2 四象限探测跟踪控制原理

4.1.3 四象限目标跟踪FPGA设计

4.1.4 四维摇杆控制FPGA设计

4.2 平台稳定的控制研究

4.2.1 光纤陀螺信号的采集

4.2.2 稳定控制的理论分析

4.2.3 稳定控制的FPGA设计

4.3 本章小结

第5章 视频光电跟踪系统的测试与分析

5.1 引言

5.2 视频光电跟踪系统的组装和测试

5.2.1 系统的硬件组成

5.2.2 FPGA系统模块综合

5.2.3 实验测试及结论

5.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢