电视跟踪系统技术分析及常见故障_魏兆权.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering114随着电子信息技术的不断发展，以电视跟踪系统为代表的新型光电设备在生产制造、交通管理等多个领域得到了广泛应用。虽然，与传统跟踪系统来说，电视跟踪系统精度明显增加，可靠性也有着不同程度的提升，但相关故障现象更加复杂，且故障定位和处理难度增加，这对工程技术人员提出了较高要求。1 电视跟踪系统整体架构现代光学技术的发展提高了摄录设备的图像质量，而图形图像识别技术与高精度伺服控制技术为动态跟踪提供了支撑，通过优化图形图像处理和跟踪算法，电视跟踪系统在社会各领域得到了推广应用1。电视跟踪系统由图形图像采集单元、数据处理单元、通信单元和目标跟踪控制单元组成（如图 1 所示），并基于目标数据形成的反馈控制机制实现稳定跟踪。1.1 图形图像采集单元电视跟踪系统采用了较为传统的高清视频采集模块，通过安装在云台上的摄录设备，该单元能够获取目标可视化信息，为数据处理单元提供高清视频、图像数据。图形图像采集单元通过视频编码模块、视频解码模块、数字信号处理器等实现视频、图像信号的采集、传输、存储和处理，并能够实现跨系统的图形图像信息共享。1.2 数据处理单元电视跟踪系统中的关键数据主要包括视频、图像特征数据，以及伺服控制系统方位、俯仰数据，为保证较高的跟踪精度，数据处理单元不仅预留了高精度反馈控制的数据通信接口，在算法方面也进行了优化2。目标特征点的提取与动态分析的轨迹预测等功能使电视跟踪系统的智能化、自动化水平明显提升。同时，电视跟踪系统数据处理单元还包括多个数据库和服务器，为提高数据处理效率，通过分布式技术调用该系统覆盖范围内的所有算力资源，并提高了数据存储的安全性。1.3 通信单元电视跟踪系统传输的数据多为视频、音频与控制指令，针对不同的数据类型，通信单元在完善网络拓扑结构的基础上，还需要持续丰富其通信接口与协议，从而保证系统内、外正常通信。以某电视跟踪系统为例，该系统内部通信模块主要包括接口板、DM8168 核心板、TVP5158 扩展板，接口板与高清视频采集终端、鼠标、显示器等进行链接，接口板与 DM8618 核心板之间通过串口进行连接。DM8168 核心板的浮点计算功能可以提高视频、音频等信号处理速度，使信号传输更加稳定，由于该核心板能够支持不同标准的多通道视频编解码，从而便于电视跟踪系统的通信单元的拓展。电视跟踪系统技术分析及常见故障魏兆权（中国人民解放军四八五工厂军械修理厂 上海市 200439）摘要：本文以电视跟踪系统为研究对象，在对电视跟踪系统进行简要介绍的基础上，对其整体架构进行分析，详细讨论了电视跟踪系统的关键技术构成，并围绕多个常见故障进行深入剖析，结合电视跟踪系统故障现象对故障快速定位，并依靠以往经验提出具有可行性的维修方案，从而解决电视跟踪系统故障，以期能够为同类型自动控制设备的设计与维修提供具有可参考性的意见和建议。关键词：电视跟踪系统；图形图像；通信单元；识别技术图 1：电视跟踪系统整体架构电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering115电视跟踪系统通信单元框图如图 2 所示。1.4 目标跟踪控制单元电视跟踪系统可以对目标进行持续性的跟踪，为实现该功能，目标跟踪控制单元需要对目标轨迹模型判定其位置变化情况，从而实现对伺服模块的控制，如方位角、俯仰角等参数3。为提高目标跟踪控制单元的控制精度，以及缩短首次捕获目标所需时间，该目标跟踪控制单元与其他监视系统之间可进行数据共享，并实现多个目标下的协同跟踪、记忆跟踪等多种跟踪，满足不同场景需求。2 电视跟踪系统关键技术构成电视跟踪系统的广泛应用丰富了目标跟踪的解决方案，针对差异化的应用场景，该系统所使用的关键技术存在一定的相似性，如目标特征识别技术、分布式数据存储技术、伺服反馈控制技术等。2.1 目标特征识别技术所谓目标特征识别技术，是指对目标可视数据中能够体现其特征的点位进行分析，从而能够依托以上特征数据对视频、图片中的目标进行区分。目前，目标特征识别技术主要包括 Blob 分析法、模板匹配法和深度学习法，基于不同算法的逻辑差异，在具体应用场景方面也有所不同，具体如表 1 所示。目标特征识别技术是以图形图像采集单元为基础，在数据处理单元完成目标特征识别，并能够根据持续性目标特征识别数据对其运动轨迹进行预测。虽然，从技术实现难度来看，深度学习法的实现难度较高，但在分布式技术的加持下，大规模算力支持下的目标特征识别效率将得到保证。2.2 分布式数据存储技术电视跟踪系统需要实时获取目标数据，为提高目标跟中精度，该系统对视频进行帧处理，以至于产生了大量的图像数据。传统数据存储技术不仅效率低，且安全性、可靠性不足，无法满足电视跟踪系统的要求4。在此背景下，基于分布式技术的数据存储架构有效解决了以上问题（如图 3 所示），多个计算节点提供了更加均衡的算力支持，而元数据节点的设计与电视跟踪系统内部冗余网络架构设计保持了较高的一致性，在元数据节点出现故障时，可以自动启用备份节点。图 3 中设置多个存储服务器，针对数据类型与生成节点的差异，存储服务器的节点分布需要进行优化，进一步缩短数据存取周期，提高数据处理效率，并且，分布式数据存储技术对同类型服务器中关键数据进行分块处理，如此，则能够提高数据的安全性。2.3 伺服反馈控制技术电视跟踪系统的目的是为了对目标进行稳定跟踪，如此，则需要伺服云平台对其方位角、俯仰角等参数进行调整，在系统启动后，电视跟踪系统的伺服控制单元首先执行归零操作；其次，电视跟踪系统将根据手动输入方位参数进行目标特征匹配，或者是通过接收外部传图 2：电视跟踪系统通信单元框图图 3：分布式数据存储拓扑结构电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering116感器的数据进行辅助定位；在跟踪过程中，为保证跟踪的精准性，系统需要对伺服单元参数进行修正，即不断优化目标运动预测模型，降低目标丢失概率。电视跟踪系统技术体系较为复杂，除以上典型技术外，还包括人工智能识别技术、大数据技术、空间坐标系标定技术等5。通过多种关键技术的综合应用，则能够提高电视跟踪系统的识别与跟踪能力，在出现目标丢失问题时，利用相关技术可以在短时间内重新捕获目标，从而实现稳定跟踪。3 电视跟踪系统常见故障及维修策略基于电视跟踪系统的复杂架构与技术特点，在实际使用过程中出现故障的概率相对较高。针对以往经验，电视跟踪系统常见故障包括伺服控制单元异常抖动、持续跟踪丢失等，相关故障维修方案也存在较大差异。3.1 伺服控制单元异常抖动高精度伺服控制单元是保证电视跟踪系统工作状态的前提，伺服控制单元的内部构成主要包括接口模块、控制模块、执行模块（如图 4 所示）。伺服控制单元异常抖动的主要包括输入信号异常、反馈信号异常等原因，针对不同情况导致的异常抖动应采取科学的维修方案。3.1.1 输入信号异常该故障多因为模拟信号受到干扰后所产生的噪音所导致，通过示波器能够对输入信号波形进行分析，从而确定故障原因。针对此类故障，需要明确干扰源，并对叠加节点进行抗干扰处理，同时，在接口模块和控制模块之间增加滤波电路设计，如此，则可以最大限度减少因外部输入信号异常导致的伺服控制单元异常抖动故障的发生。表 1：目标特征识别技术的算法对比算法具体内容优势不足Blob 分析法对图像进行二值化处理，获得相同像素的连通域，并对不同连通域进行分析，而连通域则呗成为 Blob 块，不同 Blob 块之间的参数变化则可以作为目标特征的识别依据特征分析速度较快，对具有显著 Blob 块的目标分析效果较好对图片像素要求极高，在光线较差的情况下，Blob 分析结果的准确率明显下降模板匹配法以图像中目标物的基本特征数据为参考，如尺寸、向量、梯度、方差等，通过与模板数据进行匹配成本较低，算法相对简单，在实际使用过程中所需要的算力资源较少当模板中目标基础数据发生变化时，该算法的准确度将明显下降深度学习法可以使目标特征数据更加系统化、全面化，并实现了基于 Blob 块的关联数据分析，能够根据目标所在场景和基础信息变化进行算法优化识别效率高、准确度高，可以适应目标所在的不同复杂度的场景成本较高，需要提供庞大的算力支持，无法实现大范围的应用图 4：伺服控制单元组成原理图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1173.1.2 反馈信号异常伺服电机控制模块将根据输入信号的变化对执行单元进行控制，而执行单元对控制指令的响应情况则通过传感器反馈至伺服电机控制模块6。由于误差的存在，伺服控制单元的误差积累不断增加，基于反馈信号的调整力矩将持续增加，当系统长期工作的情况下，伺服控制单元无法进行归零、校准，最终造成控制信号超差。针对此类故障，维修人员需要对设备进行机械复位和软件复位，并且，为降低控制超差带来的抖动问题，建议降低减速器齿比。由于降低减速器齿比会延长执行周期，所以，对与高速跟踪系统抖动故障方面，则需要增加减速器齿比，并适当调整伺服电机最大力矩，在避免控制超差的同时，也能够满足快速跟踪的需要。3.2 持续跟踪丢失电视跟踪系统需要长时间持续获取目标信息，然而，在伺服控制单元状态正常的情况下，电视跟踪系统无法对目标进行长时间的稳定跟踪，并最终导致目标丢失。持续跟踪能力是考察电视跟踪系统的一个重要指标，由于大多数目标运动速度较快，因此，当目标特征数据参考值不足的情况下，系统将无法得到准确的目标运动预测模型，目标丢失的概率明显增加。在对此类故障进行总结后可以发现，当焦距调节过大、协同数据丢失时持续跟踪丢失故障发生频次较高。首先，焦距调节过大的情况下，目标特征参数与数据库的一致性降低，且目标高速运动过程中伺服单元快速响应下的误差积累明显加快；其次，协同数据丢失是导致电视跟踪系统无法持续进行目标跟踪的主要故障，在缺少其他传感器目标数据协同的情况下，仅依靠电视跟踪系统无法实现对高速目标的稳定跟踪，在数据输入接口模块异常的情况下，应对接口连接情况进行检查，在输入信号正常的情况下，若该故障依然存在，则需要更换数据输入接口模块。这里需要注意的是，若焦距调节正常，且数据输入接口模块状态良好的情况下，则持续跟踪丢失故障可定位为在多传感器的坐标系异常。为保证多传感器下同一目标的方位角、俯仰角数据一致，则需要按照各传感器在空间中的布局进行补偿，通过调整补偿值，则可以解决持续跟踪过程中目标丢失问题。4 总结电视跟踪系统是现阶段目标跟踪监视的重要装备之一，其系统构成较为复杂，且技术含量相对较高，在实际使用过程中，技术人员不仅要熟悉系统架构，还需要掌握各种常见故障，从而能够在故障发生后准确定位故障点，并采取科学的维修方案进行处置。随着经验的不断积累，以及设计人员对电视跟踪系统的不断优化，相关故障的发生次数将明显减少，且缩短了故障处置周期，使其能够保持良好的工作状态。参考文献1 吴昊,王斌,邢云龙.基于同轴跟踪的船载伺服系统优化设计 J.工业仪表与自动化装置,2018(06):126-129.2 钱涛.船载电视跟踪仪的伺服控制系统研究 J.舰船科学技术,2020(02):199-201.3 王小军,直小松.光电跟踪系统电视镜头控制技术研究 J.电子技术与软件工程,2014(12):123-124.4 史海龙,廖旭博,王晶晶,等.高炮电视跟踪系统对超低空目标截获概率仿真实验研究 J.应用光学,2020,41(05):990-996.5 沈潇.民用机场光电跟踪系统误差分析与优化建议J.电子元器件与信息技术,2022,6(08):92-95.6