Mục đích của hệ thống bám video tự động là để duy trì một “đường ngắm” viết tắt là LOS (Line Of Sight) cảm biến - mục tiêu một cách ổn định và hoàn toàn tự động trong khi tồn tại cả chuyển động tương đối của mục tiêu và chuyển động của đế gắn cảm biến làm nhiễu loạn tới dữ liệu cảm biến hình ảnh [35, 36, 37, 38]. Mục tiêu thường được định vị ban đầu, bởi hoặc là người điều khiển hoặc là hệ thống nhận dạng mục tiêu tự động. Sau đó, hệ thống bám sẽ khoá chặt mục tiêu và duy trì LOS tự động.
30
Hệ thống bám hình ảnh tự động thông thường bao gồm 3 phần chính (hình 2.1):
(1) bộ cảm biến ảnh (camera chẳng hạn), (2) bộ chấp hành thường là các trục khớp quay (gimbal) có gắn động cơ hoặc khí nén, và (3) bộ xử lý. Một vòng điều khiển phản hồi, được gọi là vòng bám, liên tục hiệu chỉnh bộ chấp hành để giữ mục tiêu vào tâm của trường nhìn viết tắt là FOV (Field Of View) bộ cảm biến. Bộ xử lý sẽ khép kín vòng này bằng cách tính toán độ lệch để điều khiển bộ chấp hành. Các thành phần hoạt động theo thứ tự sau: (1) bộ xử lý định vị tín hiệu mục tiêu trong dòng hình ảnh từ bộ cảm biến, (2) bộ xử lý ước lượng trạng thái mục tiêu và tạo ra các lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành trên cơ sở các thông tin trạng thái, (3) lệnh điều khiển được áp dụng vào LOS cảm biến, (4) bộ cảm biến tạo ra một dòng video mới, và (5) quá trình được lặp lại.
Hình 2.1. Cảm biến ảnh, gimbal và bộ xử lý
Mặc dù có 3 thành phần thông dụng trong tất cả hệ thống bám, nhưng mỗi phần có thể có các thể hiện khác nhau trong một ứng dụng thực tế, phụ thuộc vào các yêu cầu hệ thống. Chẳng hạn, các bộ bám trọng tâm tương tự trước kia dùng các bộ so sánh tương tự và bộ đếm số để đo hoặc ước lượng vị trí của trọng tâm mục tiêu trong dòng ảnh. Trong các hệ thống này, LOS mục tiêu duy nhất dựa trên trọng tâm của nó, và luật điều khiển được thực hiện bởi giá trị trung bình của một vòng điều khiển tỉ lệ đơn giản. Ngược lại, các hệ thống bám hiện nay được thiết kế để bám chuyển động của xe cộ trên mặt đất trong một môi trường lộn xộn, có thể sử dụng phương pháp tiếp cận đa kiểu dựa trên thuật toán tương quan và trọng tâm. Những ví dụ khác có tỉ lệ động lực học cao như thông tin bệ phóng máy bay, tàu sân bay được sử dụng như là dữ liệu phụ thuộc trong việc xác định LOS. Thông thường hệ thống này yêu cầu nhiều máy tính, bộ xử lý ảnh tinh vi, và một giao diện tốc độ cao.
2.1.2. Kiến trúc tổng thể hệ bám.
Hệ thống bám thực hiện vòng phản hồi vốn không tuyến tính và phải hoạt động với các đo lường không chắc chắn hoặc bị nhiễu. Để đơn giản cho các xử lý trong thiết
Mục tiêu
camera ống kính và đế quay
Máy tính xử lý và điều khiển
31
kế kiểu vòng phản hồi này, ta áp dụng nguyên lý phân tách trong lý thuyết điều khiển ngẫu nhiên [18,19, 37, 38]. Nguyên lý này định nghĩa một kiến trúc điều khiển ở đó tách phần ước lượng trạng thái, dựa trên dữ liệu cảm biến camera, ra khỏi phần tạo luật điều khiển.
Ước lượng vị trí mục tiêu thường được tính trên một ảnh con nhỏ được gọi là cửa sổ mục tiêu (đơn giản là cửa sổ hay cửa). Hình 2.2 mô tả cửa sổ mục tiêu thường bao quanh mục tiêu. Bằng cách chỉ xử lý một phần của trường nhìn nằm bên trong cửa sổ, thì các ảnh hưởng của nhiễu loạn và ồn trong quá trình bám là bị triệt tiêu lớn, làm cho hệ thống bám ổn định hơn. Tận dụng ảnh trong cửa sổ để ước lượng ví trị mục tiêu cũng tránh được hạn chế về số lượng cần xử lý. Như một quy tắc, cửa sổ (thường là hình chữ nhật hoặc hình vuông) nên có kích thước nhỏ nhất cần thiết để chắc chắn hoàn thành mục tiêu.
Hình 2.2. Cửa sổ mục tiêu khử nhiễu
Các chức năng của hệ thống bám nguyên thuỷ được mô tả trong hình 2.1. Các chức năng phụ thêm vào là cần thiết để hỗ trợ cho các chức năng đầu tiên. Hai chức năng phụ quan trọng nhất là chức năng xác định cửa sổ mục tiêu (nó hỗ trợ việc định cửa sổbằng cách đo kích thước mục tiêu) và chức năng dò breaklock, là trạng thái mà hệ thống bám không thu thập được mục tiêu đúng, được sử dụng bởi phần xác định LOS. Hình 2.3 mô tả kiến trúc hệ thống bám chung, bao gồm cả hai chức năng nguyên thuỷ và các chức năng phụ.
Thường khi thu được sự ước lượng vị trí mục tiêu không tốt do việc bộ ước lượng vị trí mục tiêu ước lượng không chính xác. Điều này có thể xuất hiện, ví dụ, nếu mục tiêu lẫn vào nền bởi nhiễu loạn nền, dẫn tới việc ước lượng vị trí không còn chính
32
xác. Rõ ràng dữ liệu vị trí mục tiêu không đúng được tạo ra dưới điều kiện như vậy không nên sử dụng để xác định LOS. Chức năng dò breaklock được sử dụng để phán đoán khi việc ước lượng vị trí mục tiêu là không tin cậy. Điều này bảo đảm dữ liệu không chắc chắn hoặc dữ liệu sai sót sẽ bị bác bỏ bởi chức năng xác định LOS mục tiêu, do đó cải thiện tính năng vòng bám dưới những điều kiện hoạt động của hệ gặp vấn đề như nhiễu.
Hình 2.3. Kiến trúc toàn thể hệ thống bám
Khi một điều kiện breaklock xuất hiện, hệ thống bám có thể duy trì tọa độ robot tự hành dựa trên trạng thái mục tiêu dự đoán được. Trong mô hình “trượt”, vòng lặp bám là vòng mở, tọa độ tiếp tục di chuyển theo hướng và ở tốc độ được xác định ở thời điểm cuối cùng mà bộ ước lượng trạng thái mục tiêu ước lượng được trước khi breaklock. Sau khi mục tiêu đã được thu thập lại và việc ước lượng vị trí mục tiêu đáng tin cậy lại được thiết lập, chức năng breaklock báo hiệu cho chức năng xác định LOS trở lại hoạt động vòng đóng.