導航雷達或AIS引導的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

馮愛國，薛叢華，吳　煒

(南通航運職業(yè)技術(shù)學院 航海系，江蘇 南通　226010)

導航雷達或AIS引導的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

馮愛國，薛叢華，吳煒

(南通航運職業(yè)技術(shù)學院 航海系，江蘇 南通226010)

摘要:為解決傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域相對固定、監(jiān)控范圍與監(jiān)控對象匹配程度不高、針對性不強等問題，提出了一種利用導航雷達自動跟蹤參數(shù)或AIS動態(tài)數(shù)據(jù)引導的智能視頻監(jiān)控方法。系統(tǒng)設(shè)計采用某型船用雷達NMEA0183跟蹤參數(shù)輸出報文或AIS輸出數(shù)據(jù)包，解析報文獲得目標運動要素，以此引導本站及通過數(shù)據(jù)異地解算引導網(wǎng)內(nèi)視頻測站觀瞄云臺，同時開啟監(jiān)控視頻回傳、航姿參考系統(tǒng)(AHRS)方位及仰角數(shù)據(jù)回傳、越界報警等一系列動作。介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件的構(gòu)成與設(shè)計流程，并給出仿真實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞:雷達跟蹤；AIS；AHRS；串口與網(wǎng)絡(luò)通信；視頻監(jiān)控

符合IMO海安會MSC 192.79決議2007版性能標準的航海雷達具備各類航?；A(chǔ)傳感器信息采集、融合及目標跟蹤解算結(jié)果智能輸出的功能，在航海生產(chǎn)、海事管理、海洋權(quán)益維護等方面發(fā)揮著重要的作用[1-3]。視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有直觀、方便、信息內(nèi)容翔實等特點，在上述場合的應(yīng)用也日益廣泛[4]。近年來，水上交通全程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢愈發(fā)明顯，且隨著計算機圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的需求正快速增長。但現(xiàn)行視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫面存在盲區(qū)，監(jiān)控現(xiàn)場覆蓋度不高，對重點監(jiān)控對象不能自動保持置中式持續(xù)跟蹤，從而不能發(fā)揮更大的監(jiān)控作用。以第三方測控參數(shù)引導，以MCU與傳感器技術(shù)為核心的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)以高度的互證性、集成性和靈活性，使視頻取景框更可控，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[5]。

系統(tǒng)利用船用導航雷達TT(自動跟蹤)結(jié)果或AIS(船舶自動識別系統(tǒng))目標參數(shù)引導云臺攝像頭，使畫面根據(jù)目標方位變化實時切換，同時具備監(jiān)控錄像回傳、視覺識別、自動報警等功能[6]。

1總體結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)通過船用雷達與AIS(自動識別系統(tǒng))參數(shù)引導實現(xiàn)攝像頭的自動聯(lián)動，云臺運動設(shè)計有3種形式：手動控制、半自動引導聯(lián)動和自動引導聯(lián)動。手動控制指在綜合顯控系統(tǒng)手動控制本地和遠程攝像頭方位、高度運動和焦距拉伸運動；半自動聯(lián)動指人工選取雷達位置，在雷達屏幕上點擊監(jiān)控區(qū)，攝像頭可以自動尋找目標，監(jiān)控參數(shù)依據(jù)雷達輸出的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，即：活動距標、電子方位線、光標位置；自動聯(lián)動指雷達的ARP捕捉目標運動參數(shù)輸出到顯控系統(tǒng)，根據(jù)目標編號，攝像頭自動尋找所選編號目標，并保持持續(xù)的視頻跟蹤。半自動聯(lián)動和自動聯(lián)動手段，均基于雷達或AIS所提供的位置數(shù)據(jù)(目標經(jīng)度、緯度、方位、距離)，由云臺視頻監(jiān)控子系統(tǒng)計算出目標相對于攝像頭的水平角、方位角和距離，從而控制云臺運動[7-8]。

1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由導航雷達提供雷達與AIS參數(shù)，系統(tǒng)主體部分包括：船用導航雷達與AIS、引導站本地總控計算機、控制下位機、攝像云臺及AHRS(可補充疊加角位移傳感器)、遠程總控計算機、遠程控制下位機、遠程攝像云臺及AHRS航姿參考系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總圖

各部件作用：船用導航雷達：通過TRACK CONTROL接口提供雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)、雷達跟蹤的目標位置及運動參數(shù)、本船位置及運動參數(shù)等；現(xiàn)代雷達融合了船用AIS(自動識別系統(tǒng))數(shù)據(jù)，所以可以在雷達上一站式采集AIS提供的本船位置及運動參數(shù)、目標位置及運動參數(shù)等；引導站本地總控計算機：通過引導數(shù)據(jù)接收模塊、參數(shù)與控制路徑選擇模塊、引導參數(shù)轉(zhuǎn)方位俯仰角模塊、控制算法模塊的序列解算實現(xiàn)控制指令向控制下位機傳遞；控制下位機，控制2軸伺服電機，實現(xiàn)云臺方位角及俯仰角運動控制；攝像云臺及AHRS：在控制下位機控制下視軸對準、AHRS提供云臺方位角及俯仰角反饋信號；遠程總控計算機：通過網(wǎng)絡(luò)與引導站本地總控計算機實現(xiàn)視頻與參數(shù)交換，在引導參數(shù)轉(zhuǎn)方位俯仰角模塊中增加遠程引導算法，其余與本地控制相同。

2系統(tǒng)功能實現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)

2.1IEC61162協(xié)議下的雷達與AIS引導參數(shù)采集與解碼設(shè)計

作為智能化的航海儀器，導航雷達具有標準化的串行輸入輸出接口，輸入接口接收羅經(jīng)、計程儀、電子定位系統(tǒng)的信息，輸出接口對其他設(shè)備廣播雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息及目標跟蹤信息。符合IEC61162-1標準的雷達數(shù)字廣播有6種語句，其中雷達系統(tǒng)信息語句格式有：

“＄RARSD，x.x，x.x，x.x，x.x， x.x，x.x，x.x，x.x， x.x，x.x，x.x，a，a*hh”

句塊包含雷達電子方位線(EBL)活動距標圈(VRM)參數(shù)2套及雷達操作桿光標(CURSOR)位置。目標跟蹤語句格式有：

“＄RATLL，xx，llll.lll，a，yyyyy.yy，a，c-c，hhmmss.ss，a，a*hh”

(1)

“＄RATTM，xx，x.x，x.x，a，x.x，x.x，a，x.x，x.x，a，c-c，a，a，hhmmss.ss，a*hh”

(2)

句(1)中句首詞“＄RATLL”表示直接輸出目標經(jīng)緯度，信息內(nèi)容以“，”分隔；句(2)中句首詞“＄RATTM”表示目標跟蹤結(jié)果，信息內(nèi)容同樣以“，”分隔。以句(2)為例，“＄”表示句子開始，句塊依次表示：目標編號、目標距離、目標方位、真/相對、目標速度、目標航向、真/相對、CPA、TCPA、航速單位、目標名稱、目標狀態(tài)、參考目標、UTC。

同理，AIS提供船舶的動靜態(tài)信息[6]，信息涵蓋了信息類型、重復指示、目標船識別碼MMSI碼、航行狀態(tài)、轉(zhuǎn)向速率、對地航速、位置精度、經(jīng)度、緯度、對地航向、真航向等。

解碼流程如圖2所示。

圖2　雷達與AIS引導參數(shù)解碼流程圖

2.2雷達、AIS目標參數(shù)轉(zhuǎn)換云臺控制指令算法

1)雷達目標方位、距離位置轉(zhuǎn)地理坐標位置

Dφ=ScosTB;Dλ≈SsinTBsecφ0;

φT=φ0+Dφ;λT=λ0+Dλ;

(1)

式中：S為目標雷達距離；TB為目標雷達方位；(Dλ，Dφ)為目標與雷達的地理位置差(經(jīng)差，緯差)；(λ0，φ0)為雷達地理位置；(λT，φT)為目標地理位置。

2)攝像頭云臺驅(qū)動指令計算

設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭個數(shù)為n，各攝像頭的地理位置分別為(λ1，φ1)，(λ2，φ2)，…，(λn，φn)，監(jiān)控目標的經(jīng)緯度為(λT，φT)，已知攝像頭的監(jiān)控半徑為D，監(jiān)控目標到攝像頭的距離為S，利用平均緯度處理墨卡托投影緯度漸長率，目標到攝像頭的距離、方位可由式(2)～(3)計算

(2)

(3)

對監(jiān)控方位角作圓周方位(0°～360°)符號歸一化處理：

設(shè)(Dφ=(φT-φi),Dλ=(λT-λi))，當(Dφ<0,Dλ>0)時，Bi=Bi+180°；當(Dφ<0,Dλ>0)時，Bi=Bi+180°；當(Dφ>0,Dλ<0)時，Bi=Bi+360°。

2.3基于UDP協(xié)議的引導參數(shù)與視頻碼流的網(wǎng)絡(luò)傳遞

雷達引導站上位機測得目標方位、距離、航向、航速等位置與運動參數(shù)，根據(jù)視頻測站的地理位置計算出各視頻監(jiān)控云臺的方位、俯仰、焦距控制參數(shù)，篩選出引導云臺的編號，通過UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的云臺控制引導報文的再組織與廣播，監(jiān)控工作站采用UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)終端身份注冊，在IP終結(jié)點及端口號與主控系統(tǒng)匹配后，獲得報文數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收，通過通信語句解析獲得云臺遙控數(shù)據(jù)序列；云臺處的監(jiān)控工作站通過串行通信輸出水平速度、垂直速度、焦距指令控制PTZ云臺對準所選目標。

視頻回傳：云臺搭載的CMOS或CCD光學攝像頭通過基于cypress 68013和NXP SAA7115自主方案設(shè)計的流媒體USB視頻采集卡將視頻碼流采集到云臺監(jiān)控工作站，該采集卡提供2路AV和1路S-VIDEO輸入，即插即用，使用方便，特別適合便攜式計算機，其AV端口通過BNC與自動變焦攝像頭相連，攝像頭支持YUV2、RGB等多種視頻流格式輸出。云臺監(jiān)控工作站將采集到的視頻及云臺搭載的AHRS方位姿態(tài)參考系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)回傳到雷達地的綜合顯控系統(tǒng)[9-10]。

2.4云臺控制算法設(shè)計

云臺姿態(tài)由Ψ(方位)、θ(高度)、γ(橫滾)三個角度約束，云臺控制器以串行通信方式接受控制上位機指令，通信協(xié)議為通用Pelco-D/Pelco-P等云臺控制協(xié)議，以PELCO-D協(xié)議為例：數(shù)據(jù)格式：1位起始位、8位數(shù)據(jù)、1位停止位，無效驗位。波特率：2 400 bit/s，所有數(shù)據(jù)均采用十六進制，如表1所示，1個命令數(shù)據(jù)包由7個字節(jié)組成。

表1PELCO-D協(xié)議格式

字節(jié)Word1Word2Word3Word4Word5Word6Word7用途SynchByte同步字Address地址Command1開關(guān)、光圈Command2上下左右、焦距調(diào)節(jié)Data1方位速度Data2俯仰速度CheckSum和校驗

PELCO-D指令中Word4由引導參數(shù)與AHRS反饋參數(shù)比較確定，Word5、Word6在Word4基礎(chǔ)上由數(shù)字PID控制模型決定，考慮實現(xiàn)視頻的平滑跟蹤，在位置反饋基礎(chǔ)上加入了目標運動速度相對監(jiān)控點的切線分量結(jié)合距離所得的移動角速率值，以擾動信號疊加，由于一般云臺自身阻尼特性較好，控制系統(tǒng)中慣性環(huán)節(jié)考慮省略?？刂葡到y(tǒng)回路設(shè)計如圖3所示。

圖3　云臺控制系統(tǒng)回路

利用計算機設(shè)計數(shù)字PID控制器，云臺方位設(shè)定值與反饋值之差構(gòu)成系統(tǒng)偏差輸入，運用位置PID控制的控制器輸出及增量控制法的系統(tǒng)輸出表示為

e(k-1))/T

(4)

(5)

增量式控制算法的優(yōu)點是誤動作小，便于實現(xiàn)無擾動切換。當計算機出現(xiàn)故障時，可以保持原值，比較容易通過加權(quán)處理獲得好的控制效果。系統(tǒng)角位置跟蹤采用增量PID控制，考慮一般云臺如PTS-303Q水平最大轉(zhuǎn)速為10°/s，俯仰最大轉(zhuǎn)速為1°/s，而水平方位偏差最大可達180°，而俯仰偏差最大約可達40°，故在較大偏差范圍內(nèi)云臺方位及俯仰速度指令給出最大值，經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計在方位偏差30°以內(nèi)，俯仰角偏差3°以內(nèi)，運行PID控制，以方位為例，設(shè)t時刻第k次采樣給定雷達引導參數(shù)ψc，采樣AHRS反饋ψ，偏差輸入e(k)=(ψc-ψ)/30，PID控制輸出為u(k)，云臺控制指令十進制數(shù)據(jù)為：u(k)×64，十進制轉(zhuǎn)十六進制即為云臺方位速度指令[9]。

3雷達引導監(jiān)控實物搭建及PID控制仿真測試結(jié)果

系統(tǒng)采用MDC-1820雷達，串行輸入輸出接口“TRACK CONTROL”及AIS接口如圖4a所示，PTS-303Q數(shù)控云臺PELCO-D協(xié)議下方位及俯仰控制速度十六進制指令為00～3F對應(yīng)0～64級可調(diào)，如圖4b所示，PID控制模塊：方位偏差偏差大于30°(及俯仰角偏差大于3°時，均輸出為最大值3F； 二者小于30°及3°時，數(shù)字PID采樣周期0.1 s，采用臨界點飽和法或試湊法，設(shè)KP，KI，KD分別取0.6，0.02，1.7，仿真結(jié)果如圖4c顯示：系統(tǒng)在3～4 s內(nèi)獲得穩(wěn)定，且超調(diào)量在最大偏差值1.5%以內(nèi)，初始超調(diào)回復后系統(tǒng)幾乎無震蕩，具體參數(shù)見表2。

雷達、海圖平面態(tài)勢及引導云臺視頻監(jiān)控效果如圖5所示。

4結(jié)語

本文介紹了一種基于雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)、跟蹤數(shù)據(jù)及AIS參數(shù)引導的動態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)用雷達或AIS引導參數(shù)對目標進行方位距離定位，并利用雷達站參數(shù)解算出遠程引導參數(shù)，驅(qū)動本地和遠程攝像頭轉(zhuǎn)動到目標位置進行監(jiān)控和報警。實驗結(jié)果表明，在低噪聲和傳感器反饋毛刺不明顯的情況下，系統(tǒng)能準確跟蹤到監(jiān)控目標，這種雷達平面態(tài)勢和視頻監(jiān)控相結(jié)合的立體化監(jiān)控方式能夠更加有效地協(xié)助安全人員處理危機，最大限度地獲得全方位監(jiān)控及連鎖式取證[11]。

a　串行輸入輸出接口及AIS接口　　　　　　　　　　　b　云臺控制接口實物圖　　　　　　　　　c　仿真結(jié)果　　　　　　圖4　雷達、云臺接口及控制系統(tǒng)回路

航跡點目標相對雷達方位距離目標相對攝像頭方位角、俯仰角和焦距B/(°)s/nm方位角z/(°)俯仰角j/(°)焦距D/nm1157.257.70119.400.451.422160.547.79140.370.441.45

a　雷達圖像　　　　　　　　　　 　　b　海圖坐標平面態(tài)勢圖　　　　　　　　　　 　　c　監(jiān)控視頻圖5　雷達、海圖坐標平面態(tài)勢及監(jiān)控視頻

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Intelligent video monitoring system based on RADAR ATA and AIS

FENG Aiguo, XUE Conghua,WU Wei

(DepartmentofNavigation,NantongShippingCollege,JiangsuNantong226010,China)

Abstract:In order to solve the problem that traditional video monitoring system only can monitor a certain fixed area, unable to cover the whole or associated surveillance field , a intelligent video monitoring system based on RADAR or AIS source localization is proposed in this paper. The RADAR or AIS parameter is used to locate targer signals, then the local and remote CMOS camera are drived to monitor guide position and a series of actions such as active objects recognition, video surveillance, alarm are executed. The hardware and software configurations and design of flow are introduced. Finally, the simulation result is also given in this paper.

Key words:RADAR tracking; AIS; AHRS; serials and network; video surveillance

中圖分類號：TP277

文獻標志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.02.025

基金項目：南通市科技計劃研究項目(BK2014031);江蘇交通科研課題(2014C04-11);江蘇省“333工程”(第三層次)科研項目資助基金項目(BRA2014312)

作者簡介：

馮愛國 (1970— )，副教授，主要研究方向為航海及導航技術(shù)、計算機在航海中的應(yīng)用。

責任編輯：閆雯雯

收稿日期：2015-08-03

文獻引用格式：馮愛國，薛叢華，吳煒. 導航雷達或AIS引導的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電視技術(shù)，2016,40(2)：132-136.

FENG A G, XUE C H, WU W. Intelligent video monitoring system based on RADAR ATA and AIS [J].Video engineering, 2016,40(2)：132-136.