專利名稱：一種基于模式識別的自動瞄準激光驅鳥裝置及驅鳥方法
技術領域：
本發明屬于驅鳥裝置技術領域，具體涉及ー種基于模式識別的自動瞄準激光驅鳥裝置及驅鳥方法。
背景技術：
目前在航空、電カ等領域，鳥類對航空領域飛機的飛行安全造成嚴重的安全隱患；而鳥類在高壓桿塔上筑巢，也會對電カ系統的安全造成影響；同時，鳥類的排泄物會腐蝕金屬設備，造成設備使用壽命縮短、提前報廢以及各類使用故障。目前一般采用人工驅鳥，不僅浪費人力財力，效果也不甚理想。而捕殺鳥類則會影響生態平衡，非長久之計。還有利用各種聲音驅鳥的裝置，雖然初期會起到ー些作用，但由于鳥類的適應能力極強，其效果會逐漸下降。利用仿生擬態之類的裝置驅鳥，同樣由于鳥類的適應能力而難以起到應有的作用。還有利用閃光之類的方法驅鳥，由于白天自然光很強， 閃光的作用范圍極有限，僅在自然光較弱的條件下能夠體現效果，且也會逐漸被鳥類所適應。目前的激光驅鳥裝置，如專利號CN200820068090. 8的專利，是ー種靠人工瞄準的激光驅鳥裝置，由于人工瞄準的精度差，且浪費人力資源，所以其效果受到影響。而專利號為CN200520029033. 5的專利激光驅鳥燈，則是在水平360度和垂直90度的范圍內進行掃描(半球形覆蓋整個天空)，其激光功率分散嚴重，驅鳥效果也會受到影響，如果想達到理想效果，則需使用大功率的激光器，其散熱等條件相當苛刻，會造成成本上升；且大范圍的無差別掃描照射，可能會對周圍的行人、車輛甚至飛機等設備造成影響，造成嚴重后果。專利號為CN201110330328. 6的專利激光驅鳥器采用一束功率為500mW，直徑152mm的綠色激光向下貼著地面掃描，能夠驅趕落在地上的鳥類，也在一定程度上避免了掃描激光對過往行人、車輛和飛機的干擾。但是對飛行中的鳥類無能為力，且有可能對小孩和寵物造成影響。

發明內容
本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提供ー種基于模式識別的自動瞄準激光驅鳥裝置及驅鳥方法，不僅可以實現對鳥類的自動跟蹤和瞄準，而且能夠采用低功率激光掃描，降低了能耗和對激光器的要求，進而降低成本。為達到上述目的，本發明采取的技術方案是提供一種基于模式識別的自動瞄準激光驅鳥裝置，其特征在于包括水平轉臺、垂直轉臺；所述垂直轉臺設置在水平轉臺上，且水平轉臺與垂直轉臺活動連接；所述垂直轉臺內設置有攝像頭；所述垂直轉臺上設置有激光器。所述攝像頭的軸線與和激光器的軸線互相平行。所述水平轉臺、垂直轉臺、攝像頭、激光器均通過數據線與控制器連接。所述控制器通過以太網與后臺設備的服務器連接。
所述控制器為PC機或能夠實現圖像處理功能的嵌入式處理器。ー種基于模式識別的驅鳥方法，其特征在于包括以下步驟a、開始，打開水平轉臺電源、垂直轉臺電源、攝像頭電源、激光器電源、和控制器；b、程序初始化，對水平轉臺、垂直轉臺、控制器進行程序初始化；控制水平轉臺和垂直轉臺復位；使攝像頭和激光器處于關閉狀態；C、啟動攝像頭，攝像頭進入攝像ホ旲式；d、按照設置路徑掃描，控制器啟動掃描路徑程序，同時啟動水平轉臺和垂直轉臺；水平轉臺和垂直轉臺帶動攝像頭和激光器按照掃描路徑程序設定的路徑進行掃描，攝像頭將采集的圖像數據傳送至控制器；e、圖像背景差分，控制器對接收到的圖像數據進行背景差分處理； f、是否有活動物體，根據步驟e中背景差分處理結果，判斷是否存在移動的物體，如果存在移動的物體，則提取運動物體的圖像數據，并進入步驟g ;如果不存在移動的物體，則返回步驟d，繼續掃描；g、圖形特征匹配，控制器將步驟f提取的運動物體圖像數據結合控制器數據庫中的鳥類特征圖像進行圖形特征匹配；h、活動物體是否為鳥類，根據步驟g圖形特征匹配的結果，如果是鳥類，則進入步驟i ;如果不是鳥類，則返回步驟d，繼續掃描；i、執行驅鳥程序，驅鳥程序執行完成后返回步驟d，繼續掃描。所述步驟i包括以下分步驟il、開始，根據步驟d控制器接收到的圖像數據，確定鳥類圖像在采集圖像中的位置；i2、鎖定目標，根據步驟il確定的鳥類圖像在采集圖像中的位置，控制器驅動水平轉臺和垂直轉臺轉動，水平轉臺和垂直轉臺帶動攝像頭移動至鳥類圖像位于采集圖像上的瞄準中心位置，鎖定目標；i3、開啟激光器，控制器啟動激光器，對鳥類進行定點照射；i4、跟蹤目標，控制器啟動跟蹤目標程序，根據鳥類圖像在采集圖像中的位置，控制水平轉臺和垂直轉臺帶動攝像頭轉動，保持鳥類圖像位于采集圖像上的瞄準中心位置，并利用激光器對鳥類進行定點照射；i5、目標是否離開，攝像頭將采集的圖像數據實時傳送至控制器，控制器對攝像頭采集的圖像數據進行背景差分處理和進行圖形特征匹配，并根據背景差分處理結果和圖形特征匹配結果判斷鳥類是否離開探測區域，如果鳥類已經離開探測區域，控制器關閉激光器，驅鳥程序結束；如果鳥類沒有離開探測區域，則返回步驟i4，繼續跟蹤照射。所述步驟i2和步驟i4中根據鳥類圖像在采集圖像中的位置實現鎖定目標和跟蹤目標任務的過程包括以下分步驟①、開始，根據步驟il確定的鳥類圖像在采集圖像中的位置，以采集圖像上的瞄準中心位置為原點，建立直角坐標系，進而確定鳥類圖像在直角坐標系中的坐標；②、計算垂直偏離誤差，根據步驟①確定的鳥類圖像在直角坐標系中的坐標，計算鳥類圖像距采集圖像中心位置的垂直距離；③、計算水平偏離誤差，根據步驟①確定的鳥類圖像在直角坐標系中的坐標，計算鳥類圖像距采集圖像中心位置的水平距離；④、通過PID計算垂直控制量，根據步驟②計算的鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置的垂直距離，通過PID計算出控制器應對垂直轉臺輸出的垂直控制量；⑤、通過PID計算水平控制量，根據步驟③計算的鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置的水平距離，通過PID計算出控制器應對水平轉臺輸出的水平控制量；⑥、垂直控制量輸出，控制器根據步驟④得到的垂直控制量驅動垂直轉臺；⑦、水平控制量輸出，控制器根據步驟⑤得到的水平控制量驅動水平轉臺；⑧、結束，垂直轉臺和水平轉臺根據控制器的指示旋轉至鳥類圖像位于采集圖像上的瞄準中心位置，完成鎖定目標或跟蹤目標的任務。 本發明提供的基于模式識別的自動瞄準激光驅鳥裝置及驅鳥方法具有以下有益效果I、該自動瞄準驅鳥裝置及驅鳥方法首先利用攝像頭尋找目標和定位目標，激光器再發射激光達到驅鳥的目的，這樣不僅避免了激光的隨意照射，從而避免激光器對人和過往車輛的干擾，而且降低了功耗，可以采用低功率的激光器，降低成本；2、該自動瞄準驅鳥裝置由于采用低功率的激光器，僅對鳥類暫時性致盲，不會對鳥類造成嚴重傷害，也避免了由于鳥類對驅鳥裝置的適應而導致的驅鳥效果下降；3、該驅鳥方法利用攝像頭實時采集數據，并利用控制器對采集的數據進行圖像背景差分處理和圖形特征匹配處理，能夠精準的鎖定目標并實時跟蹤目標，為驅鳥任務的完成提供了可靠的保證；4、該自動瞄準驅鳥裝置可以通過以太網更新控制器數據庫中的鳥類特征圖像、掃描路徑程序等以適應不同應用場合的需求；5、該自動瞄準驅鳥裝置及驅鳥方法能夠自動完成驅鳥作業，節省了人力和財力。


圖I為基于模式識別的自動瞄準激光驅鳥裝置的結構示意圖。圖2為基于模式識別的驅鳥方法流程圖。圖3為驅鳥程序流程圖。圖4為根據鳥類在攝像頭中的位置實現鎖定目標和跟蹤目標任務過程流程圖。圖5為自動瞄準驅鳥裝置尋找到目標時示意圖。圖6為自動瞄準驅鳥裝置鎖定目標時示意圖。其中，I、水平轉臺；2、垂直轉臺；3、攝像頭；4、激光器。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行詳細的描述，但它不是對本發明的進ー步限制。如圖I所示，該自動瞄準激光驅鳥裝置包括水平轉臺I、垂直轉臺2 ;垂直轉臺2設置在水平轉臺I上，且水平轉臺I與垂直轉臺2活動連接；垂直轉臺2內設置有攝像頭3;垂直轉臺2上設置有激光器4。攝像頭3的軸線與和激光器4的軸線互相平行。水平轉臺I、垂直轉臺2、攝像頭3、激光器4均通過數據線與控制器連接。控制器通過以太網與后臺設備的服務器連接，協調工作；控制器也可以不接入以太網，獨立工作。控制器為PC機或能夠實現圖像處理功能的嵌入式處理器。能夠實現圖像處理功能的嵌入式處理器可以為 ARM (Advanced RISC Machines)、DSP (Digital Signal Processing) >FPGA(Field-Programmable Gate Array)的控制器。由于采用的水平轉臺I可以實現水平面內360°旋轉，垂直轉臺2可以實現90°旋轉，因此自動瞄準激光驅鳥裝置可以帶動攝像頭3和激光器4實現半球形的全方位瞄準。由于攝像頭3和激光器4平行安裝，激光器4發出的激光束和攝像頭3采集的圖像的中心并不重合，其誤差為攝像頭3 鏡頭中軸線與激光器4中軸線之間的距離。該誤差的存在將導致系統瞄準后，激光無法準確照射目標。為解決上述問題，須采用機械直徑較小的攝像頭3和激光器4，同時在制造驅鳥裝置過程中對系統瞄準裝置進行標定。在有效距離內使用該設備照射在不同距離、與激光束垂直的平面上，并記錄激光落點在攝像頭3采集圖像上的位置，對所有的激光落點進行統計，其幾何中心即為采集圖像上的瞄準中心位置。如圖2所示，基于模式識別的驅鳥方法，包括以下步驟a、開始，打開水平轉臺電源、垂直轉臺電源、攝像頭電源、激光器電源、和控制器；b、程序初始化，對水平轉臺I、垂直轉臺2、控制器進行程序初始化；控制水平轉臺I和垂直轉臺2復位；使攝像頭3和激光器4處于關閉狀態；C、啟動攝像頭3，攝像頭3進入攝像ホ旲式；d、按照設置路徑掃描，控制器啟動掃描路徑程序，同時啟動水平轉臺I和垂直轉臺2 ;水平轉臺I和垂直轉臺2帶動攝像頭3和激光器4按照掃描路徑程序設定的路徑進行掃描，攝像頭3將采集的圖像數據傳送至控制器；e、圖像背景差分，控制器對接收到的圖像數據進行背景差分處理；f、是否有活動物體，根據步驟e中背景差分處理結果，判斷是否存在移動的物體，如果存在移動的物體，則提取運動物體的圖像數據，并進入步驟g ;如果不存在移動的物體，則返回步驟d，繼續掃描；g、圖形特征匹配，控制器將步驟f提取的運動物體圖像數據結合控制器數據庫中的鳥類特征圖像進行圖形特征匹配；h、活動物體是否為鳥類，根據步驟g圖形特征匹配的結果，如果是鳥類，則進入步驟i ;如果不是鳥類，則返回步驟d，繼續掃描；i、執行驅鳥程序，驅鳥程序執行完成后返回步驟d，繼續掃描。如圖3所示,上述步驟i包括以下分步驟il、開始，根據步驟d控制器接收到的圖像數據，確定鳥類圖像在采集圖像中的位置(如圖5所示)；i2、鎖定目標，根據步驟il確定的鳥類圖像在采集圖像中的位置，控制器驅動水平轉臺I和垂直轉臺2轉動，水平轉臺I和垂直轉臺2帶動攝像頭3移動至鳥類圖像位于采集圖像上的瞄準幾何中心位置，鎖定目標(如圖6所示)；i3、開啟激光器4，控制器啟動激光器4，對鳥類進行定點照射；i4、跟蹤目標，控制器啟動跟蹤目標程序，控制器實時接收攝像頭3傳輸的圖像數據，根據鳥類圖像在采集圖像中的位置，控制水平轉臺I和垂直轉臺2帶動攝像頭3轉動，保持鳥類圖像位于采集圖像上的瞄準中心位置(如圖6所示)，并利用激光器4對鳥類進行定點照射；
i5、目標是否離開，攝像頭3將采集的圖像數據實時傳送至控制器，控制器對攝像頭3采集的圖像數據進行背景差分處理和進行圖形特征匹配，并根據背景差分處理結果和圖形特征匹配結果判斷鳥類是否離開探測區域(也即攝像頭3沿掃描路徑程序設定的路徑所能覆蓋的區域)，如果鳥類已經離開探測區域，控制器關閉激光器4，驅鳥程序結束；如果鳥類沒有離開探測區域，則返回步驟i4，繼續跟蹤照射。如圖4所示，上述步驟i2和步驟i4中根據鳥類圖像在采集圖像中的位置實現鎖定目標和跟蹤目標任務的過程包括以下分步驟①、開始，根據步驟il確定的鳥類圖像在采集圖像中的位置，以采集圖像上的瞄準中心位置為原點，建立直角坐標系，進而確定鳥類圖像在直角坐標系中的坐標；②、計算垂直偏離誤差，根據步驟①確定的鳥類圖像在直角坐標系中的坐標，計算鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置的垂直距離(也即鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置垂直方向的像素點個數)(如圖5所示)； ③、計算水平偏離誤差，根據步驟①確定的鳥類圖像在直角坐標系中的坐標，計算鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置的水平距離(也即鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置水平方向的像素點個數)(如圖5所示)；④、通過PID (比例微分積分)計算垂直控制量，根據步驟②計算的鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置的垂直距離，通過PID計算出控制器應對垂直轉臺2輸出的垂直控制量；⑤、通過PID計算水平控制量，根據步驟③計算的鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置的水平距離，通過PID計算出控制器應對水平轉臺I輸出的水平控制量；⑥、垂直控制量輸出，控制器根據步驟④得到的垂直控制量驅動垂直轉臺2 ；⑦、水平控制量輸出，控制器根據步驟⑤得到的水平控制量驅動水平轉臺I ;⑧、結束，垂直轉臺2和水平轉臺I根據控制器的指示旋轉至鳥類圖像位于采集圖像上的瞄準中心位置，完成鎖定目標或跟蹤目標的任務(如圖6所示)。
權利要求
1.一種基于模式識別的自動瞄準激光驅鳥裝置，其特征在于包括水平轉臺(I)、垂直轉臺(2);所述垂直轉臺(2)設置在水平轉臺(I)上，且水平轉臺(I)與垂直轉臺(2)活動連接；所述垂直轉臺(2)內設置有攝像頭(3);所述垂直轉臺(2)上設置有激光器(4)。
2.根據權利要求I所述的自動瞄準激光驅鳥裝置，其特征在于所述攝像頭(3)的軸線與和激光器(4)的軸線互相平行。
3.根據權利要求I或2所述的自動瞄準激光驅鳥裝置，其特征在于所述水平轉臺(I)、垂直轉臺(2)、攝像頭(3)、激光器(4)均通過數據線與控制器連接。
4.根據權利要求3所述的自動瞄準激光驅鳥裝置，其特征在于所述控制器通過以太網與后臺設備的服務器連接。
5.根據權利要求3所述的自動瞄準激光驅鳥裝置，其特征在于所述控制器為PC機或能夠實現圖像處理功能的嵌入式處理器。
6.一種基于模式識別的驅鳥方法，其特征在于包括以下步驟 a、開始，打開水平轉臺電源、垂直轉臺電源、攝像頭電源、激光器電源、和控制器； b、程序初始化，對水平轉臺(I)、垂直轉臺(2)、控制器進行程序初始化；控制水平轉臺(1)和垂直轉臺⑵復位；使攝像頭⑶和激光器⑷處于關閉狀態； C、啟動攝像頭(3)，攝像頭(3)進入攝像模式； d、按照設置路徑掃描，控制器啟動掃描路徑程序，同時啟動水平轉臺(I)和垂直轉臺(2);水平轉臺(I)和垂直轉臺(2)帶動攝像頭(3)和激光器(4)按照掃描路徑程序設定的路徑進行掃描，攝像頭(3)將采集的圖像數據傳送至控制器； e、圖像背景差分，控制器對接收到的圖像數據進行背景差分處理； f、是否有活動物體，根據步驟e中背景差分處理結果，判斷是否存在移動的物體，如果存在移動的物體，則提取運動物體的圖像數據，并進入步驟g ;如果不存在移動的物體，則返回步驟d，繼續掃描； g、圖形特征匹配，控制器將步驟f提取的運動物體圖像數據結合控制器數據庫中的鳥類特征圖像進行圖形特征匹配； h、活動物體是否為鳥類，根據步驟g圖形特征匹配的結果，如果是鳥類，則進入步驟i;如果不是鳥類，則返回步驟d，繼續掃描； i、執行驅鳥程序，驅鳥程序執行完成后返回步驟d，繼續掃描。
7.根據權利要求6所述的基于模式識別的驅鳥方法，其特征在于所述步驟i包括以下分步驟 ·11、開始，根據步驟d控制器接收到的圖像數據，確定鳥類圖像在采集圖像中的位置； · 12、鎖定目標，根據步驟il確定的鳥類圖像在采集圖像中的位置，控制器驅動水平轉臺(I)和垂直轉臺(2)轉動，水平轉臺(I)和垂直轉臺(2)帶動攝像頭(3)移動至鳥類圖像位于采集圖像上的瞄準中心位置，鎖定目標； ·13、開啟激光器(4)，控制器啟動激光器(4)，對鳥類進行定點照射； ·14、跟蹤目標，控制器啟動跟蹤目標程序，根據鳥類圖像在采集圖像中的位置，控制水平轉臺(I)和垂直轉臺(2)帶動攝像頭(3)轉動，保持鳥類圖像位于采集圖像上的瞄準中心位置，并利用激光器(4)對鳥類進行定點照射； ·15、目標是否離開，攝像頭(3)將采集的圖像數據實時傳送至控制器，控制器對攝像頭(3)采集的圖像數據進行背景差分處理和進行圖形特征匹配，并根據背景差分處理結果和圖形特征匹配結果判斷鳥類是否離開探測區域，如果鳥類已經離開探測區域，控制器關閉激光器(4)，驅鳥程序結束；如果鳥類沒有離開探測區域，則返回步驟i4，繼續跟蹤照射。
8.根據權利要求7所述的基于模式識別的驅鳥方法，其特征在于所述步驟i2和步驟i4中根據鳥類圖像在采集圖像中的位置實現鎖定目標和跟蹤目標任務的過程包括以下分步驟 ①、開始，根據步驟il確定的鳥類圖像在采集圖像中的位置，以采集圖像上的瞄準中心位置為原點，建立直角坐標系，進而確定鳥類圖像在直角坐標系中的坐標； ②、計算垂直偏離誤差，根據步驟①確定的鳥類圖像在直角坐標系中的坐標，計算鳥類圖像距采集圖像中心位置的垂直距離； ③、計算水平偏離誤差，根據步驟①確定的鳥類圖像在直角坐標系中的坐標，計算鳥類圖像距采集圖像中心位置的水平距離； ④、通過PID計算垂直控制量，根據步驟②計算的鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置的垂直距離，通過PID計算出控制器應對垂直轉臺(2)輸出的垂直控制量； ⑤、通過PID計算水平控制量，根據步驟③計算的鳥類圖像距采集圖像上的瞄準中心位置的水平距離，通過PID計算出控制器應對水平轉臺(I)輸出的水平控制量； ⑥、垂直控制量輸出，控制器根據步驟④得到的垂直控制量驅動垂直轉臺(2); ⑦、水平控制量輸出，控制器根據步驟⑤得到的水平控制量驅動水平轉臺(I)； ⑧、結束，垂直轉臺(2)和水平轉臺(I)根據控制器的指示旋轉至鳥類圖像位于采集圖像上的瞄準中心位置，完成鎖定目標或跟蹤目標的任務。
全文摘要
本發明公開了一種基于模式識別的自動瞄準激光驅鳥裝置，包括水平轉臺、垂直轉臺；垂直轉臺設置在水平轉臺上，且水平轉臺與垂直轉臺活動連接；垂直轉臺內設置有攝像頭；垂直轉臺上設置有激光器。此外，本發明還公開了一種基于識別模式的驅鳥方法，首先利用攝像頭尋找目標和定位目標，激光器再發射激光達到驅鳥的目的。本發明提供的驅鳥裝置及驅鳥方法不僅避免了激光的隨意照射，從而避免激光器對人和過往車輛的干擾，而且對鳥類定位精準，采用低功率的激光器進行驅趕，降低成本；不會對鳥類造成嚴重傷害，也避免了由于鳥類對驅鳥裝置的適應而導致的驅鳥效果下降；還可根據不同應用場合更新控制器數據庫和應用程序，增加本裝置適應性。
文檔編號A01M29/10GK102860300SQ20121034963
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日
發明者吳斌, 丁星, 何橋 申請人:西南科技大學