一種用于高速無(wú)人機(jī)的對(duì)地目標(biāo)捕獲和識(shí)別方法

王春龍，馬傳焱，時(shí)荔蕙，郝博雅，周　洲

(1.西北工業(yè)大學(xué) 無(wú)人機(jī)特種技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；

2.中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012)

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一種用于高速無(wú)人機(jī)的對(duì)地目標(biāo)捕獲和識(shí)別方法

王春龍1,2，馬傳焱2，時(shí)荔蕙2，郝博雅2，周洲1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 無(wú)人機(jī)特種技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；

2.中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012)

摘要隨著高速無(wú)人機(jī)的應(yīng)用愈加廣泛，高速無(wú)人機(jī)對(duì)地目標(biāo)的捕獲方法也成為研究熱點(diǎn)。提出了一種用于高速無(wú)人機(jī)的對(duì)地目標(biāo)捕獲、識(shí)別方法。該方法捕獲速度快、適用范圍廣，所需裝置簡(jiǎn)單，使用方便，可克服圖像快速刷新，人工引導(dǎo)方法無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、捕獲鎖定失敗等問(wèn)題，提高了大速高比條件下對(duì)地捕獲、跟蹤的可靠性和便捷性，豐富了無(wú)人機(jī)對(duì)地目標(biāo)捕獲、識(shí)別理論。

關(guān)鍵詞高速無(wú)人機(jī)；目標(biāo)捕獲；目標(biāo)識(shí)別；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

A Method of Ground Target Acquisition and Identification for High-speed UAV

WANG Chun-long1,2,MA Chuan-yan2,SHI Li-hui2,HAO Bo-ya2,ZHOU Zhou1

(1.ScienceandTechnologyonUAVLaboratory,NorthwesternPolytechnicUniversity,Xi’anShaanxi710065,China;

2.Unit63961,PLA,Beijing100012,China)

AbstractWith the extensive application of high-speed UAV,the method of ground target acquisition is the hotspot of research.This paper presents a method of target acquisition and identification for high-speed UAV.The method has such characteristics as rapid acquisition,broad application,and simple device and operation.It can solve such problems as rapid image refreshing,target missing in manual guidance,and failure in target lock-on.Moreover,the reliability and simplicity of ground target acquisition and tracking are improved.This method enriches the theory of UAV technique of ground target acquisition and identification,and has an important military value and practical significance.

Key wordshigh-speed UAV;target acquisition;target identification;coordinate transformation

0引言

高速無(wú)人機(jī)具有飛行速度快、突防能力強(qiáng)和偵察效率高等優(yōu)點(diǎn)，在陸軍精確打擊體系中發(fā)揮重要作用[1]。但隨著無(wú)人機(jī)飛行速度的提高，光電成像速高比和圖像刷新率不斷增大，地面目標(biāo)在獲取圖像中的駐留時(shí)間不斷減少，嚴(yán)重影響人工發(fā)現(xiàn)和識(shí)別地面目標(biāo)。一般認(rèn)為，目標(biāo)在圖像中至少駐留8～10 s才能被人工觀測(cè)和識(shí)別，目標(biāo)在圖像中駐留時(shí)間的減少意味著漏檢或誤判的可能性攀升，需要采取措施為目標(biāo)捕獲、跟蹤提供可靠的方法。

趙基宇等[2]針對(duì)無(wú)人飛艇地面目標(biāo)檢測(cè)中細(xì)節(jié)信息缺失的問(wèn)題，提出利用Lucas-Kanade方法跟蹤目標(biāo)區(qū)域內(nèi)特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)目標(biāo)的連續(xù)檢測(cè)。通過(guò)圖像特征點(diǎn)的跟蹤估計(jì)相鄰幀圖像間的全局運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，利用補(bǔ)償后的幀差圖實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)；辛哲奎等[3]針對(duì)小型無(wú)人機(jī)地面目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，提出了一種借助于圖像中靜態(tài)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息，來(lái)估計(jì)由于攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的圖像變化，并進(jìn)而估計(jì)得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，從而減少機(jī)載傳感器噪聲對(duì)目標(biāo)速度估計(jì)的影響；賈偉等[4]依據(jù)規(guī)劃航線和飛機(jī)姿態(tài)與高度信息建立了“視線定角”的平臺(tái)數(shù)引模型，改善了條帶連拍性能和區(qū)域搜索的操作疲勞度。通過(guò)建立轉(zhuǎn)臺(tái)方位角和高低角數(shù)引模型，解決了無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)飛行過(guò)程中控制光軸持續(xù)指向目標(biāo)的問(wèn)題，保持目標(biāo)持續(xù)穩(wěn)定跟蹤；邱曉波等[5]將地面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作為先驗(yàn)信息，設(shè)計(jì)了一種基于加權(quán)觀測(cè)融合卡爾曼濾波器和模型組切換方法變結(jié)構(gòu)多模型算法的地面目標(biāo)跟蹤算法；謝斌等[6]提出了一種基于貝葉斯濾波器和適航地圖的跟蹤算法(BF-H map)解決間斷觀測(cè)下的無(wú)人機(jī)地面目標(biāo)跟蹤問(wèn)題；王建平等[7]給出連續(xù)圖像幀差分和二次幀差分改進(jìn)的圖像HSI差分模型，采用自適應(yīng)分割算法能在任意條件下自動(dòng)提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)視頻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)與識(shí)別；范秀英等[8]為滿足航空相機(jī)成像時(shí)影像重疊率和動(dòng)態(tài)分辨率的需要，運(yùn)用公式推導(dǎo)法分析了速高比對(duì)照相間隔和影像位移的影響；張景國(guó)等[9]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)前向像移的補(bǔ)償，提出一種通過(guò)合理調(diào)整快門曝光時(shí)間和飛機(jī)速高比之間的關(guān)系來(lái)補(bǔ)償前向像移的方法；任航等[10]采用在相機(jī)與飛機(jī)間增設(shè)3軸穩(wěn)定平臺(tái)的機(jī)械式像移補(bǔ)償法來(lái)補(bǔ)償姿態(tài)像移和前向像移，3軸穩(wěn)定平臺(tái)的3軸按照與飛機(jī)姿態(tài)變化角速率相等、方向相反進(jìn)行旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償姿態(tài)像移，3軸穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰軸以飛行方向反方向、角速率等于速高比旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償前向像移。

綜上，由于自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)技術(shù)發(fā)展水平限制，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有很好的方法解決高速無(wú)人機(jī)的對(duì)地目標(biāo)捕獲和識(shí)別問(wèn)題。普遍采用的基于人工控制光電成像設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償載機(jī)速高比，實(shí)際使用中由于人工操作難以準(zhǔn)確控制各軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)速度而導(dǎo)致目標(biāo)搜索、捕獲和識(shí)別操作失敗。

本文提出了基于一種裝置的對(duì)地目標(biāo)捕獲識(shí)別方法，通過(guò)仿真驗(yàn)證了方法的有效性。

1對(duì)地目標(biāo)捕獲識(shí)別裝置

對(duì)地目標(biāo)捕獲、識(shí)別裝置構(gòu)成如圖1所示，裝置主要包括航空光電成像設(shè)備1、固定基板2、慣導(dǎo)4、飛控計(jì)算機(jī)7、航空光電成像設(shè)備至慣導(dǎo)和飛控計(jì)算機(jī)的電纜3以及航空光電成像設(shè)備至飛控計(jì)算機(jī)的電纜6和飛機(jī)8組成。

圖1　對(duì)地目標(biāo)捕獲、識(shí)別裝置構(gòu)成示意

航空光電成像設(shè)備1通過(guò)固定基板2固定在飛機(jī)8上，航空光電成像設(shè)備1至慣導(dǎo)4和飛控計(jì)算機(jī)7的電纜3、航空光電成像設(shè)備1至飛控計(jì)算機(jī)7的電纜6將航空光電成像設(shè)備1、慣導(dǎo)4和飛控計(jì)算機(jī)聯(lián)系在一起。航空光電成像設(shè)備實(shí)時(shí)接收慣導(dǎo)送來(lái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收飛控計(jì)算機(jī)送來(lái)的搜索、捕獲或跟蹤指令和地面目標(biāo)地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)已知或未知地面坐標(biāo)目標(biāo)進(jìn)行捕獲和識(shí)別。

2已知位置目標(biāo)的捕獲識(shí)別

2.1算法原理

目標(biāo)定位坐標(biāo)關(guān)系示意圖如圖2所示，當(dāng)航空光電成像設(shè)備準(zhǔn)確指向地面目標(biāo)時(shí)，航空光電成像設(shè)備與地面目標(biāo)之間的連線即是航空光電成像設(shè)備的光軸。在地球直角坐標(biāo)系中，根據(jù)幾何學(xué)原理可知，已知2個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)后可以求解出連接這2個(gè)端點(diǎn)的線段相對(duì)坐標(biāo)平面的夾角，而這一夾角就是航空光電成像設(shè)備的光軸指向角度。根據(jù)坐標(biāo)解算后可以實(shí)時(shí)解算出載機(jī)動(dòng)態(tài)飛行中航空光電成像設(shè)備的光軸指向角度從而引導(dǎo)航空光電成像設(shè)備實(shí)時(shí)指向目標(biāo)，達(dá)到“目標(biāo)地理經(jīng)緯度位置引導(dǎo)跟蹤”的效果。該引導(dǎo)跟蹤效果指向目標(biāo)后，可以使目標(biāo)保持在視場(chǎng)中，從而達(dá)到延長(zhǎng)目標(biāo)在視場(chǎng)內(nèi)的駐留時(shí)間，為操作人員捕獲目標(biāo)、判斷和識(shí)別目標(biāo)提供了充分的時(shí)間。

圖2　目標(biāo)定位坐標(biāo)關(guān)系示意

航空光電成像設(shè)備對(duì)已知經(jīng)緯度目標(biāo)的跟蹤算法步驟如下：

① 利用目標(biāo)的大地坐標(biāo)系(L1,B1,H1)、載機(jī)的坐標(biāo)系(L2,B2,H2)解算出目標(biāo)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x1,y1,z1)：

式中，Re為地球半徑。

② 利用無(wú)人機(jī)航向角φ、俯仰角γ和滾轉(zhuǎn)角θ分別進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到目標(biāo)在航空光電成像設(shè)備框架坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x2,y2,z2)：

③ 根據(jù)目標(biāo)坐標(biāo)(x2,y2,z2)計(jì)算出航空光電成像設(shè)備與地面目標(biāo)之間的連線在航空光電成像設(shè)備框架坐標(biāo)系中的驅(qū)動(dòng)角度(α,β)：

航空光電成像設(shè)備控制框架電機(jī)隨動(dòng)此角度(α,β)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指向地面目標(biāo)。

2.2仿真驗(yàn)證

按照2.1節(jié)所述原理，搭建半實(shí)物仿真環(huán)境，對(duì)算法功能進(jìn)行驗(yàn)證。

設(shè)置地面目標(biāo)位置為：

(L1,B1,H1)=(107.923 40°,19.654 10°,0.5 km)。

連續(xù)采集多組數(shù)據(jù)進(jìn)行框架驅(qū)動(dòng)角度計(jì)算，表1中列出了其中10組數(shù)據(jù)。

表1　仿真數(shù)據(jù)

最終，框架電機(jī)在表1所示的(α,β)角度驅(qū)動(dòng)下，能夠讓瞄準(zhǔn)線實(shí)時(shí)指向地面目標(biāo)，算法原理和功能得到驗(yàn)證。

3未知位置目標(biāo)的捕獲識(shí)別

3.1算法原理

無(wú)人機(jī)相對(duì)地面目標(biāo)高速飛行，導(dǎo)致地面目標(biāo)快速地從航空光電成像設(shè)備的視場(chǎng)內(nèi)穿過(guò)，這一穿越角速度可由載機(jī)飛行速度、載機(jī)姿態(tài)、航空光電成像設(shè)備的框架角和載機(jī)相對(duì)地面的高度信息通過(guò)坐標(biāo)變換而解算得到。利用此穿越角速度控制航空光電成像設(shè)備的框架反向運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)精確的“速高比補(bǔ)償”效果。此速高比補(bǔ)償指向目標(biāo)后，可以使目標(biāo)保持在視場(chǎng)中，從而達(dá)到延長(zhǎng)目標(biāo)在視場(chǎng)內(nèi)駐留時(shí)間的目的，為操作人員捕獲目標(biāo)、判斷和識(shí)別目標(biāo)提供了充分的時(shí)間。

此方法經(jīng)歷2個(gè)步驟，第1階段是自主目標(biāo)定位，第2階段是自主數(shù)引。

② 利用無(wú)人機(jī)航向角φ、俯仰角γ、滾轉(zhuǎn)角θ分別進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，得到目標(biāo)點(diǎn)在導(dǎo)航坐標(biāo)系中坐標(biāo)(x,y,z)：

③ 利用無(wú)人機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航信息經(jīng)度L、緯度B及高度H進(jìn)行坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)，得到目標(biāo)點(diǎn)在大地直角坐標(biāo)系中坐標(biāo)(X,Y,Z)：

④ 將目標(biāo)大地直角坐標(biāo)(X,Y,Z)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系(L1,B1,H1)：

⑤ 利用目標(biāo)的大地坐標(biāo)系(L1,B1,H1)、載機(jī)的坐標(biāo)系(L2,B2,H2)解算出目標(biāo)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x1,y1,z1)：

式中，Re為地球半徑。

⑥ 通過(guò)坐標(biāo)變換得到目標(biāo)在航空光電成像設(shè)備框架坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)(x2,y2,z2)：

⑦ 根據(jù)目標(biāo)坐標(biāo)計(jì)算出連線在航空光電成像設(shè)備框架坐標(biāo)系中的驅(qū)動(dòng)角度(α,β)：

航空光電成像設(shè)備控制框架電機(jī)隨動(dòng)此角度(α,β)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指向地面目標(biāo)。

3.2仿真分析

由于對(duì)未知位置目標(biāo)的捕獲識(shí)別采用的方法首先要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，所以目標(biāo)定位誤差對(duì)目標(biāo)捕獲時(shí)間有較大影響。定位誤差越小，目標(biāo)捕獲速度越快。

通過(guò)Matlab仿真建模，對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行仿真分析，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3　定位誤差對(duì)目標(biāo)捕獲時(shí)間的影響關(guān)系

由圖3可以看到，當(dāng)目標(biāo)定位誤差小于30 m時(shí)，目標(biāo)捕獲時(shí)間小于900 ms。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于目標(biāo)經(jīng)緯度數(shù)引跟蹤的對(duì)已知經(jīng)緯度目標(biāo)捕獲識(shí)別方法和基于速高比自動(dòng)解算補(bǔ)償?shù)膶?duì)未知經(jīng)緯度目標(biāo)捕獲識(shí)別方法。利用解算出光電成像設(shè)備需要指向的方位、俯仰和橫滾姿態(tài)角，控制航空光電成像設(shè)備的框架角度隨動(dòng)于此解算值，以延長(zhǎng)指向目標(biāo)的時(shí)間，進(jìn)而延長(zhǎng)了目標(biāo)駐留在視場(chǎng)中的時(shí)間，為操作人員搜索、捕獲、跟蹤和識(shí)別目標(biāo)提供了充足的時(shí)間，該方法對(duì)其他高速飛行器同樣適用，具有廣泛應(yīng)用前景。

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王春龍男，(1979—)，博士。主要研究方向：無(wú)人機(jī)技術(shù)論證與管理研究。

馬傳焱男，(1972—)，博士。主要研究方向：飛行器測(cè)控與導(dǎo)航技術(shù)研究。

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：預(yù)研基金資助項(xiàng)目(9140A2511315HK03380)。

收稿日期：2015-12-31

中圖分類號(hào)TP302

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)03-0037-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.11

引用格式：王春龍,馬傳焱,時(shí)荔蕙,等.一種用于高速無(wú)人機(jī)的對(duì)地目標(biāo)捕獲和識(shí)別方法[J].無(wú)線電工程,2016,46(3):37-40.