交會(huì)對(duì)接成像軟件的多目標(biāo)跟蹤改進(jìn)*

魏高樂(lè)，高 進(jìn)，牛和明，陳朝暉

(北京控制工程研究所，北京 100190)

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交會(huì)對(duì)接成像軟件的多目標(biāo)跟蹤改進(jìn)*

魏高樂(lè)，高 進(jìn)，牛和明，陳朝暉

(北京控制工程研究所，北京 100190)

介紹交會(huì)對(duì)接成像敏感器的工作原理以及由單組條帶預(yù)判窗口跟蹤模式的單一目標(biāo)敏感器組成的交會(huì)對(duì)接測(cè)量系統(tǒng).從敏感器嵌入式軟件的層面，提出多目標(biāo)窗口計(jì)算、多目標(biāo)條帶預(yù)判、多目標(biāo)匹配計(jì)算和多目標(biāo)測(cè)量結(jié)果處理等4項(xiàng)改進(jìn)方法，在硬件系統(tǒng)完全不變的情況下，改善多目標(biāo)跟蹤交會(huì)對(duì)接敏感器性能.該項(xiàng)改進(jìn)將單機(jī)系統(tǒng)提升為多機(jī)熱備份系統(tǒng)，提高系統(tǒng)安全性.實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)器之間的自主跟蹤切換，優(yōu)化交會(huì)對(duì)接流程.此外，變不同敏感器之間切換為敏感器處理對(duì)象切換，提升交會(huì)對(duì)接過(guò)程的可靠性.改進(jìn)后的算法已在我國(guó)交會(huì)對(duì)接各重點(diǎn)型號(hào)試驗(yàn)中順利應(yīng)用.

嵌入式軟件；交會(huì)對(duì)接；多目標(biāo)；圖像處理；敏感器

0 引 言

中國(guó)在空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)方面發(fā)展突飛猛進(jìn)，不僅完全掌握了交會(huì)對(duì)接技術(shù)，而且開(kāi)展了所有交會(huì)對(duì)接測(cè)量設(shè)備的自主研發(fā)與應(yīng)用[1-2].在對(duì)接過(guò)程中接近靠攏段，追蹤飛行器利用相對(duì)位置、角度測(cè)量敏感器精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)飛行器間的距離、相對(duì)速度和姿態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)小發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)，使之沿對(duì)接走廊向目標(biāo)最后逼近[3-4].其中所使用的測(cè)量敏感器即為交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器，作為在此階段測(cè)量?jī)蓚€(gè)飛行器相對(duì)位置、姿態(tài)的唯一敏感器，是任務(wù)成功的關(guān)鍵.

交會(huì)對(duì)接光學(xué)成像敏感器由安裝在追蹤飛行器的相機(jī)和安裝在目標(biāo)飛行器的目標(biāo)標(biāo)志器組成，其中每組目標(biāo)標(biāo)志器由若干個(gè)目標(biāo)燈或角反射器依據(jù)協(xié)議布局構(gòu)成.敏感器的任務(wù)是在對(duì)接過(guò)程中高頻成像，通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)圖像上各光點(diǎn)位置計(jì)算目標(biāo)與相機(jī)的相對(duì)位置、角度關(guān)系.

為保證敏感器在整個(gè)接近靠攏段內(nèi)測(cè)量結(jié)果的可靠穩(wěn)定和數(shù)據(jù)有效性，相機(jī)和目標(biāo)均由多套組成，互為備份，如圖1所示.目標(biāo)數(shù)量為N，成像敏感器數(shù)量為M，其中M=N×n，n=1，2，3……，即每個(gè)目標(biāo)有一個(gè)或若干個(gè)敏感器光學(xué)探頭對(duì)應(yīng)成像、識(shí)別、計(jì)算.

圖1 交會(huì)對(duì)接成像敏感器構(gòu)成Fig.1 Constitution of RVD sensor

如果目標(biāo)光點(diǎn)或布局過(guò)大會(huì)造成相機(jī)近距離內(nèi)無(wú)法完整成像，如果過(guò)小又會(huì)造成遠(yuǎn)距離照片無(wú)法清晰成像.鑒于此，目標(biāo)航天器的對(duì)接面上通常安裝光點(diǎn)或布局大小不同的N組目標(biāo)，如圖2以N=3為例所示.3組目標(biāo)分別在不同的相對(duì)距離區(qū)間下給予敏感器有效的測(cè)量圖像，稱為遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)、超近場(chǎng)目標(biāo)，各目標(biāo)成像敏感器則稱為遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)、超近場(chǎng)敏感器.

多組敏感器在不同相對(duì)距離的有效性如圖3所示.為確保交會(huì)對(duì)接過(guò)程始終能夠輸出有效測(cè)量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)、近場(chǎng)與超近場(chǎng)敏感器之間各存在一個(gè)有效區(qū)間重疊區(qū)域.未進(jìn)入重疊區(qū)域時(shí)，只有一個(gè)目標(biāo)的成像敏感器有數(shù)據(jù)輸出.當(dāng)相對(duì)距離進(jìn)入重疊區(qū)域后，相對(duì)近距離的敏感器將能輸出測(cè)量數(shù)據(jù).再進(jìn)一步靠近而離開(kāi)重疊區(qū)域后，相對(duì)遠(yuǎn)距離的敏感器不再可用，以此實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同敏感器的切換.

圖2 3組大小不同的目標(biāo)光點(diǎn)示意圖Fig.2 Illustration of spots in 3 targets with different size

圖3 各組目標(biāo)的有效距離區(qū)間Fig.3 Illustration of working zone for different targets

1 單組目標(biāo)條帶預(yù)判算法

1.1 窗口跟蹤原理

為提升敏感器數(shù)據(jù)更新率、降低圖像搜索時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)引入窗口跟蹤策略.嵌入式軟件每次成功計(jì)算后記錄每個(gè)光點(diǎn)在圖像上的坐標(biāo)位置，對(duì)下一周期新圖像僅在以各光點(diǎn)所記錄位置為中心的圖像小窗口內(nèi)進(jìn)行搜點(diǎn)操作.縮小所處理圖像像素個(gè)數(shù)，降低光點(diǎn)搜索耗時(shí).

1.2 條帶及偏移量算法

為減少探頭拍圖時(shí)間，成像敏感器探頭能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)特定行區(qū)間的拍圖操作.嵌入式軟件通過(guò)在敏感器探頭每次拍圖前，指定所需條帶的數(shù)量以及每個(gè)條帶的上下限行號(hào)，實(shí)時(shí)控制下一周期圖像的條帶情況.完整全圖成像也可視為一個(gè)特別的條帶圖.

嵌入式軟件通過(guò)光點(diǎn)預(yù)判搜索窗口預(yù)設(shè)相機(jī)探頭需要成像的條帶，同時(shí)計(jì)算每條帶的偏移量.如圖4 所示，圖4(a)為完整相機(jī)鏡頭視場(chǎng)內(nèi)的預(yù)判目標(biāo)點(diǎn)的n個(gè)搜索窗口分布.圖4(b)為需要拍圖的N個(gè)成像條帶及其之間的間隔.

圖4 跟蹤狀態(tài)下的圖像示意Fig.4 Illustration of tracking image

再通過(guò)所記錄的每個(gè)條帶對(duì)應(yīng)的寬度和偏移量，將圖4(c)恢復(fù)為圖4(b)，從而計(jì)算每個(gè)光點(diǎn)的真實(shí)位置.

1.3 條帶預(yù)判跟蹤流程

具備條帶預(yù)判跟蹤功能的交會(huì)對(duì)接敏感器軟件工作流程如圖5所示.敏感器通過(guò)一次全圖搜索計(jì)算成功后，即可進(jìn)入并始終維持在條帶窗口跟蹤模式.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：條帶預(yù)判跟蹤流程比全圖捕獲流程耗時(shí)短3個(gè)數(shù)量級(jí)，這是高頻實(shí)時(shí)更新計(jì)算結(jié)果、交會(huì)對(duì)接任務(wù)成功的關(guān)鍵.

圖5 交會(huì)對(duì)接成像敏感器軟件流程Fig.5 Flow chart of the software for RVD image sensor

結(jié)合圖3可見(jiàn)，交會(huì)對(duì)接相對(duì)遠(yuǎn)距離時(shí)只有遠(yuǎn)場(chǎng)敏感器能正常工作.由于遠(yuǎn)距離圖像光點(diǎn)位置變化小，遠(yuǎn)場(chǎng)敏感器能在靠攏運(yùn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程中完成全圖捕獲后順利切換至高頻跟蹤模式.而近場(chǎng)、超近場(chǎng)敏感器則在遠(yuǎn)距離無(wú)法成功計(jì)算，始終工作在低頻更新的全圖搜索模式，直到進(jìn)入有效區(qū)域后才能首次計(jì)算成功.與遠(yuǎn)場(chǎng)敏感器全圖捕獲工況不同，近距離圖像動(dòng)態(tài)變化較大.為避免切換到跟蹤模式后，因全圖計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而出現(xiàn)目標(biāo)光點(diǎn)已不在窗口內(nèi)從而無(wú)法跟蹤的現(xiàn)象，交會(huì)對(duì)接過(guò)程在多套敏感器有效區(qū)間重疊區(qū)域特定設(shè)計(jì)了一定時(shí)間的“相對(duì)停泊”.為近場(chǎng)、超近場(chǎng)敏感器提供靜態(tài)工況，使其能在靜態(tài)圖像狀態(tài)下完成從全圖模式到跟蹤模式的切換.

2 跟蹤軟件的多目標(biāo)改進(jìn)

2.1 多目標(biāo)光點(diǎn)窗口預(yù)測(cè)

為使近場(chǎng)、超近場(chǎng)目標(biāo)跳過(guò)全圖搜索，直接跟蹤識(shí)別，敏感器嵌入式軟件對(duì)光點(diǎn)預(yù)測(cè)窗口算法進(jìn)行改進(jìn)：成功運(yùn)算后不簡(jiǎn)單記錄每個(gè)有效光點(diǎn)位置，而是依照計(jì)算結(jié)果反推每套目標(biāo)的所有光點(diǎn)在圖像上的理論位置，作為下一個(gè)周期的跟蹤窗口中心.

計(jì)算跟蹤窗口過(guò)程如圖6所示，遠(yuǎn)距離未識(shí)別出近場(chǎng)、超近場(chǎng)兩套目標(biāo)，軟件通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的識(shí)別、計(jì)算獲取相對(duì)位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，反推所有3套目標(biāo)在成像面上的理論位置如圖6(b)所示.并以此開(kāi)辟所有光點(diǎn)的搜索窗口.

圖6 確認(rèn)跟蹤窗口過(guò)程Fig.6 Calculation process of track windows

2.2 多目標(biāo)條帶計(jì)算與優(yōu)化

如果某組目標(biāo)部分光點(diǎn)理論位置不在圖像視場(chǎng)內(nèi)，導(dǎo)致其理論上無(wú)法匹配計(jì)算，則舍棄該目標(biāo)所有光點(diǎn)窗口.針對(duì)所有理論上能夠?qū)崿F(xiàn)匹配計(jì)算的目標(biāo)器光點(diǎn)窗口，計(jì)算條帶和偏移量.

拍攝條帶圖是為保證探頭能在短時(shí)間內(nèi)完成目標(biāo)圖和背景圖的兩次拍攝[5].相對(duì)于單組目標(biāo)，多組目標(biāo)同步計(jì)算條帶勢(shì)必增大條帶的寬度.當(dāng)寬度超過(guò)探頭所能實(shí)現(xiàn)的上限時(shí)，則舍棄光點(diǎn)面積最大的遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)所有窗口，重新計(jì)算新條帶.如果不包含遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的條帶寬度仍然超過(guò)限度，則舍棄近場(chǎng)窗口，僅保留超近場(chǎng)窗口計(jì)算條帶.如圖7所示.從而保證對(duì)接靠近過(guò)程中，條帶的動(dòng)態(tài)合理分布和各組目標(biāo)的優(yōu)化切換.

2.3 多目標(biāo)同步匹配

敏感器軟件通過(guò)向探頭發(fā)送多目標(biāo)條帶參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)條帶圖像的拍攝，再針對(duì)多目標(biāo)條帶開(kāi)展多目標(biāo)同步匹配操作.基于條帶參數(shù)信息，將圖像中具備所有目標(biāo)標(biāo)志器各進(jìn)行一次搜圖、匹配、計(jì)算操作，如圖8所示.

2.4 多目標(biāo)測(cè)量結(jié)果擇優(yōu)輸出

通過(guò)多目標(biāo)匹配計(jì)算流程，每個(gè)周期最多能得到3組不同目標(biāo)的位姿結(jié)果.軟件對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，擇優(yōu)輸出.根據(jù)圖3有效區(qū)間分配，計(jì)算結(jié)果處理如下：

1)如果只有一組目標(biāo)完成計(jì)算，則輸出該組目標(biāo)結(jié)果；

2)如果有包括近場(chǎng)目標(biāo)在內(nèi)的兩組目標(biāo)完成計(jì)算，則輸出這兩組結(jié)果；

3)由于遠(yuǎn)場(chǎng)與超近場(chǎng)目標(biāo)器沒(méi)有有效區(qū)間重合區(qū)域，如果3組目標(biāo)都完成計(jì)算，則先認(rèn)定作用區(qū)間居中的近場(chǎng)目標(biāo)結(jié)果為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，同時(shí)利用該數(shù)據(jù)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)和超近場(chǎng)兩組結(jié)果進(jìn)行仲裁，認(rèn)定與近場(chǎng)結(jié)果相近的數(shù)據(jù)同為有效結(jié)果進(jìn)行輸出；

4)如果近場(chǎng)目標(biāo)未輸出有效結(jié)果，而超近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)均完成了計(jì)算，則認(rèn)為兩個(gè)計(jì)算結(jié)果均為無(wú)效，不予以輸出.

擇優(yōu)處理過(guò)程如圖9所示.

圖8 多目標(biāo)匹配計(jì)算流程Fig.8 Flowchart of multi-target calculation

圖9 多目標(biāo)結(jié)果擇優(yōu)輸出Fig.9 Optimization of the results by multi-target

3 多目標(biāo)改進(jìn)跟蹤流程

在單目標(biāo)算法的基礎(chǔ)上，新增多目標(biāo)窗口計(jì)算、多目標(biāo)條帶預(yù)判、多目標(biāo)匹配計(jì)算和多目標(biāo)測(cè)量結(jié)果處理等4個(gè)改進(jìn)措施，形成可同時(shí)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)所有目標(biāo)同步識(shí)別計(jì)算的多目標(biāo)跟蹤算法，如圖10所示.

圖10 多目標(biāo)跟蹤的軟件流程Fig.10 Flowchart of multi-target tracing software

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明針對(duì)嵌入式軟件進(jìn)行多目標(biāo)跟蹤改進(jìn)后，交會(huì)對(duì)接成像敏感器可實(shí)現(xiàn)針對(duì)有效光點(diǎn)所在條帶的單獨(dú)積分成像，且由于窗口合理刪減，雜光干擾得到有效抑制，軟件可刪去文獻(xiàn)[6]的圖像閾值計(jì)算和文獻(xiàn)[7-8]的光點(diǎn)分組篩選流程，有效降低計(jì)算耗時(shí).針對(duì)大量圖像實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

敏感器通過(guò)各項(xiàng)針對(duì)軟件的改進(jìn)后，不再具備目標(biāo)特定屬性，只要相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)有對(duì)應(yīng)的目標(biāo)成像，本體航天器上的所有敏感器都能同時(shí)作為遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)、超近場(chǎng)敏感器.特別是條帶配置算法使交會(huì)對(duì)接靠近過(guò)程中，每個(gè)敏感器的目標(biāo)條帶自動(dòng)從遠(yuǎn)場(chǎng)逐步向近場(chǎng)、超近場(chǎng)切換.避免了單目標(biāo)系統(tǒng)下，遠(yuǎn)距離時(shí)的近場(chǎng)、超近場(chǎng)敏感器和近距離時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)敏感器的閑置浪費(fèi).在硬件不變前提下，整個(gè)交會(huì)對(duì)接過(guò)程都實(shí)現(xiàn)了多機(jī)熱備份，提升了交會(huì)對(duì)接成像測(cè)量系統(tǒng)的可靠性.

表1 大量圖像試驗(yàn)結(jié)果及耗時(shí)數(shù)據(jù)Tab.1 Results and time consumption of a large number of image processes

每組目標(biāo)的光點(diǎn)窗口和條帶分布不再依據(jù)本組目標(biāo)的歷史數(shù)據(jù).僅需任何一套目標(biāo)成功計(jì)算，即可使所有目標(biāo)直接進(jìn)入跟蹤模式，使近場(chǎng)、超近場(chǎng)目標(biāo)器進(jìn)入有效量程后直接實(shí)現(xiàn)高頻跟蹤.避免了每組目標(biāo)獨(dú)立全圖搜索過(guò)程，使交會(huì)對(duì)接無(wú)需再設(shè)置安全區(qū)間停泊點(diǎn)，優(yōu)化了任務(wù)流程.

兩組目標(biāo)器有效范圍的重合區(qū)間，作為單目標(biāo)系統(tǒng)不同敏感器正常工作的切換點(diǎn)是安全性最薄弱環(huán)節(jié).而多目標(biāo)系統(tǒng)僅切換圖像條帶而不切換敏感器本身，在重合區(qū)間每套敏感器都能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩套目標(biāo)跟蹤計(jì)算，拓展了原有的安全瓶頸.

4 結(jié) 論

針對(duì)交會(huì)對(duì)接多目標(biāo)配置和停泊點(diǎn)切換設(shè)置特性，在單一目標(biāo)條帶預(yù)判跟蹤算法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多目標(biāo)窗口計(jì)算、多目標(biāo)條帶預(yù)判、多目標(biāo)匹配計(jì)算和多目標(biāo)測(cè)量結(jié)果處理等4項(xiàng)針對(duì)敏感器嵌入式軟件的改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)跟蹤的交會(huì)對(duì)接敏感器.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該改進(jìn)算法在系統(tǒng)硬件配置不變的前提下，將單機(jī)系統(tǒng)提升為多機(jī)熱備份系統(tǒng)，提高了安全性.同時(shí)改變了原有停泊點(diǎn)切換目標(biāo)的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)近場(chǎng)目標(biāo)器的直接跟蹤切換，優(yōu)化了整個(gè)交會(huì)對(duì)接任務(wù)流程.變不同敏感器之間切換為每個(gè)敏感器內(nèi)部的處理對(duì)象變化，提升了交會(huì)對(duì)接過(guò)程的可靠性.

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Improvement of Track Software for Multi-Target Image inRendezvous and Docking

WEI Gaole, GAO Jin, NIU Heming, CHEN Zhaohui

(BeijingInstituteofControlEngineering，Beijing100190，China)

The principle of rendezvous and docking image (RVD) sensor is introduced. The measure system of one-target RVD image sensor with image track windows is presented. Without any change in the hardware of the sensor, four improvements of embedded software are brought to multi-target RVD image sensor, such as multi-target calculating track windows, multi-target prediction of image row windows, multi-target image match and multi-target results optimization. The safety level ascends when the measure system becomes multi-spare mode. The automatic switch within different targets improves the process of RVD. The independence level is greatly improved while the switch of different camera is replaced by different spots in images from one camera. The improvements are already used in many missions of RVD in China.

embedded software; RVD; multi-target; image process; sensor

*國(guó)防基礎(chǔ)科研資助項(xiàng)目(JCKY2016203B006).

2016-12-05

V445.8;TP391.41

A

1674-1579(2017)02-0073-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.02.012

魏高樂(lè)(1985—)，男，工程師，研究方向?yàn)樾?船)載嵌入式軟件、模式識(shí)別；高 進(jìn)(1972—)，男，研究員，研究方向?yàn)樾?船)載嵌入式軟件；牛和明(1983—)，男，工程師，研究方向?yàn)榍度胧杰浖y(cè)試、圖像處理；陳朝暉(1969—)，男，研究員，研究方向?yàn)樾?船)載嵌入式軟件.