一種基于核相關(guān)濾波追蹤算法的無(wú)人機(jī)電視制導(dǎo)技術(shù)

邱敏卿 黃迅 葉坤 李鶴喜

摘 ?要：無(wú)人機(jī)的制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用廣泛，發(fā)展較為成熟的是軍事上的制導(dǎo)技術(shù)，民用方面的應(yīng)用近幾年才逐漸發(fā)展起來(lái)，制導(dǎo)技術(shù)的民用化還需加強(qiáng)研究。激光制導(dǎo)、紅外成像制導(dǎo)和高精度的電視制導(dǎo)價(jià)格高昂并且適用于軍事。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種成本較低、快速識(shí)別的電視制導(dǎo)技術(shù)。基于目前業(yè)界公認(rèn)的快速高效的核相關(guān)濾波追蹤算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的目標(biāo)識(shí)別追蹤功能，并且結(jié)合PID控制算法，應(yīng)用于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。在實(shí)地進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文的制導(dǎo)方案切實(shí)可行、準(zhǔn)確度高并且能夠?qū)崿F(xiàn)擊中目標(biāo)的目的。

關(guān)鍵詞：核相關(guān)濾波;目標(biāo)追蹤;PID控制算法;無(wú)人機(jī)系統(tǒng);電視制導(dǎo)

中圖分類號(hào)：TP391.41;TN713 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）17-0025-05

Abstract：The guidance technology of UAV is widely used，and the more mature development is the military guidance technology. The civilian use has gradually developed in recent years，and the civilian use of guidance technology needs to be strengthened. Laser guidance，infrared imaging guidance and high-precision TV guidance are expensive and suitable for military use. In view of the above problems，this paper proposes a low-cost，fast-recognition TV guidance technology. Based on the fast and efficient kernel correlation filter tracking algorithm recognized in the industry，real-time target recognition and tracking function is realized，and combined with PID control algorithm，it is applied to the UAV system，and a series of experiments are carried out in the field. The experimental results show that the guidance scheme proposed in this paper is feasible，accurate and can achieve the goal of hitting the target.

Keywords：kernel correlation filtering;target tracking;PID control algorithm;UAV system;TV guidance

0 ?引 ?言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，無(wú)論是航拍、監(jiān)控還是救災(zāi)，都需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤的功能。例如需要航拍一個(gè)指定的運(yùn)動(dòng)物體、監(jiān)控一個(gè)特定人物或者車輛、飛行撲滅高層樓宇的火災(zāi)等。無(wú)人機(jī)的目標(biāo)追蹤控制算法應(yīng)時(shí)而生[1]。

目前普遍認(rèn)為視覺目標(biāo)追蹤的類別有兩種：生成類和判別類[2]。生成類中較為著名的是卡爾曼濾波、粒子濾波、Mean-shift和ASMS算法;判別類中較經(jīng)典的是Struck和TLD算法。2010年之前，目標(biāo)追蹤方面主要運(yùn)用一些經(jīng)典類方法，如Mean-shift、Particle、Kalman和基于特征點(diǎn)的光流算法等。2010年以后，開始出現(xiàn)相關(guān)濾波方法。2014年，Henriques改進(jìn)CSK算法，采用多通道梯度直方圖特征，提出核相關(guān)濾波算法，該算法幀率達(dá)到172FPS，其快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)得到一致的認(rèn)可。

目標(biāo)跟蹤是計(jì)算機(jī)視覺中的一個(gè)重要研究方向，而無(wú)人機(jī)上的目標(biāo)追蹤也稱為制導(dǎo)。一般的制導(dǎo)方式有激光制導(dǎo)、紅外制導(dǎo)和電視制導(dǎo)等等[3]。激光制導(dǎo)和紅外制導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)則需要相關(guān)的器件[4]，激光器件和紅外組件精確度高，但價(jià)格也相對(duì)高昂。視覺目標(biāo)跟蹤即為電視制導(dǎo)，電視制導(dǎo)相對(duì)于其他兩種制導(dǎo)方式而言，不易受干擾裝備的影響，并且具有追蹤精度高、價(jià)格低、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。所以電視制導(dǎo)逐漸被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

故本文基于快速準(zhǔn)確的核相關(guān)濾波追蹤算法與PID控制算法，提出一種低成本的民用電視制導(dǎo)方案，并將該方案應(yīng)用于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)追蹤。飛行器領(lǐng)域內(nèi)為達(dá)到精準(zhǔn)的目而使用許多昂貴的設(shè)備，導(dǎo)致制導(dǎo)系統(tǒng)成本昂貴。本文提供的方案能夠解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)精確的算法來(lái)減少高端昂貴設(shè)備的使用，整體降低飛行器的價(jià)格，使得飛行器的研究和使用更為廣泛和平民化，也可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的推廣。為此，本文做了以下工作：

（1）由于核相關(guān)濾波追蹤算法使用方向梯度直方圖特征（HOG）、循環(huán)矩陣傅里葉對(duì)角化、多通道高斯核函數(shù)等技巧，在很大程度上降低矩陣運(yùn)算量和提高準(zhǔn)確性，故該追蹤算法具有快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。因此本文使用核相關(guān)濾波算法進(jìn)行目標(biāo)追蹤[5]。

（2）使用公開的數(shù)據(jù)集BOT-50進(jìn)行算法的效果測(cè)試，計(jì)算出算法的準(zhǔn)確率和幀率，對(duì)算法的效果進(jìn)行評(píng)估。

（3）基于快速準(zhǔn)確的核相關(guān)濾波追蹤算法，結(jié)合PID控制算法，本文提出一種制導(dǎo)方案，并將該制導(dǎo)方案應(yīng)用于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。本文還進(jìn)行了一系列的無(wú)人機(jī)地面實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證算法的實(shí)際制導(dǎo)效果，并且調(diào)試PID參數(shù)值。

第三階段中算法裝載在飛行器上進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍景物進(jìn)行追蹤。如圖6（a）所示，實(shí)時(shí)追蹤景物中的某棟樓房的窗口。圖6（a）-（d）是地面實(shí)驗(yàn)的追蹤過(guò)程圖，飛行器一開始設(shè)定好以窗口為目標(biāo)，設(shè)置好目標(biāo)框的位置和尺寸。追蹤過(guò)程中，飛行器距離窗口越來(lái)越近，目標(biāo)的尺寸逐漸增大。

隨著目標(biāo)的尺寸增大，目標(biāo)框的尺寸也相應(yīng)增大，并且飛行器根據(jù)得到的輸出值調(diào)整飛行姿態(tài)，始終使目標(biāo)顯示在屏幕中，在圖6（d）中，目標(biāo)以較大尺度展示在畫面中，最后飛行器成功擊窗，說(shuō)明追蹤成功。總體來(lái)說(shuō)，調(diào)整控制系統(tǒng)的PID值后，算法的追蹤效果較好，能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

4 ?結(jié)  論

本文的制導(dǎo)方案基于一種快速準(zhǔn)確的核相關(guān)濾波算法，結(jié)合PID控制算法，將該方案應(yīng)用于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤功能。針對(duì)價(jià)格高昂的軍事制導(dǎo)，本文提出一種成本較低的電視制導(dǎo)技術(shù)。相對(duì)于激光器件、高精度的運(yùn)算器和紅外組件來(lái)說(shuō)，只需一個(gè)低像素的攝像頭組件和一些普通的運(yùn)算單元即可組成本文提出的制導(dǎo)系統(tǒng)，本文的方案在較大程度上降低制導(dǎo)系統(tǒng)的價(jià)格，實(shí)現(xiàn)了一種民用級(jí)別的電視制導(dǎo)方案的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 周建民.激光對(duì)光電制導(dǎo)武器跟蹤系統(tǒng)的干擾技術(shù)研究 [D].長(zhǎng)春：中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2005.

[5] Henriques J F，Caseiro R，Martins P，et al. High-Speed Tracking with Kernelized Correlation Filters [J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2015，37（3）：583-596.

作者簡(jiǎn)介：邱敏卿（1995.11-），女，漢族，廣東江門人，本

科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：圖像分析與機(jī)器視覺;黃訊（1996.03-），男，漢族，廣東江門人，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：機(jī)械自動(dòng)

化;葉坤（1997.03-），男，漢族，廣東江門人，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：圖像分析與機(jī)器學(xué)習(xí);通訊作者：李鶴喜（1961.11-），男，漢族，遼寧昌圖人，教授，博士，研究方向：人工智能與機(jī)器視覺。