基于深度學(xué)習(xí)的無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)

薛行貴，宋德鵬，陳 思

（1.武警上?？傟?，上海 200050；2.武警警官學(xué)院，四川 成都 610213；3.武警研究院，北京 100012）

深度學(xué)習(xí)是在人工智能基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興研究方向，可以根據(jù)機器學(xué)習(xí)算法，對云數(shù)據(jù)進行處理，且不對數(shù)據(jù)信息所屬類型進行嚴格要求。一般來說，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用在于表現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律及所屬層次，可以在加工信息參量的同時，分析目標節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系[1-2]。作為模式分析方法的統(tǒng)稱，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用主要涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建、神經(jīng)元編碼、數(shù)據(jù)樣本預(yù)訓(xùn)練三方面內(nèi)容。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系決定了數(shù)據(jù)信息參量在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳輸能力，神經(jīng)元編碼條件則負責(zé)建立樣本數(shù)據(jù)之間的數(shù)值映射關(guān)系，而數(shù)據(jù)樣本預(yù)訓(xùn)練則可以鑒別所選擇數(shù)據(jù)信息參量是否滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主機的調(diào)取與處理需求。

無人機是以無線電遙控設(shè)備和自備程序為必要控制條件的不載人飛行器設(shè)備，在復(fù)雜運動環(huán)境中，地面主機及基站也可以對無人機飛行器進行間歇式控制[3]。受到航線軌跡、自然天氣等外界因素的干擾，無人機飛行器對于待測目標的控制能力可能會受到影響，此時極易使所采集到的目標圖片像素遠低于預(yù)設(shè)像素指標的數(shù)值水平。

為應(yīng)對上述問題，基于地空信息融合的無人機控制系統(tǒng)注重對目標圖片中的噪點參量進行提取，根據(jù)噪點信息與常規(guī)像素之間的覆蓋關(guān)系，制定飛行器主機所遵循的跟蹤執(zhí)行指令[4]。然而此系統(tǒng)的應(yīng)用能力有限，并不能保證目標像素數(shù)值與預(yù)設(shè)像素指標之間的貼合關(guān)系。為避免上述情況的發(fā)生，以深度學(xué)習(xí)算法為基礎(chǔ)，設(shè)計一種新型的無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)的硬件執(zhí)行單元由無人機操縱平臺、核心管控電路、目標節(jié)點處理模塊三部分共同組成，以下將針對上述三個硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法展開研究。

1.1 無人機操縱平臺

無人機操縱平臺由DJI M100 設(shè)備主機、執(zhí)行結(jié)構(gòu)兩部分共同組成。其中，DJI M100設(shè)備主機負責(zé)記錄無人機飛行器運動軌跡的分布形式，可以根據(jù)待測目標節(jié)點的排列狀態(tài)，制定后續(xù)的跟蹤執(zhí)行指令；執(zhí)行結(jié)構(gòu)則包含GPS 元件、IT2 操作元件、FLC 元件等多個組成部分，能夠在確定無人機飛行器與待測目標對象之間對應(yīng)關(guān)系的同時，按照深度學(xué)習(xí)算法的約束條件調(diào)節(jié)已獲取數(shù)據(jù)信息參量的存儲形式，從而緩解DJI M100 設(shè)備主機所面臨的指令運行壓力[5-6]。具體的無人機操縱平臺作用模式如圖1所示。

圖1 無人機操縱平臺的作用模式

隨著無人機待測目標對象數(shù)量的增多，DJI M100 設(shè)備主機所承擔(dān)的數(shù)據(jù)存儲壓力也在不斷增大，但由于深度學(xué)習(xí)算法約束條件的存在，GPS 元件、IT2 操作元件、FLC 元件對于無人機飛行器的控制能力能夠始終保持穩(wěn)定，這也是系統(tǒng)主機最終所運行跟蹤指令不會脫離待測目標對象而獨立存在的主要原因。

1.2 核心管控電路

核心管控電路（如圖2 所示）可以為無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)提供動力支持，能夠根據(jù)電阻之間的數(shù)值配比關(guān)系，協(xié)調(diào)下級電感之間的連接關(guān)系，從而使無人機飛行器保持相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)[7]。

圖2 核心管控電路結(jié)構(gòu)簡圖

信號觸發(fā)器元件同時管控電阻R1、R2、R3、R4。其中，電阻R1與R3的阻值水平相對較高，負責(zé)調(diào)節(jié)無人機飛行器的實時運動速率[8]；電阻R2、R4接受CT0 裝置的直接控制，負責(zé)協(xié)調(diào)電感L1、L2、L3兩端的負載電壓，可以調(diào)節(jié)待測目標與無人機飛行器的間隔距離，從而使得系統(tǒng)運行主機能夠制定更加符合實際應(yīng)用需求的跟蹤指令執(zhí)行程序。

1.3 目標節(jié)點處理模塊

在無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)中，目標節(jié)點處理模塊負責(zé)制定待執(zhí)行程序指令，能夠利用數(shù)據(jù)信息文件與應(yīng)用設(shè)備之間的反饋關(guān)系，將待執(zhí)行程序指令傳輸給既定處理主機。目標節(jié)點處理模塊的應(yīng)用設(shè)備元件包括圖像提取主機、數(shù)據(jù)信息處理主機與飛行器控制主機[9-10]。其中，圖像提取主機負責(zé)跟蹤無人機目標對象，數(shù)據(jù)信息處理主機負責(zé)制定多目標跟蹤指令，無人飛行器控制主機負責(zé)管控?zé)o人機飛行器的實際行進方向。完整的目標節(jié)點處理模塊連接結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 目標節(jié)點處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的框架結(jié)構(gòu)

對于無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)而言，目標節(jié)點處理模塊的連接行為受到核心管控電路的直接調(diào)節(jié)。

2 目標跟蹤方法

在各級硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)的支持下，搭建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)目標節(jié)點特征提取表達式，求解無人機多目標對象的方向跟蹤向量，將二者結(jié)合，完成基于深度學(xué)習(xí)的無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)

深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)w行器設(shè)備所接收到的數(shù)據(jù)信息參量反饋給系統(tǒng)處理主機，并可以在過渡層節(jié)點的作用下，更改已錄入信息的傳輸格式，從而使得系統(tǒng)主機所制定的跟蹤執(zhí)行指令能夠完全符合實際應(yīng)用需求[11-12]。在實際應(yīng)用過程中，輸入層節(jié)點對應(yīng)負載于無人機飛行器之上的數(shù)據(jù)信息錄入元件，由于目標對象的運動形式具有多樣化的特點，所以輸入層節(jié)點必須具有極強的數(shù)據(jù)信息存儲能力；過渡層節(jié)點負責(zé)將所采集到的無人機目標對象信息傳輸至輸出層節(jié)點；輸出層節(jié)點對應(yīng)系統(tǒng)處理主機，負責(zé)將多目標跟蹤指令反饋給其他硬件應(yīng)用設(shè)備。

為使深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能力得到保障，過渡層節(jié)點個數(shù)會隨著數(shù)據(jù)信息參量的累積而不斷增大。

2.2 目標節(jié)點特征

目標節(jié)點特征即為無人機待測目標對象的跟蹤處理特征，在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)框架的作用下，不同目標對象所對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息參量也有所不同。在無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)中，為使系統(tǒng)主機能夠?qū)Υ郎y目標對象進行準確定位，在提取目標節(jié)點特征之前，必須對所得數(shù)據(jù)信息參量進行重排處理[13-14]。設(shè)δ表示待測目標對象排列系數(shù)的最小取值，Aδ表示與系數(shù)δ匹配的目標對象定義參量，表示目標對象定義參量的平均取值，聯(lián)立上述物理量，基于深度學(xué)習(xí)的無人機目標節(jié)點特征提取模型為：

式中，f表示無人機目標對象提取權(quán)值，β表示目標對象節(jié)點編碼系數(shù)，ΔS表示無人機待測目標數(shù)據(jù)的單位累積量。由于系統(tǒng)主機的運行速率不可能為零，所以系數(shù)ΔS的取值必須大于自然數(shù)“1”。

2.3 方向跟蹤向量

方向跟蹤向量決定了系統(tǒng)主機對于無人機目標對象的處理能力，在已知目標節(jié)點特征表達式的前提下，若方向跟蹤向量的取值大于零，則表示目標對象的行進方向為正方向；若方向跟蹤向量的取值小于零，則表示目標對象的行進方向為負方向[15-16]。在求解方向跟蹤向量時，需掌握無人機目標節(jié)點定義系數(shù)的具體取值。設(shè)v1、v2、…、vn表示n個不同的無人機目標節(jié)點定義系數(shù)，b1、b2、…、bn分別表示與v1、v2、…、vn相對應(yīng)的無人機目標對象方向度量系數(shù)，聯(lián)立式（1），可將無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)所遵循的方向跟蹤向量求解表達式定義為：

其中，λ表示無人機運動距離系數(shù)，?表示運動轉(zhuǎn)向角度系數(shù)。在上述系數(shù)指標的支持下，完成跟蹤系統(tǒng)的軟件方法設(shè)計。

3 實驗分析

選擇A、B 兩個對象作為跟蹤目標（實驗原理如圖5 所示），分別利用基于深度學(xué)習(xí)的多目標自動跟蹤系統(tǒng)（實驗組）、基于地空信息融合的控制系統(tǒng)（對照組）對所選目標對象的運動行為進行監(jiān)測。

圖5 實驗原理

實驗的執(zhí)行流程如下：

步驟一：選擇Inspire 1 型號的無人機飛行器作為實驗對象；

步驟二：利用實驗組系統(tǒng)控制所選無人機飛行器；

步驟三：調(diào)節(jié)遙控裝置，使無人機設(shè)備能夠準確定位目標對象A、目標對象B 的運動狀態(tài)，將所得實驗數(shù)據(jù)作為實驗組變量；

步驟四：利用對照組系統(tǒng)控制所選無人機飛行器；

步驟五：重復(fù)步驟三，將所得實驗數(shù)據(jù)作為對照組變量。

無人機飛行器所采集到目標對象像素數(shù)值與預(yù)設(shè)像素指標之間的差值，可以反映出系統(tǒng)主機對于待測目標的跟蹤準確性，通常情況下，差值水平越大，系統(tǒng)主機準確跟蹤無人機目標對象的能力也就越強。

表1為本次實驗測試的目標對象像素數(shù)值結(jié)果。

表1 目標對象A的像素數(shù)值

分析表1 可知，對于目標對象A 而言，在整個實驗過程中，預(yù)設(shè)像素數(shù)值始終等于208 pix；實驗組像素數(shù)值在第600次實驗取值水平最大，達到了207 pix，與預(yù)設(shè)像素數(shù)值之間的差值為1 pix；對照組像素數(shù)值在第200次實驗取值水平最大，達到了191 pix，與預(yù)設(shè)像素數(shù)值之間的差值為17 pix，低于實驗組差值水平。

分析表2可知，對于目標對象B而言，在整個實驗過程中，預(yù)設(shè)像素數(shù)值始終等于204 pix；實驗組像素數(shù)值在500 次和600 次實驗取值水平最大，達到了204 pix，與預(yù)設(shè)像素數(shù)值達到一致；對照組像素數(shù)值在第300次實驗取值水平最大，達到了183 pix，與預(yù)設(shè)像素數(shù)值之間的差值為21 pix，也低于實驗組差值水平。

表2 目標對象B的像素數(shù)值

綜上可知，在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用下，系統(tǒng)主機所采集到的無人機目標對象像素數(shù)值水平明顯增大，實用性能更好，說明所設(shè)計系統(tǒng)更符合無人機捕獲待測目標的實際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語

新型無人機多目標自動跟蹤系統(tǒng)遵循深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)機制，完善無人機操縱平臺、目標節(jié)點處理模塊等多個硬件結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系，又利用目標節(jié)點特征取值結(jié)果，求解方向跟蹤向量的具體數(shù)值。在實用性方面，深度學(xué)習(xí)型多目標自動跟蹤系統(tǒng)可使無人機目標像素的數(shù)值水平更好貼合預(yù)設(shè)像素指標，與準確跟蹤無人機待測目標的實際應(yīng)用需求相符合。