基于YOLOv4-tiny的無人機(jī)全自動(dòng)跟蹤方法

張 碩,陸宇峰,王丹翔,謝芳芳,季廷煒

(浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院,杭州 310000)

0 引言

隨著人工智能迅速發(fā)展,無人機(jī)作為一種新型的運(yùn)載平臺(tái)和應(yīng)用工具被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域并具有巨大發(fā)展?jié)摿?。?jì)算機(jī)視覺賦予無人機(jī)視覺能力,在航空攝影[1]、基礎(chǔ)設(shè)施檢查、災(zāi)后救援等多個(gè)方面扮演著重要的角色。同時(shí),結(jié)合視覺技術(shù)的無人機(jī)在軍事領(lǐng)域因其良好的機(jī)動(dòng)性和可視化條件成為了新興的戰(zhàn)場(chǎng)利器。例如,在沒有GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))覆蓋的區(qū)域,無人機(jī)可以通過相機(jī)連續(xù)幀的圖像探測(cè)來跟蹤其他飛行器,并利用其高機(jī)動(dòng)性接近一些難以抵達(dá)的區(qū)域。

目前,大多數(shù)傳統(tǒng)的圖像后處理技術(shù)都難以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)。其中,Mean Shift[2]算法在目標(biāo)初始區(qū)域已知的情況下可以實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo),但不能在運(yùn)動(dòng)對(duì)象的大小發(fā)生變化時(shí)自適應(yīng)地跟蹤對(duì)象,同時(shí)無法跟蹤快速移動(dòng)的物體。Dalal等[3]采用不同的HOG(方向梯度直方圖)特征描述子來提取不同的特征,并與不同的SVM(支持向量機(jī))分類器進(jìn)行組合。還有其他離散目標(biāo)檢測(cè)算法,如Sift檢測(cè)和廣義輪廓搜索算法。傳統(tǒng)算法的性能雖然在不斷提升,但仍存在面對(duì)具體的實(shí)際環(huán)境時(shí)泛化性較差、計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性不好等缺陷。目前,隨著深度學(xué)習(xí)(deep learning,DP)進(jìn)程的加快,目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展迎來一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)代。CNN[4]和“YOLO”都被認(rèn)為是嵌入在基于視覺的無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中的強(qiáng)大主流目標(biāo)探測(cè)算法。其中基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (convolutional neural networks,CNN)的目標(biāo)檢測(cè)算法一般分為2個(gè)階段,包括候選區(qū)域的提取以及對(duì)候選區(qū)域的分類,在此基礎(chǔ)上還開發(fā)了R-CNN[5]、Fast-RCNN[6]、Faster-RCNN[7]等算法,并在很大程度上提升了目標(biāo)檢測(cè)效果。但是這種分為2個(gè)階段的算法在速度上還是不能滿足目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求。2016年Redmon等[8]提出YOLO(you only look once)算法,通過將單幅圖像輸入到卷積網(wǎng)絡(luò)中,在一次評(píng)估中生成邊界框坐標(biāo)、置信水平、類概率,進(jìn)一步加快目標(biāo)檢測(cè)算法的速度。但部署在無人機(jī)上的計(jì)算資源有限,依舊無法滿足“YOLO”目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算要求。在“YOLO”算法的基礎(chǔ)上,陸續(xù)出現(xiàn)了許多改進(jìn)算法。例如,Shafiee等[9]提出的“fast-YOLO”框架,Huang等[10]提出的“YOLO-lite”、YOLOv2-tiny”和“YOLOv3-tiny”框架,以及Bochkovskiy[11]提出的“YOLOv4-tiny”框架,均能顯著降低原本“YOLO”框架中網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,從而大大提高目標(biāo)的檢測(cè)速度。

綜上所述,經(jīng)過改進(jìn)后的“YOLO”算法基本可以滿足無人機(jī)的實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)要求。由于實(shí)際情況中不能保證目標(biāo)物體總是被捕獲,同時(shí)在機(jī)載計(jì)算資源、無人機(jī)載重、尺寸、功率等條件的限制下,提出一種實(shí)時(shí)的目標(biāo)檢測(cè)算法與無人機(jī)嵌入式系統(tǒng)集成的框架。同時(shí),結(jié)合卡爾曼濾波器作為輔助技術(shù)處理短時(shí)間遮擋下位置的更新和軌跡的預(yù)測(cè)。特別是不只強(qiáng)調(diào)對(duì)目標(biāo)的感知,還融合無人機(jī)跟蹤控制策略模塊。在低成本無人機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)三維姿態(tài)跟蹤算法,并通過飛行實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。本研究中使用的大部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)集都是由無人機(jī)捕獲視頻提取的圖像,使所選的模型獲得足夠的精度。

1 自主無人機(jī)的系統(tǒng)方案和跟蹤控制策略

整個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)是將深度方法集成到一個(gè)全自動(dòng)跟蹤監(jiān)視無人機(jī)中,如圖1所示。視覺系統(tǒng)的主要組件為Intel RealSense D435i雙目相機(jī),其結(jié)合寬視場(chǎng)和全局快門傳感器。嵌入式設(shè)備采用NVIDIA Jetson Xaiver NX,其能提供高達(dá)14～21TOPS的算力,內(nèi)置的CUDA-X AI軟件可以為深度學(xué)習(xí)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化推理。此外部署RTK定位系統(tǒng)用于室外視覺定位,相較于傳統(tǒng)GPS定位具有厘米級(jí)定位精度,能實(shí)時(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果。飛行控制器選用Pixhawk4硬件,預(yù)裝最新的PX4原生固件。

圖1 自主無人機(jī)跟蹤方案框架圖

所設(shè)計(jì)的自主無人機(jī)系統(tǒng)的主要軟件架構(gòu)為:① 感知模塊;② 目標(biāo)跟蹤算法和姿態(tài)估計(jì);③ 無人機(jī)機(jī)動(dòng)。此架構(gòu)由機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)支持,使用MAVROS實(shí)現(xiàn)機(jī)載電腦和Pixhawk4的通信,Mavlink實(shí)現(xiàn)地面站與Pixhawk4的通信。無人機(jī)感知RGB圖像和深度數(shù)據(jù),并通過YOLOv4-tiny算法識(shí)別視場(chǎng)中的目標(biāo)物體,然后將生成的二維邊界框與深度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,獲得物體的三維姿態(tài)估計(jì)。最后Pixhawk4根據(jù)跟蹤控制策略模塊給出的數(shù)據(jù)指令控制飛行器至期望姿態(tài)和期望位置。

用于實(shí)施飛行測(cè)試的無人機(jī)技術(shù)規(guī)格和嵌入式系統(tǒng)分別如表1、表2所示。

表1 無人機(jī)技術(shù)規(guī)格

表2 嵌入式系統(tǒng)

根據(jù)方案要求,提出的整套跟蹤控制邏輯策略如下:首先系統(tǒng)初始化,操作人員通過地面端PC遠(yuǎn)程連接機(jī)載電腦切換至Offboard模式。無人機(jī)起飛到一個(gè)初始設(shè)定的高度,并開始以一個(gè)設(shè)定的旋轉(zhuǎn)角速度來360°搜索目標(biāo)。雙目相機(jī)獲取視頻流,機(jī)載處理器通過輸入幀檢測(cè)目標(biāo)物體。當(dāng)定位并鎖定目標(biāo)后,機(jī)載電腦計(jì)算二者的相對(duì)位姿,當(dāng)前幀的位姿信息輸入得到無人機(jī)控制指令,判斷無人機(jī)是否進(jìn)入“跟蹤”模式。為防止目標(biāo)在短時(shí)間內(nèi)離開相機(jī)視野,“跟蹤”模式的設(shè)定為無人機(jī)的中心軸應(yīng)該與目標(biāo)對(duì)齊,使目標(biāo)檢測(cè)的預(yù)測(cè)框位于畫面的中心。而當(dāng)目標(biāo)被觀察為“水平動(dòng)態(tài)”即水平方向存在偏移量時(shí),無人機(jī)將嘗試搖擺,保持目標(biāo)物體停留在中心附近,旋轉(zhuǎn)角速度控制在wmax內(nèi);當(dāng)目標(biāo)為“垂直動(dòng)態(tài)”時(shí),無人機(jī)嘗試爬升或下降。值得注意的是,為使無人機(jī)保持平穩(wěn),垂直速度控制在vmax以內(nèi)。若當(dāng)前模式為“跟蹤”模式,無人機(jī)根據(jù)深度數(shù)據(jù)得到無人機(jī)與目標(biāo)物體的相對(duì)距離來判斷下一步的機(jī)動(dòng)行為。同時(shí)設(shè)定一個(gè)安全距離Dsafe來避免跟蹤無人機(jī)與目標(biāo)物體的碰撞。當(dāng)相對(duì)距離小于安全距離,無人機(jī)則根據(jù)控制系統(tǒng)生成的一系列離散的航路點(diǎn)遠(yuǎn)離目標(biāo)物體,并保持無人機(jī)速度小于vmax;如果相對(duì)距離大于安全距離,目標(biāo)物體動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)離時(shí),無人機(jī)作出機(jī)動(dòng)反應(yīng)跟隨目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)。同時(shí)目標(biāo)丟失時(shí)間大于2 min,則會(huì)觸發(fā)無人機(jī)的著陸指令。具體流程如圖2所示。系統(tǒng)可以同時(shí)處于多種狀態(tài)中,比如爬升和前進(jìn)、后退和下降。

圖2 視覺跟蹤控制邏輯系統(tǒng)

2 目標(biāo)姿態(tài)估計(jì)

2.1 YOLOv4-tiny目標(biāo)檢測(cè)

YOLO系列算法屬于端到端的目標(biāo)檢測(cè)方法。YOLO將目標(biāo)檢測(cè)視為一個(gè)回歸問題,通過對(duì)整個(gè)圖像應(yīng)用一個(gè)CNN和邊界框,進(jìn)行目標(biāo)的分類和定位。作為無人機(jī)跟蹤目標(biāo)的重要前提,視覺檢測(cè)算法的體積和實(shí)時(shí)性尤為重要。YOLOv4-tiny算法作為YOLO系列的第4代改進(jìn)算法的輕量化算法,具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)少、計(jì)算量小的特點(diǎn)。它使用CSPDarknet53-tiny主干網(wǎng)絡(luò)代替YOLOv4的CSPDarknet53主干網(wǎng)絡(luò),整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)僅有38層,使用3個(gè)殘差單元,激活函數(shù)使用LeakyReLU。相較于YOLOv4,不僅大幅度優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而且保持了可接受的檢測(cè)精度與檢測(cè)速度。在實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)中,YOLO在視頻輸入的每一幀上生成二維邊界框來預(yù)測(cè)被檢測(cè)目標(biāo)的二維位置。

2.2 數(shù)據(jù)集訓(xùn)練

無人機(jī)數(shù)據(jù)集包含3類對(duì)象:人類、四旋翼、鳥類。四旋翼是無人機(jī)空中偵察的主要目標(biāo)物體,鳥類通常會(huì)作為空中目標(biāo)的干擾類別,人類目標(biāo)在低空環(huán)境中較為常見且利于飛行試驗(yàn)的開展。為提高模型的準(zhǔn)確性,在數(shù)據(jù)集中增加沒有目標(biāo)對(duì)象的背景圖像作為負(fù)樣本。該數(shù)據(jù)集共包含6 000張圖像,具有不同光照條件、尺度、角度視圖、長(zhǎng)寬比、分辨率和背景。每個(gè)類包含1 250張訓(xùn)練圖片和250張驗(yàn)證圖片,如圖3所示。

圖3 訓(xùn)練集和驗(yàn)證集

首先使用ImageLab[12]圖像標(biāo)注軟件對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行手動(dòng)標(biāo)注,然后對(duì)所有經(jīng)過標(biāo)注的數(shù)據(jù)集的Anchor(多尺度滑動(dòng)窗口)進(jìn)行K-means聚類。將樣本點(diǎn)劃分成K個(gè)聚類,再計(jì)算每個(gè)類的聚類中心,重復(fù)此過程盡可能使相似樣本為同一聚類,其衡量相似度的指標(biāo)為每一個(gè)對(duì)象與聚類中心的歐氏距離。將聚類得到的結(jié)果作為預(yù)設(shè)后續(xù)訓(xùn)練的Anchor box,從而提高每個(gè)網(wǎng)格單元的平均重疊度(intersection over union,IoU)和目標(biāo)定位的整體精度。實(shí)驗(yàn)所得錨框的尺度分別為(7,10);(9.7,13);(12.5,15.3);(14.3,20.4);(19,22.4);(25,30);(33,39);(46,49.2);(84,78)。聚類精度提升5.28%,圖4為K-means聚類的結(jié)果。

模型在搭載A100的高性能服務(wù)器上訓(xùn)練,訓(xùn)練的目的是最大化平均精度均值 (mean average precision,mAP),最小化Loss(損失函數(shù))。其訓(xùn)練參數(shù)設(shè)置為:初始迭代次數(shù)為2 000,輸入分辨率為416pixel*416pixel,批量處理大小為8,置信度閾值為0.5,權(quán)重衰減系數(shù)為0.000 5,學(xué)習(xí)率為 0.002 5。在訓(xùn)練的過程中,每間隔指定的迭代次數(shù),采用驗(yàn)證數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估。如圖5所示,對(duì)于有負(fù)樣本和無負(fù)樣本的數(shù)據(jù)集,結(jié)果表明:有負(fù)樣本的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型mAP更高且Loss曲線下降更快。在實(shí)驗(yàn)過程中,模型訓(xùn)練約400次迭代后,檢測(cè)結(jié)果趨于穩(wěn)定。

圖5 有無負(fù)樣本下mAP和Loss迭代變化曲線

為了驗(yàn)證模型的實(shí)驗(yàn)效果,在Nvidia Jetson Xaiver NX板載計(jì)算機(jī)上們?cè)u(píng)估訓(xùn)練模型的性能,圖6為隨機(jī)選取的圖片進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果,無人機(jī)對(duì)于中小目標(biāo)的檢測(cè)精度高達(dá)92%,檢測(cè)速率為25 FPS,滿足實(shí)時(shí)跟蹤的需求。

圖6 鳥類和旋翼的檢測(cè)結(jié)果

2.3 目標(biāo)位置估計(jì)

通過上述目標(biāo)檢測(cè),可以實(shí)時(shí)獲得相機(jī)中每幀目標(biāo)物體的預(yù)測(cè)邊界框,包含4個(gè)參數(shù)bx、by、bw、bh(bx和by為中心坐標(biāo),bw和bh分別為寬度和高度),記作感興趣區(qū)域S。對(duì)目標(biāo)物體的預(yù)測(cè)邊界框進(jìn)行縮放,記作Sr,縮放因子為θ。表示為:

S=[bxbybwbh]

Sr=[bxbyθbwθbh]

結(jié)合雙目相機(jī)給出的深度信息,過濾掉Sr以外的像素信息,取Sr中深度信息的平均值作為目標(biāo)相對(duì)位姿。圖7的中心部位為示例縮放區(qū)域。

圖7 YOLOv4-tiny生成的圖像平面上的邊界框坐標(biāo)和深度數(shù)據(jù)示意圖

2.4 基于濾波器的跟蹤

YOLOv4-tiny算法雖然具有較好的速度和準(zhǔn)確度,但由于空中目標(biāo)物體和無人機(jī)的狀態(tài)都是動(dòng)態(tài)變化的,存在相機(jī)的抖動(dòng)和目標(biāo)物體不在視野中的情況。相機(jī)的抖動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)物體無法被持續(xù)性跟蹤,并且在復(fù)雜環(huán)境中也不能保證目標(biāo)物體總是被捕獲。本文中采用卡爾曼濾波器[13]作為應(yīng)對(duì)短時(shí)間閉塞的輔助技術(shù)從而提高系統(tǒng)跟蹤性能。

卡爾曼濾波器是一個(gè)遞歸的算法。首先用相機(jī)的相對(duì)位置和速度建立物體的狀態(tài)矢量xk,即相機(jī)協(xié)調(diào)坐標(biāo)系中的x、y和z坐標(biāo)。假定目標(biāo)狀態(tài)隨恒定的速度變化,所有的測(cè)量值和噪聲都遵循高斯分布。離散條件下估計(jì)系統(tǒng)的遞歸方程為

xk=Fxk-1+Bμk+wk

(1)

觀測(cè)方程為

zk=Hxk+vk

(2)

式(1)、式(2)中:F為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;B為輸入控制矩陣;wk為噪聲矩陣;zk為觀測(cè)值;H為測(cè)量矩陣;vk為測(cè)量噪聲。該系統(tǒng)可以進(jìn)一步分為2個(gè)步驟:預(yù)測(cè)和更新。圖8為卡爾曼濾波預(yù)測(cè)和更新的狀態(tài)過程。

圖8 卡爾曼濾波預(yù)測(cè)和更新過程

預(yù)測(cè)方程為

(3)

式(3)中:P為計(jì)算預(yù)測(cè)狀態(tài)值和預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣;Q為系統(tǒng)預(yù)測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣,代表整個(gè)系統(tǒng)的可靠程度,一般初始化為很小的值。當(dāng)無人機(jī)沒有捕獲到目標(biāo)對(duì)象時(shí),啟動(dòng)卡爾曼濾波器利用上一幀數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)目標(biāo)的當(dāng)前位置。更新方程為

(4)

式(4)中:K為最優(yōu)卡爾曼增益;zk為測(cè)量矩陣;H為轉(zhuǎn)移矩陣;R為觀測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣?？柭鼮V波器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間具有遞推關(guān)系,可以通過每次迭代來更新狀態(tài)信息。

綜上所述,整個(gè)視覺算法實(shí)現(xiàn)過程如下:

輸入:實(shí)時(shí)視頻流。

步驟1：YOLO進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè);

步驟2：如果檢測(cè)到目標(biāo),觸發(fā)并初始化卡爾曼濾波器參數(shù);

步驟3：卡爾曼濾波器進(jìn)行預(yù)測(cè),得出預(yù)測(cè)狀態(tài)xk和預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣P;

步驟4：持續(xù)檢測(cè)到目標(biāo),置信度大于等于0.7:目標(biāo)狀態(tài)即為觀測(cè)值z(mì)k,卡爾曼濾波器利用觀測(cè)值輸入更新方程得到卡爾曼增益K,更新狀態(tài)xk,更新估計(jì)協(xié)方差矩陣P;置信度<0.7:卡爾曼濾波啟動(dòng)預(yù)測(cè)過程,目標(biāo)狀態(tài)為預(yù)測(cè)值;

步驟5：若未檢測(cè)到目標(biāo),將步驟3所得預(yù)測(cè)參數(shù)輸入卡爾曼濾波更新過程;

步驟6：輸出后驗(yàn)估計(jì)和目標(biāo)狀態(tài)xk;

步驟7：融合目標(biāo)狀態(tài)和深度信息得出Sr;

步驟8：進(jìn)入跟蹤控制邏輯模塊,程序結(jié)束。

3 飛行試驗(yàn)

飛行試驗(yàn)在戶外空曠的草地上進(jìn)行。分別進(jìn)行目標(biāo)為四旋翼和目標(biāo)為人類的實(shí)驗(yàn)。目標(biāo)將以直線往復(fù)式進(jìn)行移動(dòng)。初始化系統(tǒng)之前,準(zhǔn)備工作如下:首先將無人機(jī)上的機(jī)載電腦客戶端和地面的PC機(jī)服務(wù)器端建立連接,然后無人機(jī)將畫面實(shí)時(shí)傳回。無人機(jī)的位置變化取決于控制系統(tǒng)生成的一系列離散的航路點(diǎn),通過確定目標(biāo)物體在3個(gè)軸上的移動(dòng)趨勢(shì)來作出機(jī)動(dòng)反應(yīng)。由于戶外環(huán)境的復(fù)雜性,光照條件和背景的變化都會(huì)影響無人機(jī)檢測(cè)目標(biāo)物體的精度。試驗(yàn)選擇在陰天且開闊的地方進(jìn)行,確保雙目相機(jī)深度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和RTK的定位精準(zhǔn)性。在跟蹤過程中,盡可能保持無人機(jī)與目標(biāo)物體的相對(duì)距離不超過8 m,防止無人機(jī)脫離跟蹤模式。圖9為多次飛行試驗(yàn)中觀察者視角、無人機(jī)的視角。綠色邊框?yàn)樯傻臋z測(cè)框,右上角數(shù)據(jù)分別為:類別、類預(yù)測(cè)概率、目標(biāo)距離。

圖9 飛行試驗(yàn)圖

圖10為直線往復(fù)式跟蹤實(shí)驗(yàn)過程示意圖,x軸是無人機(jī)與跟蹤目標(biāo)的歐式距離在地平面的投影?？紤]到相機(jī)精度和RTK的漂移誤差對(duì)跟蹤性能的影響,設(shè)定無人機(jī)和目標(biāo)的z軸高度為固定2 m,初始相對(duì)距離為4 m左右,目標(biāo)線速度不超過0.4 m/s。無人機(jī)在跟蹤起始點(diǎn)A懸停,令目標(biāo)從B點(diǎn)出發(fā),沿x軸方向移動(dòng)。當(dāng)目標(biāo)被視覺系統(tǒng)捕獲,跟蹤系統(tǒng)開始工作,無人機(jī)作出機(jī)動(dòng)反應(yīng)。因?yàn)檎麄€(gè)試驗(yàn)過程無人機(jī)和目標(biāo)在z軸方向上沒有明顯的變化,故對(duì)無人機(jī)和目標(biāo)的中心的x、y軸坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖11、圖12為無人機(jī)和目標(biāo)在x、y軸方向的位置關(guān)系圖。從圖11、圖12中可以看出,在x軸方向,位置偏差在0.4 m范圍內(nèi),無人機(jī)在大部分時(shí)間內(nèi)都能夠跟隨目標(biāo)無人機(jī)且保持一定的安全距離。此外,在目標(biāo)第2個(gè)反向運(yùn)動(dòng)時(shí),無人機(jī)沒有作出實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)反應(yīng),且在實(shí)驗(yàn)后期存在跟蹤滯后的現(xiàn)象。在y軸方向,基本在與目標(biāo)同一位置附近波動(dòng),存在小擾動(dòng)和傳感器的誤差,波動(dòng)偏差在0.2 m范圍內(nèi),在某些時(shí)刻存在一定的超調(diào)現(xiàn)象,這是由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)的和RTK等傳感器的漂移。與關(guān)注靜態(tài)目標(biāo)而非動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤系統(tǒng)相比,反映出較高的誤差,但對(duì)總體性能沒有產(chǎn)生顯著影響。由于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置精度對(duì)系統(tǒng)的跟蹤魯棒性有關(guān)鍵影響,需要對(duì)估計(jì)的無人機(jī)距離動(dòng)態(tài)目標(biāo)的真實(shí)值和跟蹤過程中通過視覺系統(tǒng)捕捉的目標(biāo)相對(duì)距離值展開進(jìn)一步分析。分別統(tǒng)計(jì)4 m內(nèi)和4～8 m的平均誤差,如表3所示。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)距離在4 m內(nèi)時(shí),視覺系統(tǒng)具有更高的精度,隨著目標(biāo)距離的增加,光照、噪聲等因素將對(duì)相機(jī)造成更大的干擾。

表3 不同距離下相對(duì)距離的誤差比較

圖12 跟蹤無人機(jī)和目標(biāo)無人機(jī)y軸方向地面真實(shí)值

4 結(jié)論

1) 基于YOLOv4-tiny和嵌入式設(shè)備的無人機(jī)全自動(dòng)跟蹤方法可以用于偵察和跟蹤空中物體,且不需要關(guān)于外部環(huán)境或目標(biāo)對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí),以完全無監(jiān)督的方式執(zhí)行空中任務(wù)作出機(jī)動(dòng)反應(yīng)。

2) 在感知算法基礎(chǔ)上,結(jié)合卡爾曼濾波避免假陽性或假陰性等情況,通過提出的跟蹤控制邏輯模塊確保無人機(jī)能自主平穩(wěn)跟蹤目標(biāo)。

3) 飛行實(shí)驗(yàn)對(duì)所采用的深度學(xué)習(xí)技術(shù)的優(yōu)越性進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明,即使在目標(biāo)范圍、照明條件和局部背景的顯著變化時(shí),此種方法對(duì)簡(jiǎn)單跟蹤任務(wù)已具備可行性和魯棒性。在下一步的工作中,將對(duì)目標(biāo)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和遠(yuǎn)距離跟蹤展開研究,進(jìn)一步驗(yàn)證面對(duì)復(fù)雜任務(wù)時(shí)的魯棒性。