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基于空地协同的自主目标定位与跟踪方法研究

基于空地协同的自主目标定位与跟踪方法研究

作者：肖振亮国防科技大学

学位级别：硕士

随着人工智能技术和微机电集成技术的不断发展,各类无人平台可集成的能力及其智能化水平有了较大的提高,这进一步推动了军事智能化背景下无人作战研究的发展。然而,在逐步趋于快速、精准和有效的战场环境引领下,分队级的中小规模编组作... 详细信息

随着人工智能技术和微机电集成技术的不断发展,各类无人平台可集成的能力及其智能化水平有了较大的提高,这进一步推动了军事智能化背景下无人作战研究的发展。然而,在逐步趋于快速、精准和有效的战场环境引领下,分队级的中小规模编组作战开始成为现代战场主要作战形式之一,班组走上了对抗双方斗争最激烈的边缘。显然,无人机和无人车是班组等小规模团体最常见和最易于使用的两类无人平台,而自主目标定位与跟踪是其感知战场态势、获取目标信息的重要方式。对于空、地无人平台而言,单个无人平台自身的结构特性限制了其能力的全面发展,两者之间尺有所短、寸有所长,这也成为限制班组作战能力的重要因素。对空、地两类无人平台组织一定程度的协同以提高其对目标的定位与跟踪能力,是军事智能化赋能于无人作战亟需解决的问题,也是提升班组战斗力的关键技术手段之一。目前,国内外已有大量关于空地协同方面的研究,但绝大部分都停留在理论设计与系统仿真的层面上,缺乏实际试验的验证。然而,空地协同体系面临着跨域融合困难、态势感知片面、信息共享滞后、组织协同混乱等挑战,上述研究一方面极少具备应用能力与应用价值,另一方面难以在如此复杂多变的环境下生存并发挥其作用。基于此,本文立足于空地协同自主目标定位与跟踪的应用场景和现实需求,进行空地协同自主目标定位与跟踪架构设计,研究空地协同自主目标定位与跟踪方法,并针对所提出的方法设计验证和对比实验,主要工作包括以下几点:(1)设计了一种空地协同自主目标定位与跟踪架构。基于空地协同体系的应用场景,分析其实际需求进而构建出空地协同自主目标定位与跟踪架构。该架构为空地协同作战数据处理与流转方式提供了一种新的解决方案,同时也是展开空地协同实验的架构支撑。(2)提出了单无人机跟踪运动目标的弹簧算法(Mass Spring Algorithm,MSA)。针对本文研究的空地协同体系中涉及的多旋翼无人机平台,从目标识别、目标定位与目标跟踪三个过程研究多旋翼无人机自主目标定位与跟踪方法,对无人机捕获的目标图像划分区域,针对不同区域设计不同的跟踪策略,进而提出能有效增强无人机目标跟踪能力的MSA方法。(3)提出了空地协同自主目标定位与跟踪方法。聚焦空地协同自主目标定位与跟踪问题,立足于无人机和无人车的目标识别与定位结果,分析其空地协同完成定位与跟踪任务的流程,并设计了一种全新的空地协同机制。最后,根据空地协同自主目标定位与跟踪方法的全过程,分步骤介绍其算法实现。(4)设计并开展一系列关于空、地无人平台及其之间协同方式的实际实验。为验证本文研究内容的实用性,针对无人机跟踪策略MSA方法、空地协同自主目标定位与跟踪方法搭建硬件平台开展场地实验,并设计对比实验验证这些方法的有效性。

关键词：空地协同无人机无人车目标识别目标定位与跟踪

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超声波目标定位与跟踪系统在机器人中的应用

工业控制计算机 2009年第5期22卷 51-52,54页

作者：杨春晖王富东马红卫黄宗杰苏州大学机电工程学院江苏苏州215021

机器人目标定位是实现自主导航的关键问题之一。借助超声波测距原理,采用三边测量法,设计了一个超声波定位系统。该系统通过分析处理多个传感器的信息,得到目标物体的方位数据,并配合相应的控制系统和执行机构,实现机器人对单个目标物... 详细信息

机器人目标定位是实现自主导航的关键问题之一。借助超声波测距原理,采用三边测量法,设计了一个超声波定位系统。该系统通过分析处理多个传感器的信息,得到目标物体的方位数据,并配合相应的控制系统和执行机构,实现机器人对单个目标物体的跟踪。同时为了修正声速,在系统中加入了温度补偿电路。

关键词：目标定位与跟踪机器人超声波

基于粒子滤波的多普勒信息辅助目标定位跟踪算法

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应用声学 2021年第3期40卷 407-414页

作者：张蒙王海斌张海如汪俊胡治国中国科学院声学所声场声信息国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

多基地声呐探测系统主要通过测量回波的时延和方位信息进行目标定位与跟踪,定位精度受声速、时延和方位测量误差的影响较大,可以通过多普勒信息辅助进一步提高定位跟踪精度。现有的多普勒信息辅助定位跟踪算法多适用于单基地声呐系统,... 详细信息

多基地声呐探测系统主要通过测量回波的时延和方位信息进行目标定位与跟踪,定位精度受声速、时延和方位测量误差的影响较大,可以通过多普勒信息辅助进一步提高定位跟踪精度。现有的多普勒信息辅助定位跟踪算法多适用于单基地声呐系统,多基地中的多普勒测量值与目标状态的关系更为复杂,需要研究新的融合方法。该文提出了一种适用于多基地声呐系统的多普勒信息辅助采样重要性重采样目标定位跟踪算法,将多普勒信息融入到粒子滤波的重采样过程,使重采样后的粒子集合更逼近目标的真实状态分布,从而提高了目标定位跟踪精度。数值仿真实验结果表明,提出的目标定位跟踪算法可以有效融合多普勒信息,提升目标定位跟踪精度。

关键词：多基地主动声呐多普勒频移粒子滤波目标定位与跟踪

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轮桨机器人目标定位跟踪方法研究

轮桨机器人目标定位跟踪方法研究

作者：武宏博哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近年来,国家不断重视在地球上占据70%面积的海洋,各个机构不断加大对海洋的开发探索。针对濒海(海洋与陆地接壤区域)环境下的研究,主要包括生物观察、环境探测、抢险救援、水文观测等方面,随着在该区域内作业需求与范围的不断加大,传统... 详细信息

近年来,国家不断重视在地球上占据70%面积的海洋,各个机构不断加大对海洋的开发探索。针对濒海(海洋与陆地接壤区域)环境下的研究,主要包括生物观察、环境探测、抢险救援、水文观测等方面,随着在该区域内作业需求与范围的不断加大,传统单机作业能力有限且效率低下,编队协同作业更具高效性与前瞻性。机器人具备实时感知彼此运动状态的能力,是其进行协同作业的基础与关键内容。本文以指定目标物为两栖轮桨机器人替代物,开展了机器人目标定位跟踪方法的研究工作,提高了两栖机器人的自主作业能力,以期满足濒海环境下日益增长的作业需求。研究轮桨机器人目标定位跟踪方法相关基础理论。本文以两栖轮桨机器人为研究平台,建立了轮桨机器人运动学模型,建立了轮桨机器人光视觉传感器量测坐标系集合及其转换关系矩阵。在对常用水下图像增强方法进行客观评价后,最终选择增强结果以及稳定性较优的CLAHE增强方法。面向实际任务需求,重点从三个方面对目标定位跟踪方法展开研究:目标识别方法研究、目标跟踪方法研究、目标全局运动状态估计方法研究。针对轮桨机器人的目标识别问题,对指定目标物的定位与模板获取方法展开研究。本文基于YOLOv4-Tiny网络模型的目标识别原理,在网络模型中加入通道注意力机制,根据其权重项的取值来增强有用特征通道与弱化无用通道。在机载嵌入式处理器(TX2)上进行测试的结果表明,该方法在保证模型前向传播速度满足实时性要求的前提下,提高了的识别精度。针对轮桨机器人的目标跟踪问题,对连续帧中目标物的定位跟踪方法展开研究。本文基于孪生网络模型的目标跟踪原理,利用由逐点卷积与逐深度卷积线性组合而成的深度可分离卷积对网络模型进行优化,有效的降低了实时输入图像在候选网络分支中前向传播时的参数量。在机载嵌入式处理器(TX2)上进行测试的结果表明,该方法有效的增加了跟踪器运行的实时性,提高了平均跟踪精度与跟踪成功率。针对轮桨机器人的全局运动状态估计问题,对消除机器人在爬行过程中因目标漂移造成的目标跟踪误差进行研究。本文将目标识别与跟踪方法获取到的目标位置信息作为量测模型,利用交互多模型完成对目标物全局运动状态的估计预测。仿真试验结果表明,交互多模型方法能有效降低因量测噪声产生的跟踪扰动,有效提高了对目标物定位跟踪的精度。搭建了轮桨机器人控制系统的软硬件,该系统分为分层递进硬件控制系统和并联PD目标跟踪控制策略,该系统可以实时并行处理多通道数据信息以及指引轮桨机器人对运动目标物完成跟踪作业。在模拟濒海(陆上与水下)环境中,开展了两栖轮桨机器人机动性能试验研究。完成了轮桨机器人运动目标的定位跟踪试验,验证了本文提出的基于轮桨机器人的目标定位跟踪方法的有效性。

关键词：轮桨机器人机器人运动状态估计目标定位与跟踪光视觉感知

基于图像处理算法的目标识别、定位与跟踪系统设计与实现

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物联网技术 2020年第9期10卷 75-79页

作者：杨荣王明伟刘思铭西安交通大学实践教学中心陕西西安710049

在智能控制的诸多应用领域中,如何对某一目标对象进行识别,提取其空间位置并实现目标跟踪,是智能设备、智能机器人等实现的关键技术之一。这里着眼于特定场景下图像采集、目标特征提取与识别、目标定位与跟踪等关键问题,基于嵌入式技术... 详细信息

在智能控制的诸多应用领域中,如何对某一目标对象进行识别,提取其空间位置并实现目标跟踪,是智能设备、智能机器人等实现的关键技术之一。这里着眼于特定场景下图像采集、目标特征提取与识别、目标定位与跟踪等关键问题,基于嵌入式技术和机械装置,设计并实现了基于图像处理算法的目标识别、定位与跟踪系统。该系统实现了特定场景下对于多目标物体的识别与跟踪。同时,提出了一个能降低同色或同外形物体对识别精度干扰的RGB与log算子边缘提取协同滤波的图像处理算法,可以有效提高场景中存在其他与目标物同色不同形或同形不同色的干扰物的情况下的目标识别和定位精确度。

关键词：目标识别目标定位与跟踪图像处理算法嵌入式技术智能控制定位精确度

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基于目标定位的数据融合算法研究

基于目标定位的数据融合算法研究

作者：董为浩杭州电子科技大学

学位级别：硕士

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)是目前多学科高度交叉的热点研究领域,如信号处理、信息理论、现代通信网络、统计估计和推断以及人工智能等。然而,无线传感器网络面临着能量受限、通信能力和数据处理等多个挑战。本文... 详细信息

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)是目前多学科高度交叉的热点研究领域,如信号处理、信息理论、现代通信网络、统计估计和推断以及人工智能等。然而,无线传感器网络面临着能量受限、通信能力和数据处理等多个挑战。本文以无线传感器网络环境下的目标定位和跟踪为研究背景,详细讨论了网络中传感器数据和噪声的处理方法以及目标定位跟踪的问题,同时结合无线传感器网络的结构和特点,遵循以能量为先、数据为中心的原则,提出了几种相应解决方法,在相关领域也取得了一定的理论研究成果,为进一步地深入研究和应用奠定了基础。主要创新点和工作如下：1.针对机动和非机动目标跟踪的问题,提出了一种基于无线传感器网络下移动传感器目标跟踪的数据融合算法,即移动传感器目标跟踪数据融合算法(Mobile Sensors Dada Fusion Tracking, MSDFT)。结合“门限”技术,建立一个动态变化的模型结构——扩展的卡尔曼滤波器作为自适应机动补偿器来解决数据关联和机动目标问题,研究多个移动传感器目标追踪的检测算法,并通过仿真表明该算法能够成功地追踪多个移动传感器。2.针对来自多个传感器的测量数据总是有一定程度的不确定性和不一致性,提出了一种利用数据的冗余度来解决数据不确定性的方法,即一种优化的贝叶斯估计多传感器数据融合方法。在贝叶斯估计和卡尔曼滤波器理论的基础上,将两者结合起来,建立了一个新的评估数据融合操作的标准,应用于无线传感器网络数据融合中。通过一个具体实例研究估计移动机器人的位置,仿真结果表明在集中式和分布式两个方面数据融合体系结构,结合卡尔曼滤波器的贝叶斯融合算法能够有效地解决数据的不确定性和不一致性。3.在目标定位系统中最重要的工作就是设计一种高效的定位算法,提出了一种基于模糊逻辑的无需测距定位算法,力求得到最佳解决方案。根据模糊逻辑理论,利用锚节点的接收信号强度指示器(Received Signal Strength Indicator, RSSI)和链路质量指示器(Link Quality Indicator, LQI)的当前值来为边权值建模,以此得出传感器节点的位置。仿真结果表明能够较好地解决无线传感器网络环境下的目标定位问题,验证了该算法的正确性和有效性。

关键词：无线传感器网络数据融合目标定位与跟踪卡尔曼滤波器模糊逻辑

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非合作无源探测技术研究进展与发展趋势

高技术通讯 2015年第5期25卷 481-492页

作者：应涛黄高明左炜高俊海军工程大学电子工程学院武汉430033

从非合作无源探测原理和特点出发,对非合作无源探测技术的研究进展和发展趋势进行了综述。介绍了国内外非合作无源探测理论与实验研究的发展与现状,评述了非合作无源探测技术的研究热点与关键技术,包括辐射源信号分析与选择,参考信号提... 详细信息

从非合作无源探测原理和特点出发,对非合作无源探测技术的研究进展和发展趋势进行了综述。介绍了国内外非合作无源探测理论与实验研究的发展与现状,评述了非合作无源探测技术的研究热点与关键技术,包括辐射源信号分析与选择,参考信号提纯,干扰抑制及目标检测、定位与跟踪等。最后对非合作无源探测技术的发展趋势进行了展望。

关键词：非合作辐射源无源探测目标定位与跟踪

GNSS外辐射源空中目标探测研究现状及发展

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无线电工程 2023年第7期53卷 1639-1651页

作者：李唐王峰杨新宇胡文霄谭传瑞杨东凯北京航空航天大学沈元学院北京100191 北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191

外辐射源雷达是依靠其他辐射信号进行探测的雷达,具有成本低廉、战场生存能力强、反隐身性能优秀和抗干扰能力突出等特点,是当前多个领域的研究热点。导航卫星信号具有带宽宽、旁瓣低和全天候全地域覆盖的特点,且作为外辐射源信号可无... 详细信息

外辐射源雷达是依靠其他辐射信号进行探测的雷达,具有成本低廉、战场生存能力强、反隐身性能优秀和抗干扰能力突出等特点,是当前多个领域的研究热点。导航卫星信号具有带宽宽、旁瓣低和全天候全地域覆盖的特点,且作为外辐射源信号可无损重构。针对外辐射源雷达的发展现状,从外辐射源探测、主要外辐射源信号对比分析、外辐射源雷达的关键技术和研究难点等方面进行概述,得出导航信号作为外辐射源信号的优势所在及其以弱信号检测和杂波抑制为主的研究难点,并就已有技术提出初步的解决方案。从多雷达布站方案、双站极化处理和双基雷达成像等方面对GNSS外辐射源目标探测技术的发展趋势提出展望。

关键词：全球导航卫星系统被动雷达目标检测目标定位与跟踪

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基于无线传感器网络的目标跟踪技术的研究

基于无线传感器网络的目标跟踪技术的研究

作者：兰玲东北大学

学位级别：硕士

无线传感器网络（WSN）被认为是21世纪最重要的新兴技术之一,目标跟踪是WSN的一个重要应用领域,其应用受到业界的广泛关注。目标跟踪被广泛应用于军事环境、医疗、交通等方面,它的主要目的是通过测量目标与传感器节点的距离或角度来估... 详细信息

无线传感器网络（WSN）被认为是21世纪最重要的新兴技术之一,目标跟踪是WSN的一个重要应用领域,其应用受到业界的广泛关注。目标跟踪被广泛应用于军事环境、医疗、交通等方面,它的主要目的是通过测量目标与传感器节点的距离或角度来估计目标的运动轨迹。本文系统地分析了无线传感器网络的特点、体系结构以及应用前景,详细介绍了无线传感器网络跟踪模型和跟踪算法,深入研究了基于粒子滤波的目标跟踪算法,包括传统粒子滤波算法和扩展卡尔曼粒子滤波算法,并对各种算法的优缺点进行了分析和比较。针对传统粒子滤波算法的粒子退化和粒子抽样问题,提出了基于不敏粒子滤波的移动传感器目标跟踪算法。传统粒子滤波最大的缺陷是用于采样的替代分布中没有包含当前观测值提供的信息,使得观测值在状态估计过程中没有起到应有的修正作用,从而使滤波算法的性能受到影响,针对该问题,所提出的目标跟踪算法利用不敏卡尔曼滤波（UKF）方法产生建议分布并从中采样,从而较好地利用了观测值提供的信息,从根本上解决了从转换先验密度函数中采样所产生的问题,有效的提高了跟踪精度。同时,所提算法中利用较少的移动传感器进行跟踪,不需要在网络区域内部署大量的传感器节点,因而不会造成融合中心因处理大量数据而产生的负担,同时避免了传输信息发生的冲突、控制消息过多、无线信道拥挤等现象,节省了网络能量。最后,对所提出的目标跟踪算法设计了仿真实验,分别与基于静止网络的传统不敏粒子滤波,扩展卡尔曼粒子滤波目标跟踪算法进行了比较。实验仿真结果表明,该算法在降低了网络能量的基础上,可以提高了目标的跟踪精度。

关键词：无线传感器网络目标定位与跟踪不敏粒子滤波移动传感器