目標(biāo)跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及導(dǎo)航定位及目標(biāo)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種目標(biāo)跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目標(biāo)跟蹤是一項融合圖像處理、模式識別、人工智能、自動控制、傳感器及導(dǎo)航定 位等多種不同領(lǐng)域先進成果綜合性應(yīng)用技術(shù)，是軍事、民用領(lǐng)域一項廣泛應(yīng)用的技術(shù)。
[0003] 現(xiàn)階段對目標(biāo)物的跟蹤主要是基于視覺的目標(biāo)識別與跟蹤和基于GNSS(Global Navigation Satellite System,全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的跟蹤兩種手段。
[0004] 通?；谝曈X的目標(biāo)跟蹤是指對圖像序列中的運動目標(biāo)或是特征單一的物體進 行檢測、識別和跟蹤，通過獲取目標(biāo)的位置、速度等參數(shù)或是目標(biāo)的形狀和顏色等特征，然 后對其進一步處理，實現(xiàn)對運動目標(biāo)物的準(zhǔn)確跟蹤。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姜運宇等人采用視 覺傳感器（相機）采集運動物體目標(biāo)的圖像信息，對地面目標(biāo)跟蹤問題進行了研究。南京 航空航天大學(xué)的朱瑋等人首先利用圖像匹配的方法對目標(biāo)進行識別，然后結(jié)合Camshift 和粒子濾波這兩種跟蹤算法各自存在的優(yōu)缺點，提出了一種結(jié)合兩者優(yōu)點的跟蹤算法。跟 蹤過程中，首先確定跟蹤窗口的初始位置和大小，然后對目標(biāo)物體的顏色特征，邊緣特征和 SIFT特征進行融合，以Camshift來優(yōu)化粒子的傳播，從而完成了目標(biāo)在相似顏色干擾和被 遮擋的情況下都能對某一類物體進行很好的跟蹤。而浙江大學(xué)的張志飛等人則利用視覺 定位與地面已知移動目標(biāo)自動識別跟蹤系統(tǒng)進行了全面的設(shè)計，研究和開發(fā)。與以往不同 的是，他的研究增強了目標(biāo)識別算法在惡劣氣象條件下的自適應(yīng)性，如出現(xiàn)霧霾，陰天等天 氣。中國科學(xué)院的金炫等人就復(fù)雜場景下的目標(biāo)跟蹤監(jiān)測提出了一種基于生物視覺的思路 來進行跟蹤。利用顏色顯著圖，方向顯著圖，灰度顯著圖建立了靜態(tài)顯著圖，利用運動信息 和視頻幀間的連續(xù)性建立了運動顯著圖，并且通過超頻傅立葉變換對顯著圖進行集成，形 成目標(biāo)在運動過程中的一個分布權(quán)重圖用以反映目標(biāo)出現(xiàn)在各個位置的概率，最后通過視 覺暫留模型和重新檢測模型建立了一個基于生物視覺的跟蹤模型。該方法可以有效的對不 同目標(biāo)進行自動檢測跟蹤。
[0005] 基于GNSS的跟蹤技術(shù)方面，東北林業(yè)大學(xué)的劉治彬等人以GNSS定位技術(shù)為基礎(chǔ)， 結(jié)合計算機技術(shù)、通信技術(shù)、伺服控制技術(shù)、單片機技術(shù)等，研究設(shè)計了一套能夠?qū)σ苿幽?標(biāo)實現(xiàn)自動跟蹤的控制系統(tǒng)。利用GNSS接收機實時捕獲移動載體的位置信息，并將此信息 通過數(shù)傳電臺發(fā)出，地面站通過數(shù)傳電臺將數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)從數(shù)傳電臺由串口傳送給單片 機，在單片機內(nèi)，接收數(shù)據(jù)與基站數(shù)據(jù)進行比較，產(chǎn)生差值，通過復(fù)雜的計算與判斷，由單片 機的串口輸出控制信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，由RS - 485到達伺服機構(gòu)入口；在云臺內(nèi)，數(shù)據(jù)再經(jīng)解 碼、功放等一系列過程，轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動步進電機工作的電壓信號，使云臺進行水平、垂直旋 轉(zhuǎn)，驅(qū)動跟蹤天線實現(xiàn)跟蹤。電子科技大學(xué)的安然等人提出了一種基于GNSS的飛行目標(biāo)跟 蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)在移動載體上安放GNSS接收裝置，利用GNSS接收裝置實時捕獲移動物體 的位置信息，通過數(shù)傳電臺的遠程數(shù)據(jù)傳送，到達地面接收站并送往單片機；在單片機內(nèi)， 送來的數(shù)據(jù)與基站數(shù)據(jù)進行比較，產(chǎn)生差值，根據(jù)差值的大小，產(chǎn)生不同的驅(qū)動信號，送給 云臺以調(diào)節(jié)方位和轉(zhuǎn)速，并帶動跟蹤天線實施對移動目標(biāo)的跟蹤。而大連海事大學(xué)的何虎 等人采用GNSS定位，羅盤、滑動變阻器反饋和步進電機控制等數(shù)字化引導(dǎo)方式，利用嵌入 式系統(tǒng)設(shè)計的思想實現(xiàn)了天線自動跟蹤系統(tǒng)，具有更強的穩(wěn)定性和可靠性。
[0006] 上述方法基本都能對目標(biāo)物進行不同程度的識別與自動跟蹤，但存在可靠性較 低、靜態(tài)目標(biāo)跟蹤效果不佳、難以保證窄視場下目標(biāo)在所拍攝圖片的中心位置等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 基于此，有必要針對上述問題，提供一種能夠解決此問題的新的目標(biāo)物跟蹤方法。
[0008] 為實現(xiàn)本發(fā)明目的提供的一種目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0009] 獲取待跟蹤目標(biāo)的高精度目標(biāo)三維空間坐標(biāo)；
[0010] 利用1?精度定位定姿系統(tǒng)實時獲取載荷的1?精度二維空間坐標(biāo)和姿態(tài)；
[0011] 根據(jù)所述載荷的移動速度以及所述高精度定位定姿系統(tǒng)中的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 接收機天線與相機之間的幾何位置關(guān)系，計算相機投影中心三維空間坐標(biāo)；
[0012] 根據(jù)所述相機投影中心三維空間坐標(biāo)及所述目標(biāo)三維空間坐標(biāo)計算所述目標(biāo)的 目標(biāo)方位角及目標(biāo)姿態(tài)角；
[0013] 根據(jù)所述目標(biāo)方位角及所述目標(biāo)姿態(tài)角計算所述相機的曝光位置的預(yù)測姿態(tài)；
[0014] 調(diào)整所述相機的姿態(tài)到所述預(yù)測姿態(tài)；
[0015] 使用所述相機在所述曝光位置對所述目標(biāo)進行拍照；
[0016] 所述高精度載荷三維空間坐標(biāo)為所述全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機天線的相位中心 的坐標(biāo)。
[0017] 作為一種目標(biāo)跟蹤方法的可實施方式，所述利用高精度定位定姿系統(tǒng)實時獲取載 荷的高精度載荷三維空間坐標(biāo)，包括以下步驟：
[0018] 在距地面測控站預(yù)設(shè)距離范圍內(nèi)利用差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、連續(xù)運行衛(wèi)星定位 服務(wù)綜合系統(tǒng)或者精密單點定位技術(shù)精確測量基站點的坐標(biāo)；
[0019] 在所述基站點架設(shè)實時動態(tài)控制系統(tǒng)基站，并通過數(shù)據(jù)鏈路保持所述實時動態(tài)控 制系統(tǒng)基站與載荷之間差分定位信號的暢通；
[0020] 高精度定位定姿系統(tǒng)接收所述差分定位信號，并進行位置及姿態(tài)的組合解算，輸 出組合解算后的高精度位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)；
[0021] 所述載荷控制系統(tǒng)對接收的所述高精度位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)進行誤差補償校正，及全 球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機天線的偏心分量改正，得到最終的相機投影中心三維空間坐標(biāo)的定 位結(jié)果。
[0022] 作為一種目標(biāo)跟蹤方法的可實施方式，還包括判斷所述載荷與所述目標(biāo)之間的距 離是否在預(yù)設(shè)距離范圍內(nèi)的步驟，若是，則執(zhí)行根據(jù)所述載荷的移動速度以及所述高精度 定位定姿系統(tǒng)中的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機天線與相機之間的幾何位置關(guān)系，計算所述相 機投影中心三維空間坐標(biāo)的步驟；若否，則等待下一個循環(huán)周期繼續(xù)判斷所述距離。
[0023] 作為一種目標(biāo)跟蹤方法的可實施方式，在步驟根據(jù)所述目標(biāo)方位角及所述目標(biāo)姿 態(tài)角計算所述相機的預(yù)測姿態(tài)之后，還包括判斷所述相機的方位角和姿態(tài)角分別與所述目 標(biāo)方位角和所述目標(biāo)姿態(tài)角之間的差值是否均在預(yù)設(shè)差值范圍內(nèi)，若是，則繼續(xù)執(zhí)行所述 在所述曝光位置對所述目標(biāo)進行拍照的步驟；若否，則返回執(zhí)行計算所述相機投影中心三 維空間坐標(biāo)的步驟。
[0024] 作為一種目標(biāo)跟蹤方法的可實施方式，所述相機設(shè)置在吊艙中，所述吊艙通過穩(wěn) 定平臺與運行載體相連接；所述高精度定位定姿系統(tǒng)設(shè)置在所述吊艙中，且所述高精度定 位定姿系統(tǒng)包括慣性測量單元和具有所述天線的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機；所述載荷中的 高精度定位定姿系統(tǒng)中的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機天線與所述相機之間有預(yù)設(shè)位置差；
[0025] 所述根據(jù)所述載荷的移動速度以及所述高精度定位定姿系統(tǒng)中的全球衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)接收機天線與相機之間的幾何位置關(guān)系，計算所述相機投影中心三維空間坐標(biāo)，包括 以下步驟：
[0026] 根據(jù)下面的公式計算全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機天線的相位中心在吊艙坐標(biāo)系中 的坐標(biāo)，即全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)吊艙坐標(biāo)系坐標(biāo)；
[0028] 其中，
為全球衛(wèi) 星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機天線的相位中心從穩(wěn)定平臺參考坐標(biāo)系到吊艙坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，
為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機天線的相位中心與穩(wěn)定平臺參考中心的偏 心分量；
[0029] 利用下面的公式根據(jù)所述全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)吊艙坐標(biāo)系坐標(biāo)計算所述全球衛(wèi)星 導(dǎo)航系統(tǒng)接收機天線的相位中心在慣性測量單元坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)慣 性坐標(biāo)系坐標(biāo)；
[0031] 其中，
為慣性測量單兀幾何參考中心與吊艙中心的偏心分量；
[0032] 利用下面的公式根據(jù)所述全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)慣性坐標(biāo)系坐標(biāo)計算相機投影中心 在導(dǎo)航系中的坐標(biāo)，即相機導(dǎo)航坐標(biāo)；
為全球衛(wèi) 星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機天線的相位中心從慣性測量單元本體坐標(biāo)系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣， ^ 為相機投影中心在慣性測量單元坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；
[0035] 根據(jù)發(fā)出相機曝光指令到所述相機曝光完成的時間延遲，結(jié)合所述載體的移動速 度根據(jù)下面的公式計算所述相機投影中心在導(dǎo)航系內(nèi)的相機坐標(biāo)增量；
[0037] 其中，vx，vy，Vz為慣性測量單元測量的在導(dǎo)航系的速度矢量，t。為相機曝光延遲時 間；
[0038] 將所述相機導(dǎo)航坐標(biāo)和所述相機坐標(biāo)增量之和作為相機投影中心在導(dǎo)航系內(nèi)的 最終坐標(biāo)，并根據(jù)所述相機在導(dǎo)航系內(nèi)的最終坐標(biāo)值根據(jù)下面公式計算所述相機投影中心 在地心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)作為預(yù)測的所述相機投影中心三維空間坐標(biāo)； -
- ，.
[0040] 其中，
為相機 投影中心從導(dǎo)航坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，[& I zj τ為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機