CN117649426B - 抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及目标跟踪技术领域，具体提供一种抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法，在地面，使用无人机搭载光电转塔，将光电转塔的俯仰角与被起落架遮挡的视场方位角进行曲线拟合；利用无人机对目标进行跟踪，实时计算目标的运动速度和运动方向；当目标接近被起落架遮挡的角度范围内时，跟踪器停止对目标的信息进行更新，并根据目标的运动速度和运动方向对目标的运动轨迹进行预测并跟踪；当被起落架遮挡的角度范围时，跟踪器全视场搜索目标，对目标重新进行跟踪。本发明自动化处理了起落架遮挡目标的问题，避免了人工搜索目标的过程，降低了操作手的工作量。

Description

抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法

技术领域

本发明涉及目标跟踪技术领域，具体提供一种抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法。

背景技术

无人机通常需要持续跟踪目标，但受重量限制，中小型无人机不具备起落架收放装置，这就造成了无人机对地面目标跟踪过程中，不可避免的被前后起落架遮挡住摄像机视线，造成目标跟踪丢失，目标丢失后，需要操作手人工将载荷切入惯性态，依靠人工操作，控制光电转塔左右上下转动，搜索目标，操作过于复杂，且人工查找目标耗时，延误对灾情等重要信息的上报。因此，在光电转塔的视线被无人机起落架遮挡的过程中，应当避免人工搜索目标，降低操作手工作量与目标重新捕获时间，自动化处理无人机起落架造成目标遮挡的问题。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法，在无人机跟踪过程中，合理判断目标丢失情况，动态切换跟踪策略，根据被起落架遮挡的视场方位角、目标的运动速度和方向，在视场被遮挡过程中对运动轨迹进行预测，并根据预测轨迹进行跟踪，当目标离开被起落架遮挡的视场方位角范围，对目标进行重新捕获。

本发明提供的抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法，包括以下步骤：

S1：在光电转塔的俯仰角范围内，预先测量光电转塔被起落架遮挡的视场方位角，并将光电转塔的俯仰角与被起落架遮挡的视场方位角进行曲线拟合，并存入机载计算机；

S2：无人机对目标进行跟踪，实时计算目标的运动速度和运动方向；

在跟踪过程中，将光电转塔的俯仰角代入光电转塔的俯仰角与被起落架遮挡的视场方位角的拟合曲线中，计算目标被起落架遮挡的视场方位角范围；当目标进入视场方位角范围内，跟踪器停止对目标的信息进行更新，并根据目标的运动速度和运动方向对目标的运动轨迹进行预测并跟踪；

S3：当目标离开视场方位角范围，跟踪器对目标进行搜索，对目标继续进行跟踪。

优选的，S1中，被起落架遮挡的视场方位角为一个角度区间，两个端点分别为：被起落架开始遮挡的视场方位角A_min和被起落架结束遮挡的视场方位角A_max。

优选的，S1中，在光电转塔的俯仰角范围内，通过手动操作等角度改变光电转塔的俯仰角E，并采集在每个俯仰角E时，光电转塔被起落架开始遮挡的视场方位角A_min和被起落架结束遮挡的视场方位角A_max；

对E和A_min进行曲线拟合，获得第一拟合曲线；

对E和A_max进行曲线拟合，获得第二拟合曲线；

将第一拟合曲线和第二拟合曲线均存入机载计算机。

优选的，S2中，目标的运动速度和运动方向的计算过程如下：

采集T₁时刻目标的经度L₁、纬度M₁和高度H₁；

采集T₂时刻目标的经度L₂、纬度M₂和高度H₂；

计算地球椭球第一偏心率e₁如下：

；

计算T₁时刻目标的椭球卯酉圈曲率半径N₁如下：

；

计算T₂时刻目标的椭球卯酉圈曲率半径N₂如下：

；

将在T₁时刻目标由大地坐标系转化为空间直角坐标系，获得的坐标为：

；

；

；

将在T₂时刻目标由大地坐标系转化为空间直角坐标系，获得的坐标为：

；

；

；

计算T₁时刻至T₂时刻目标的运动距离distance为：

；

则目标的运动速度speed为：

；

目标的运动方向direct为：

T₁时刻目标位置至T₂时刻目标位置的连线方向。

优选的，确定光电转塔的俯仰角E，将俯仰角E代入第一拟合曲线和第二拟合曲线，计算获得被起落架开始遮挡的视场方位角A_min和被起落架结束遮挡的视场方位角A_max；当目标运动至视场方位角A_min，跟踪器停止对目标的信息进行更新，用于防止目标被错误更新为起落架，光电转塔的伺服系统转入惯性态，并根据目标的运动速度speed和运动方向direct对目标的运动轨迹进行预测，跟踪光电转塔按照预测的运动轨迹进行跟踪。

优选的，手动操作使光电转塔的俯仰角E每次改变1°。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明预先对光电转塔的俯仰角和被无人机起落架遮挡的视场方位角进行数据采集，并进行曲线拟合，在目标进入无人机盲区时，根据目标的运动速度和方向，对目标的运动轨迹进行预测，并根据预测轨迹进行跟踪，当预测目标脱离无人机盲区后，对目标继续进行跟踪；该过程运算量小，且曲线拟合部分在地面预先完成，保证了无人机在目标跟踪过程中快速且合理地判断目标丢失情况，目标受遮挡过程中，阻断了跟踪器对目标的信息更新，避免了无人机将起落架错误更新为目标；相比于现有的人工搜索目标的方式，降低了操作手工作量与目标重新捕获时间，对于无人机起落架造成目标遮挡的问题实现了自动化处理。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法的流程图；

图2是根据本发明实施例提供的光电转塔的俯仰角E时，地面测定被起落架开始遮挡的视场方位角A_min和被起落架结束遮挡的视场方位角A_max的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例提出的抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法，用于解决无人机跟踪目标过程中，起落架遮挡目标的问题，无人机上搭载有光电转塔和跟踪器，无人机通过伺服系统控制光电转塔的俯仰角和方位角，通过调整光电转塔的俯仰角和方位角调整跟踪器的视场，以便于对目标进行跟踪，目标跟踪方法具体包括以下步骤：

S1：如图2所示，首先需要在地面测定无人机起落架对跟踪器视场的遮挡范围，具体的，光电转塔在俯仰方向上可转动的俯仰角E范围为0~80°（规定水平角度为0°），在水平方向上可转动的方位角A范围为0~360°。在地面，操作手手动多次改变光电转塔的俯仰角E，角度改变方式优选为等角度改变。在本实施例中，自俯仰角E为0°开始，每次使光电转塔下降1°，观察并采集此时目标被无人机起落架遮挡的视场方位角范围，由于起落架具有一定宽度，因此，被遮挡的是一个角度区间，在该区间内目标始终被无人机起落架遮挡，跟踪器无法获取目标位置。针对光电转塔的每个俯仰角E，均需要记录被起落架开始遮挡的视场方位角A_min和被起落架结束遮挡的视场方位角A_max。例如，俯仰角E=10°时，则需要记录的数据包括10_A_max和10_A_min；俯仰角E=40°时，则需要记录的数据包括40_A_max和40_A_min。由于起落架通常为弯曲形状，所以需要记录俯仰角0~80°范围内对应的全部数据。所有数据采集完毕后，对E和A_min进行曲线拟合，获得第一拟合曲线，第一拟合曲线对应任意俯仰角E下，目标被起落架开始遮挡的视场方位角A_min；对E和A_max进行曲线拟合，获得第二拟合曲线，第二拟合曲线对应任意俯仰角E下，目标被起落架结束遮挡的视场方位角A_max。将第一拟合曲线和第二拟合曲线存入机载计算机。

S2：无人机存入第一拟合曲线和第二拟合曲线后即可执行任务，对目标进行跟踪。在跟踪过程中，首先可以确定光电转塔俯仰角E的具体值，将俯仰角E分别代入第一拟合曲线和第二拟合曲线，代入第一拟合曲线计算获得目标被起落架开始遮挡的视场方位角A_min；代入第二拟合曲线计算获得目标被起落架结束遮挡的视场方位角A_max。由于在跟踪过程中无人机和/或目标是处于运动状态的，光电转塔需要进行方位角转动，带动跟踪器在水平方向上转动，使目标始终处于跟踪器的市场范围内，因此，在跟踪过程中目标会存在被无人机起落架开始遮挡的视场方位角A_min，此时，目标处于被遮挡的临界点，通过记载控制系统控制跟踪器停止对目标的位置信息进行更新，保存目标模板为target，避免跟踪器错将起落架更新为跟踪的目标，防止获得错误信息对目标跟踪造成干扰。同时，光电转塔的伺服系统自动进入惯性态，并根据目标被遮挡之间的运动速度speed和运动方向direct对目标在遮挡过程中的运动轨迹进行预测。

具体的，目标的运动速度speed和运动方向direct的计算过程如下：

首先需要进行定时采样，可采用等间隔选取采样点或者非等间隔选取采样点，在本实施例中，仅以在目标未被遮挡前的两个时刻T₁和T₂进行说明；

在T₁时刻，无人机采集目标的经度L₁、纬度M₁和高度H₁，并存入机载计算机。

在T₂时刻，无人机采集目标的经度L₂、纬度M₂和高度H₂，并存入机载计算机。

在无人机内设置地球椭球参数为：

地球椭球长半轴=6378137；

地球椭球短半轴=6356752；

计算地球椭球第一偏心率e₁如下：

。

根据地球椭球长半轴、第一偏心率e₁和目标的纬度M₁，计算T₁时刻目标的椭球卯酉圈曲率半径N₁如下：

。

根据地球椭球长半轴、第一偏心率e₁和目标的纬度M₂，计算T₂时刻目标的椭球卯酉圈曲率半径N₂如下：

。

上述计算数据均处于大地坐标系，需要将其转化为空间直角坐标系，便于后续运算。将在T₁时刻目标由大地坐标系转化为空间直角坐标系下，获得的坐标为：

；

；

。

将在T₂时刻目标由大地坐标系转化为空间直角坐标系下，获得的坐标为：

；

；

。

根据坐标和坐标/>，计算T₁时刻至T₂时刻目标的运动距离distance为：

；

则目标的运动速度speed为：

；

目标的运动方向direct为：

T₁时刻目标位置至T₂时刻目标位置的连线方向，即矢量方向。

假设遮挡过程中，目标的运动速度speed和运动方向direct不变，对目标的运动轨迹进行预测，光电转塔中的伺服系统根据预测轨迹控制光电转塔进行跟踪，在该过程中，光电转塔继续按照被遮挡前的方式进行转动，由于起落架遮挡目标的方位角范围通常不会很大，因此，即便遮挡过程中，目标的状态有所变化，预测轨迹与目标的真实轨迹也不会有过大偏差。

S3：根据预测轨迹，当目标离开被起落架遮挡的视场方位角范围时，即光电转塔的方位角转动至A_max，跟踪器重新对目标的信息进行更新，进入重新捕获状态，开始全视场搜索目标，搜索到目标后，对目标重新开始跟踪，由于预测轨迹与目标的真实轨迹相差较小，当目标离开被起落架遮挡的视场方位角范围后，目标还会处于跟踪器的视场范围内，不会造成目标丢失，需要人工控制进行目标搜索的问题。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法，无人机上搭载有光电转塔和跟踪器，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在所述光电转塔的俯仰角范围内，预先测量所述光电转塔被起落架遮挡的视场方位角，并将所述光电转塔的俯仰角与被起落架遮挡的视场方位角进行曲线拟合，被起落架遮挡的视场方位角为一个角度区间，两个端点分别为：被起落架开始遮挡的视场方位角A_min和被起落架结束遮挡的视场方位角A_max在所述光电转塔的俯仰角范围内，通过手动操作等角度改变所述光电转塔的俯仰角E，并采集在每个俯仰角E时，所述光电转塔被起落架开始遮挡的视场方位角A_min和被起落架结束遮挡的视场方位角A_max；

对E和A_min进行曲线拟合，获得第一拟合曲线；

对E和A_max进行曲线拟合，获得第二拟合曲线；

将所述第一拟合曲线和所述第二拟合曲线存入机载计算机；

S2：无人机对目标进行跟踪，实时计算目标的运动速度和运动方向；

在跟踪过程中，将所述光电转塔的俯仰角代入所述光电转塔的俯仰角与被起落架遮挡的视场方位角的拟合曲线中，计算目标被起落架遮挡的视场方位角范围；确定所述光电转塔的俯仰角E，将俯仰角E代入所述第一拟合曲线和所述第二拟合曲线，计算目标被起落架遮挡的视场方位角范围，获得被起落架开始遮挡的视场方位角A_min和被起落架结束遮挡的视场方位角A_max；当目标运动至视场方位角A_min，所述跟踪器停止对目标的信息进行更新，用于防止目标被错误更新为起落架，所述光电转塔的伺服系统转入惯性态，并根据目标的运动速度speed和运动方向direct对目标的运动轨迹进行预测，跟踪所述光电转塔按照预测的运动轨迹进行跟踪，当目标进入视场方位角范围内，所述跟踪器停止对目标的信息进行更新，并根据目标的运动速度和运动方向对目标的运动轨迹进行预测并跟踪；

S3：当目标离开视场方位角范围，所述跟踪器对目标进行搜索，对目标继续进行跟踪。

2.如权利要求1所述的抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法，其特征在于，所述S2中，目标的运动速度和运动方向的计算过程如下：

采集T₁时刻目标的经度L₁、纬度M₁和高度H₁；

采集T₂时刻目标的经度L₂、纬度M₂和高度H₂；

计算地球椭球第一偏心率e₁如下：

；

其中，表示地球椭球长半轴，/>表示地球椭球短半轴；

计算T₁时刻目标的椭球卯酉圈曲率半径N₁如下：

；

计算T₂时刻目标的椭球卯酉圈曲率半径N₂如下：

；

将在T₁时刻目标由大地坐标系转化为空间直角坐标系，获得的坐标为：

；

；

；

将在T₂时刻目标由大地坐标系转化为空间直角坐标系，获得的坐标为：

；

；

；

计算T₁时刻至T₂时刻目标的运动距离distance为：

；

则目标的运动速度speed为：

；

目标的运动方向direct为：

T₁时刻目标位置至T₂时刻目标位置的连线方向。

3.如权利要求1所述的抗无人机起落架遮挡的运动目标跟踪方法，其特征在于，手动操作使所述光电转塔的俯仰角E每次改变1°。