JP2005274300A - Target tracking device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は目標の未来位置を予測する目標追尾装置に係るものであり、特に複数の運動モデルの中から適切な運動モデルを選択する技術に関するものである。 The present invention relates to a target tracking device that predicts a future position of a target, and more particularly to a technique for selecting an appropriate motion model from a plurality of motion models.
目標追尾フィルタとして、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ(例えば非特許文献1)が知られている。このような目標追尾フィルタでは、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタの平滑位置ベクトル及び平滑速度ベクトルより、Nサンプル後の未来位置を予測するのが一般的である。 As a target tracking filter, a Kalman filter (for example, Non-Patent Document 1) based on a constant velocity linear motion model is known. In such a target tracking filter, the future position after N samples is generally predicted from the smooth position vector and smooth velocity vector of the Kalman filter based on the constant velocity linear motion model.
一方、蛇行目標に対する追尾フィルタとしては、追尾目標が蛇行して運動する場合に、加速度x"(t)を正弦関数x"(t)=ntsin(ωt+φ)で表した運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて、追尾目標の運動諸元を予測していた(例えば、特許文献1や非特許文献2)。ただしここで、xは追尾目標の位置であり、x"は時間tによる二階微分を表す(x"=d2x/dt2)。また、以下の説明において、x'は時間tによる一階微分を表すものとする(x'=dx/dt)。またntは蛇行運動の最大振幅、ωは蛇行周波数、φは位相差である。
On the other hand, as a tracking filter for a meandering target, a Kalman filter based on a motion model in which acceleration x "(t) is expressed by a sine function x" (t) = ntsin (ωt + φ) when the tracking target moves meandering is used. Thus, the motion specifications of the tracking target have been predicted (for example,
従来の目標追尾フィルタを用いて未来位置予測を行う場合、追尾フィルタの平滑位置ベクトル及び平滑速度ベクトルに基づき、目標の運動が所定の運動モデルに従うものと仮定して、外装法を用いて未来位置を算出する。したがって、良好な未来位置予測結果を得るには、目標の運動モデルと実際の運動が一致していることが求められる。そうでない場合、すなわち例えば、目標の運動と一致しない追尾フィルタを使用した場合や目標運動が途中で変化してしまうような場合など、目標の運動モデルと実際の運動とが食い違う場合は、Nサンプル後の未来位置予測精度は劣化してしまう。
この発明は、複数の運動モデルの中から最適な運動モデルを選択することにより、より精度の高い未来位置予測を行うことを目的とするものである。
When performing future position prediction using a conventional target tracking filter, the exterior position method is used to assume that the target motion follows a predetermined motion model based on the smooth position vector and smooth velocity vector of the tracking filter. Is calculated. Therefore, in order to obtain a good future position prediction result, it is required that the target motion model and the actual motion match. Otherwise, for example, when using a tracking filter that does not match the target motion or when the target motion changes midway, if the target motion model and the actual motion conflict, N samples The future future position prediction accuracy will deteriorate.
An object of the present invention is to perform future position prediction with higher accuracy by selecting an optimal motion model from a plurality of motion models.
この発明に係る目標追尾装置は、異なる運動モデルに基づく複数のカルマンフィルタを用いて目標の観測値から複数の平滑値を算出するとともに、これらの平滑値から適切な平滑値を選択して前記目標の未来位置を予測する目標追尾装置において、
等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記観測値から第1の平滑値と第1の予測値とを算出する等速直線運動カルマンフィルタ処理手段と、
蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記観測値から第2の平滑値と第2の予測値とを算出する蛇行運動カルマンフィルタ処理手段と、
第1及び第2の予測値に基づいて前記目標の運動状態を判別する運動判別処理手段と、
第2の平滑値の収束状況を判定する収束判定手段と、
前記運動判別処理手段が判別した前記目標の運動状態と前記収束判定手段が判定した収束状況とに基づいて、第1の平滑値と第2の平滑値とのいずれかを前記適切な平滑値として選択するフィルタ出力選択手段と、
を備えたものである。
The target tracking device according to the present invention calculates a plurality of smooth values from a target observed value using a plurality of Kalman filters based on different motion models, and selects an appropriate smooth value from these smooth values to select the target In the target tracking device that predicts the future position,
Constant velocity linear motion Kalman filter processing means for calculating a first smoothed value and a first predicted value from the observed value using a Kalman filter based on a constant velocity linear motion model;
Meandering Kalman filter processing means for calculating a second smoothed value and a second predicted value from the observed values using a Kalman filter based on a meandering motion model;
Motion discrimination processing means for discriminating the motion state of the target based on the first and second predicted values;
A convergence determining means for determining a convergence state of the second smooth value;
Based on the target motion state determined by the motion determination processing means and the convergence status determined by the convergence determination means, either the first smooth value or the second smooth value is set as the appropriate smooth value. Filter output selection means to select;
It is equipped with.
このように、この発明による目標追尾装置によれば、複数の運動モデルに基づくカルマンフィルタによって得られた平滑速度ベクトルを組み合わせて目標の運動判別を行い、未来位置予測を行う上で最も有利な追尾フィルタの出力を選択することとしたので、未来位置を予測精度を向上させることが可能となるのである。 As described above, according to the target tracking device of the present invention, the tracking filter that is most advantageous in performing future position prediction by combining the smooth velocity vectors obtained by the Kalman filter based on a plurality of motion models to perform target motion discrimination. Therefore, it is possible to improve the prediction accuracy of the future position.
以下、この発明の実施の形態について図を用いて説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1における目標追尾装置の構成を示すブロック図である。図において、観測装置1はこのシステムが未来位置予測を行う対象となる目標が放射又は反射する信号を、アンテナなどを例とするセンサにより検出し、そのセンサによって検出された信号を信号処理して探知データとして出力する装置である。このような装置の例としては電波を処理するレーダ装置があるが、音波信号を処理するソナー装置やその他の装置であってもよい。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the target tracking device according to
追尾維持装置2は、観測装置1により得られた探知データの中から目標からの観測値として適したデータをゲート判定処理により抽出し、追尾フィルタ、例えばカルマンフィルタによる運動諸元の推定及び予測を行って、運動諸元予測値として出力する部位である。なおこの説明及び以下の説明において、部位という語はそのような処理を行う専用の回路又は素子によって構成されるものとするが、汎用のコンピュータとそのコンピュータに所定の処理を実行させるコンピュータプログラムとを組み合わせて構成するようにしても構わない。
The
追尾維持装置2から出力された運動諸元予測値は、運動判別処理器3、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4(以下、カルマンフィルタ4)、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5(以下、カルマンフィルタ5)、多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6(以下、カルマンフィルタ6)にそれぞれ出力される。
The motion specification prediction values output from the
運動判別処理器3は、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4と、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5が出力する処理結果に基づいて、目標の運動状態を分類する部位である。なお運動判別処理器3は運動判別処理手段の例をなすものである。図2は、運動判別処理器3の詳細な構成を示すブロック図である。図において、残差2次形式算出器31−1はカルマンフィルタ4の処理結果である予測値(実際には複数の値の組み合わせから構成されるベクトル値となる場合がある)、予測誤差共分散行列、観測誤差共分散行列から残差2次形式を算出する部位である。同様に、残差2次形式算出器31−2はカルマンフィルタ5の処理結果から残差2次形式を算出する部位である。判定評価関数算出器32−1及び32−2は、算出された残差2次形式に基づいて、一定サンプリング間における平均値となる判定評価関数を算出する部位である。運動判定器33は、判定評価関数算出器32−1及び32−2より得られた判定評価関数に基づいて、目標の運動状態を判別する部位である。より具体的には、判定評価関数算出器32−1及び32−2より得られた判定評価関数を所定のしきい値と比較し、そのしきい値判定結果の組み合わせにより、目標の状態を、「等速直線運動」、「蛇行運動」、「蛇行以外のマニューバ運動」に判別するようになっている。
The motion discrimination processor 3 is a part that classifies the target motion state based on the processing results output by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model and the Kalman
引き続き、図1に示した構成要素を説明する。カルマンフィルタ4は等速直線運動カルマンフィルタ処理手段の例をなすものであって、等速直線運動モデルに基づいて、追尾維持装置2が出力する運動諸元予測値から各回サンプリングについて予測値、予測誤差共分散行列、観測誤差共分散行列を算出する部位である。図3は、カルマンフィルタ4の詳細な構成を示すブロック図である。図が示すように、カルマンフィルタ4は、遅延器41、予測器42、平滑器43を備えている。遅延器41は、前回サンプリングの処理結果を1サンプリングの間保持して、今回サンプリングに出力する部位である。このような処理結果には、平滑値及び平滑誤差共分散行列が含まれる。予測器42は、遅延器41より得られた1サンプリング前の平滑値及び平滑誤差共分散行列を用いて、等速直線運動モデルに基づく予測値及び予測誤差共分散行列を算出する部位である。ここで算出された予測値及び予測誤差共分散行列は、運動判別処理器3とともに後述する平滑器43に出力されるようになっている。平滑器43は、追尾維持装置2より運動諸元予測値を取得して、フィルタゲイン、平滑値及び平滑誤差共分散行列を算出する部位である。これらフィルタゲイン、平滑値及び平滑誤差共分散行列の算出にあたっては、運動諸元予測値に加えて、予測器42の処理結果が供され、さらに平滑器43の処理結果は、遅延器41に戻されるようになっている。
Subsequently, the components shown in FIG. 1 will be described. The Kalman filter 4 is an example of a constant velocity linear motion Kalman filter processing means. Based on the constant velocity linear motion model, the predicted value and the prediction error are calculated for each sampling from the motion specification predicted value output by the
続いてカルマンフィルタ5の構成について説明する。カルマンフィルタ5は蛇行運動カルマンフィルタ処理手段の例をなすものであって、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタを処理する部位である。ここで蛇行運動とは、一定の直線(基準直線という)の近傍を移動する運動であって、基準直線を所定の周期で横切るような運動をいうものとする。したがって蛇行運動は基準直線を横切る周波数(蛇行周波数)と基準直線の傾き及び切片とで表現される。特にカルマンフィルタ5が基づいている蛇行運動モデルは、等速直線運動成分と正弦関数運動成分とを含んでいるものを仮定する。
Next, the configuration of the Kalman
目標の追尾に用いる蛇行運動モデルとしては複数の蛇行周波数を予め準備しておくことが現実的である。そこでカルマンフィルタ5は蛇行周波数ω1〜ωN(Nは1以上の自然数)で蛇行する蛇行運動モデル(以降、それぞれの運動モデルをモデル1〜モデルNと呼ぶ)に基づいて、追尾維持装置2が出力する運動諸元予測値から各回サンプリングについて予測値、予測誤差共分散行列、観測誤差共分散行列を算出するようになっている。図4は、カルマンフィルタ4の詳細な構成を示すブロック図である。図が示すように、カルマンフィルタ5は所定の蛇行周波数による運動モデル毎にカルマンフィルタを処理する系統(遅延器、混合器、予測器、平滑器)を有している。例えば、蛇行周波数ωNによる運動モデルに対する処理系統5−Nは遅延器51−N、混合器52−N、予測器53−N、平滑器54−N(Nは1以上の自然数とする)を備えている。
As a meandering motion model used for target tracking, it is realistic to prepare a plurality of meandering frequencies in advance. Accordingly, the
そのうち、遅延器51−Nはカルマンフィルタ4における遅延器41と同様に、前回サンプリングの処理結果を保持して、今回サンプリングに出力する部位である。混合器52−Nは、目標の蛇行運動の蛇行周波数が1次マルコフ過程に基づいて1サンプリングの間に他のモデルの蛇行周波数に遷移するとの仮定に従って、モデル1〜モデルNまでの平滑値及び平滑誤差共分散行列、信頼度計算器57より得られた事後信頼度から、混合平滑値及び混合平滑誤差共分散行列を算出する部位である。予測器53−Nは、等速直線運動と正弦関数運動の合成により表される運動モデルに基づき、混合器52−Nが算出した混合平滑値及び混合平滑誤差共分散行列を用いて、予測値及び予測誤差共分散行列を算出する部位である。平滑器54−Nは、カルマンフィルタ4の平滑器43と同様に、追尾維持装置2より運動諸元予測値を取得して、フィルタゲイン、平滑値及び平滑誤差共分散行列を算出する部位である。
Among them, the delay unit 51 -N is a part that holds the processing result of the previous sampling and outputs it to the current sampling, like the
なお、図4に示したカルマンフィルタ5は、遅延器51−N、混合器52−N、予測器53−N、平滑器54−Nは、個別の蛇行周波数ごとに一つずつ別体に配置する構成としているが、これらの一部あるいは全部の部位を蛇行周波数ω1〜ωNによる運動モデル間で共有するような構成としても構わない。蛇行周波数ω1〜ωNによる運動モデル間でこれらの部位を共有する場合は、例えば、セレクタやスイッチを設けて高速にそれぞれの運動モデル間で部位の入出力を切り替えるようにすればよいのである。
In the
尤度計算器56は、予測器53−1〜Nから出力される予測値及び予測誤差共分散行列と、追尾維持装置2が出力する運動諸元予測値からモデル1〜モデルNまでの尤度を算出する部位である。信頼度計算器57は、モデル1〜モデルNまでの尤度と1サンプリング前の事後信頼度とに基づき、モデル1〜モデルNまでの事後信頼度を算出する部位である。統合平滑器59は、平滑器54−1〜Nが出力した運動モデル毎の平滑値及び平滑誤差共分散行列、信頼度計算器より得られた事後信頼度に基づき、統合平滑値及び統合平滑誤差共分散行列を算出する部位である。統合予測器58は、予測器53−1〜Nが出力した運動モデル毎の予測値及び予測誤差共分散行列、信頼度計算器より得られた事後信頼度と所定のモデル推移確率より、事前信頼度、統合予測値及び統合予測誤差共分散行列を算出する部位である。なお、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタはある1軸(例えばx座標軸)上の蛇行運動を処理するので、2次元空間あるいは3次元空間用には、このような追尾フィルタを2つ又は3つ使用することになる。
Likelihood calculator 56 is the likelihood from
続いてカルマンフィルタ6の構成について説明する。カルマンフィルタ6は多重運動カルマンフィルタ処理手段の例をなすものであって、多重運動モデルに基づくカルマンフィルタを処理する部位である。すなわち、カルマンフィルタ6は、1つ以上の加速度α1〜αN(Nは1以上の自然数)による定数加速度モデルを用いてそれぞれの加速度ごとの予測値を算出し、モデル信頼度により旋回加速度を推定するようになっている。このような多重運動モデルに基づくカルマンフィルタを採用することで、旋回等のマニューバ運動に対する追従性能を向上することができるのである。
Next, the configuration of the
図5は、カルマンフィルタ6の詳細な構成を示したブロック図である。図において、遅延器6は前回サンプリングの処理結果を保持して、今回サンプリングに出力する部位である。カルマンフィルタ6は加速度α1〜αNのそれぞれによる運動モデル(モデル1〜モデルNという)を用いて予測処理と平滑処理を行うが、カルマンフィルタ6の遅延器61は複数の運動モデルで共有されるようになっている。遅延器61が出力する平滑値や平滑誤差共分散行列などの前回サンプリング処理結果は、加速度α1〜αNのそれぞれの運動モデル毎の処理系統62−1〜Nに出力される。各処理系統62−1〜Nは予測器63−1〜Nをそれぞれ備えており、それぞれの加速度により表される運動モデルに基づいて、予測値及び予測誤差共分散行列を算出する部位である。
FIG. 5 is a block diagram showing a detailed configuration of the
尤度計算器64は、予測器63−1〜63−Nが出力する予測値及び予測誤差共分散行列、追尾維持装置2から出力される運動諸元予測値からモデル1〜モデルNの尤度を算出する部位である。信頼度計算器65は、上記運動モデル毎の尤度と1サンプリング前の事後信頼度に基づき、運動モデル毎の事後信頼度を算出する部位である。統合予測器66は、遅延器61を介して得られた1サンプリング前の統合平滑値、統合平滑誤差共分散行列、信頼度計算器65が算出した事前信頼度より、統合予測器及び統合予測誤差共分散行列を算出する部位である。
The
統合平滑器67は、統合予測器66が算出した統合予測値、統合予測誤差共分散行列、信頼度計算器65が算出した事後信頼度より、フィルタゲイン、統合平滑ベクトル、統合平滑誤差共分散行列を算出する部位である。算出された統合平滑ベクトル、統合平滑誤差共分散行列は遅延器61に今回サンプリングの算出結果として出力されるとともに、カルマンフィルタ6の出力結果として外部に出力されるようになっている。
The integrated smoother 67 uses the integrated prediction value calculated by the
収束判定器7は収束判定手段の例をなすものであって、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5が算出した平滑値の安定状況(例えば、平滑速度ベクトルが安定したかどうか)を判定する部位である。等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の平滑速度ベクトルと蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルとを比較すると、追尾開始直後において蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルが安定するのに時間を要する傾向にある。このため、未収束の段階で未来位置予測に等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルを用いると、未来位置予測精度が劣化することとなる。このような問題を避けるために収束判定器7を設けて、カルマンフィルタ5が算出した平滑速度ベクトルの収束判定を行って、未収束の段階にある場合はカルマンフィルタ5が算出した平滑速度ベクトルを使用しないようにしている。
The convergence determination unit 7 is an example of a convergence determination unit, and is a part for determining a stable state of a smooth value calculated by the
図6は、収束判定器7の詳細な構成を示すブロック図である。図において、速度ベクトル角度算出器71は、隣接する2個のサンプリング時刻kと時刻k−1における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルのなす角度を算出する部位である。角度評価関数算出器72は、一定のサンプリング数における角度の平均値である角度評価関数を算出する。しきい値判定器73は、しきい値を角度評価関数が下回った場合、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束したと判定する部位である。判定結果メモリ74は、角度評価関数及び収束判定結果を記憶する記憶素子又は回路である。
FIG. 6 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the convergence determination unit 7. In the figure, a velocity
フィルタ出力選択器8はフィルタ出力選択手段の例をなすものであって、運動判別処理器3が出力した運動判別結果に基づき、適切な平滑値を選択する部位である。具体的に言えば、運動判別処理器3が「等速直線運動」と判定した場合は等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の平滑値を、「蛇行運動」と判定した場合は蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑値を、「蛇行運動以外のマニューバ運動」と判定した場合は、多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6の平滑値を選択する部位である。なお、フィルタ出力選択器8は、収束判定器7の判定結果をも採り入れて動作するようになっており、追尾開始後、カルマンフィルタ5の平滑値が収束したと収束判定器7によって判断されるまでは、カルマンフィルタ5の算出結果を採用しないようにしている。未来位置予測器9は、フィルタ出力選択器8より得られた平滑位置及び平滑速度ベクトルより、Nサンプリング後の未来位置を外挿法により算出する部位である。
The filter output selector 8 is an example of filter output selection means, and is a part that selects an appropriate smooth value based on the motion discrimination result output by the motion discrimination processor 3. Specifically, when the motion discriminating processor 3 determines “constant linear motion”, the smooth value of the Kalman filter 4 based on the constant linear motion model is used. When the smooth value of the
次に、この発明の実施の形態1による目標追尾装置の動作について説明する。これまでの説明からも理解されるように、この目標追尾装置は、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5及び多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6による追尾処理を行い、残差を用いた運動判別処理及び蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの収束判定結果に基づき、フィルタ出力を選択し、未来位置予測を行う。以下に、各フィルタ及び収束判定器7、フィルタ出力選択器8の動作について説明する。
Next, the operation of the target tracking device according to
(等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ)
まずカルマンフィルタ4における処理について説明する。等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4は、各サンプリング時刻において、平滑及び予測ベクトル、平滑及び予測誤差共分散行列を算出する。北基準直交座標系における等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の運動モデルは、式(1)〜(4)によって表される。
First, processing in the Kalman filter 4 will be described. The Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model calculates a smooth and prediction vector and a smooth and prediction error covariance matrix at each sampling time. The motion model of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model in the north reference orthogonal coordinate system is expressed by the equations (1) to (4).
ここで、xkはサンプリング時刻tkの状態ベクトル、Φiはサンプリング時刻tkからtk+1への状態遷移行列、wkはサンプリング時刻tkの駆動雑音ベクトル、Γkは駆動雑音変換行列、τkはサンプリング間隔、I3×3は3×3の単位行列である。なお、駆動雑音ベクトルwkは、平均0、共分散行列Qiのn変量正規分布に従う白色雑音と仮定する。 Where x k is a state vector at sampling time t k , Φ i is a state transition matrix from sampling time t k to t k + 1 , w k is a driving noise vector at sampling time t k , and Γ k is driving noise conversion A matrix, τ k is a sampling interval, and I 3 × 3 is a 3 × 3 unit matrix. Note that the driving noise vector w k is assumed to be white noise according to an n-variable normal distribution with an average of 0 and a covariance matrix Q i .
次に、北基準直交座標系におけるレーダの観測モデルは、式(5)及び式(6)によって表される。
ここで、zkはサンプリング時刻tkの観測ベクトル、Hは観測行列、Λkはレーダの観測座標系からフィルタの座標系への変換行列、νkはサンプリング時刻tkの観測雑音ベクトルである。 Here, z k is an observation vector at sampling time t k , H is an observation matrix, Λ k is a conversion matrix from the radar observation coordinate system to the filter coordinate system, and ν k is an observation noise vector at sampling time t k. .
式(1)〜(6)で示した運動モデル及び観測モデルより、以下に示す予測処理及び平滑処理のリカッチ方程式が導出される。サンプリング時刻tk-1までの追尾処理により、平滑ベクトルx^k-1(+)及び平滑誤差共分散行列Pk(+)が得られているとした場合、予測器42は、式(7)及び(8)に基づいて、予測ベクトルx^k(-)は、予測誤差共分散行列Pk(-)を算出する。
続いて、平滑器43は、サンプリング時刻tkに得られた観測値zkと予測ベクトル及び予測誤差共分散行列より、式(9)及び(10)に基づいて平滑ベクトルx^k(-)、平滑誤差共分散行列Pk(+)は、カルマンゲインKkを算出する。
(蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ)
蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5は、目標位置を、等速直線運動とその運動直線を軸とする正弦関数運動との和として求められる蛇行運動により表現する。図7はx−t平面における正弦関数運動モデルと等速直線運動モデル、さらには蛇行運動モデルとの関係を示す図である。符号101が示すのは正弦関数運動モデルによる目標位置の軌跡を示した曲線である。符号102は等速直線運動モデルによる目標位置の軌跡を示した直線である。そして符号103は正弦関数運動モデルと等速直線運動モデルとを合成して得た蛇行運動による軌跡を示した曲線である。このように正弦関数運動モデルと等速直線運動モデルとを合成して得た蛇行運動によって目標位置を表現することで、x軸に対する平均速度が0でない目標物の位置を精度よく表現しつつ、同時に等速直線運動では表現し得ない振動運動までも精度よく表現できるようになるのである。
(Kalman filter based on meandering motion model)
The
このような蛇行運動の連続時間における運動モデルは、式(12)〜(14)によって表現される。
図8は、式(12)〜(14)で表現される蛇行運動モデルをブロック線図として表現した図である。このブロック線図の上段は正弦関数運動モデル、下段が等速直線運動モデルを表している。蛇行関数運動モデルにおいて、蛇行を開始する時刻はランダムであり、白色ガウス雑音により表される。 FIG. 8 is a block diagram showing the meandering motion model expressed by the equations (12) to (14). The upper part of this block diagram represents a sine function motion model, and the lower part represents a constant velocity linear motion model. In the meandering function motion model, the time to start meandering is random and is represented by white Gaussian noise.
式(12)〜(14)による運動モデルを微分方程式として表現すると、式(15)及び(16)となる。
また、微分方程式(15)、(16)を状態空間において表現すると、式(17)〜(21)となる。
サンプリング周期をTとし、サンプリング時刻t=kT(k=0,1,2‥)におけるx(t)の値をxkとする。t0=kT、t=(k+1)Tとすることにより、北基準直交座標系における離散時間運動モデルは式(22)〜(24)で表される
次に、離散時間における目標の観測方程式は、式(25)及び(26)により表される。
Next, the target observation equation in discrete time is expressed by equations (25) and (26).
ここで、H1は観測行列を、Λkは観測雑音の座標変換行列、νkは観測雑音ベクトル、平均0、共分散Rkの白色ガウス雑音となる。サンプリング時刻tkにおける距離、仰角、方位のそれぞれの観測雑音をνR,k、νE,k、νBy,kとした場合、νkは式(27)により与えられる。
式(12)〜(17)で与えられる運動モデル及び観測モデルから、カルマンフィルタ5のモデル1〜モデルNにおける予測処理と平滑処理のリカッチ方程式が導出される。まず平滑器54−1〜54−Nは、サンプリングkにおける運動モデル毎の平滑ベクトルx^k,a(+)及び平滑誤差共分散行列Pk,a(+)を式(28)〜(30)によって算出する。
混合器52−1〜52−Nは、遅延器51−1〜51−Nを介して得られた平滑ベクトルx^k,a(+)及び平滑誤差共分散行列Pk,a(+)から、モデル間の遷移を考慮した混合平滑ベクトルx^mix k-1,a(+)及び混合平滑誤差共分散行列Pmix k,a(+)を式(31)及び(32)に基づいて算出する。
予測器53−1〜53−Nは、サンプリング時刻tk-1までの追尾処理によって得られた混合平滑ベクトルx^mix k-1,a(+)及び混合平滑誤差共分散行列Pmix k,a(+)に基づいて、サンプリングkにおけるモデル1〜モデルNの予測ベクトルx^k,a(-)及び予測誤差共分散行列Pk,a(-)を式(34)及び(35)から算出する。
尤度計算器56は、予測器53−1〜53−Nが算出した運動モデル毎の予測ベクトル、予測誤差共分散行列、追尾維持装置2から出力された観測値及び尤度計算器56が算出した観測誤差共分散行列より、式(36)に基づいてそれぞれのモデルの尤度を算出する。
さらに信頼度計算器57は、運動モデルの事後信頼度βk,aを式(37)より算出する。
ここでνk,aはフィルタ毎の尤度、β^k,a(-)は式(38)より得られる事前信頼度である。 Here, ν k, a is the likelihood for each filter, and β ^ k, a (−) is the prior reliability obtained from the equation (38).
統合平滑器55は、サンプリングkにおいて平滑器54−1〜54−Nが算出した平滑値x^k(+)及び平滑誤差共分散行列Pk(+)、信頼度計算器より得られる事後信頼度βk,aから、サンプリングkにおける統合平滑ベクトルx^k(+)及び統合平滑誤差共分散行列Pk(+)を式(39)及び(40)に基づいて算出する。
統合平滑ベクトルx^k(+)は、等速直線運動モデルと正弦関数運動モデルの統合平滑ベクトルより構成されるため、式(41)に示すように、両ベクトルを加算したx^int,k(+)が統合平滑器55によって算出される実際の目標の平滑位置及び平滑速度ベクトルとなる。
統合予測器58は、予測器53−1〜53−Nが算出した運動モデル毎の予測ベクトルx^k,a(-)及び予測誤差共分散行列Pk,a(-)、信頼度計算器57が算出した事前信頼度β^k,a (-)より、統合予測ベクトルx^k(-)及び統合予測誤差共分散行列Pk(-)を式(43)及び(44)に基づいて算出する。
多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6は、複数の定数加速度モデルに基づく予測値を算出し、各運動モデルの信頼度より加速度推定を行うとともに、統合平滑値を算出する。加速度推定を行うことで、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタと比べて、特に旋回等のマニューバ運動に対する追随性能が高いという特徴がある。カルマンフィルタ6における目標の運動モデルは、式(45)に基づいて算出される。
また、状態ベクトル及び状態遷移行列は式(46)及び(47)に基づいて設定される。
これらの運動モデル及び観測モデルより、カルマンフィルタ6のモデル1〜モデルNにおける予測処理と平滑処理のリカッチ方程式が導出される。まず予測器63−1〜63−Nは、サンプリング時刻tk-1までの追尾処理により算出される統合平滑ベクトルx^k-1(+)及び統合平滑誤差共分散行列Pk(+)から、式(49)及び(50)に基づいて運動モデル毎の予測ベクトルx^k,a(-)、運動モデル毎の予測誤差共分散行列Pk,a(-)を算出する。
次に尤度計算器64は、予測器63−1〜63−Nが算出したた予測ベクトルと予測誤差共分散行列、追尾維持装置2が出力した観測値から、式(51)によってそれぞれのモデルの尤度を算出する。
信頼度計算器65は、尤度計算器64が算出した各モデルの尤度に基づいて、運動モデルの事後信頼度を式(52)に基づいて算出する。
統合予測器66は、遅延器61を介して得られた1サンプル前の統合平滑値と統合平滑誤差共分散行列、信頼度計算器65が算出した事前信頼度を用いて、サンプリングkにおける統合予測ベクトルx^k(-)及び統合予測誤差共分散行列Pk(-)を式(54)〜(56)に基づいて算出する。
統合平滑器67は、統合予測器66が算出した統合予測ベクトルx^k(-)及び統合予測誤差共分散行列Pk(-)、追尾維持装置2が算出した観測値zk、そして信頼度計算器65が算出した事後信頼度βk,aから、式(57)〜(60)に基づいて平滑処理を行う。
(運動判定処理)
次に運動判別処理器3の動作について説明する。等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4が算出した予測値は、運動判別処理器3の残差2次形式算出器31−1に出力される。ここで、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4が算出した予測値としては、予測ベクトル及び予測誤差共分散行列などがある。また観測誤差共分散行列についても残差2次形式算出器31−1に出力される。
(Exercise judgment processing)
Next, the operation of the motion discrimination processor 3 will be described. The predicted value calculated by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is output to the residual quadratic form calculator 31-1 of the motion discrimination processor 3. Here, the prediction values calculated by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model include a prediction vector and a prediction error covariance matrix. The observation error covariance matrix is also output to the residual quadratic form calculator 31-1.
すると、残差2次形式算出器31−1は式(61)〜(63)に基づいて観測誤差共分散行列より残差2次形式δk,cvを算出する。
同様に、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の予測値及び予測誤差共分散行列、及び観測誤差共分散行列は、運動判別器3の残差2次形式算出器31−2に出力される。蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの残差2次形式δk,wvは、式(64)〜(66)に基づいて算出される。
蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタはある座標軸で動作するため、2次元あるいは3次元追尾を行う場合、座標軸毎に残差ベクトルεk,wvを算出し、それぞれの残差共分散を対角要素とする残差共分散行列を用いて式(66)より残差2次形式を算出する。 Since the Kalman filter based on the meandering motion model operates on a certain coordinate axis, when performing two-dimensional or three-dimensional tracking, the residual vector ε k, wv is calculated for each coordinate axis, and each residual covariance is used as a diagonal element. A residual quadratic form is calculated from Equation (66) using the residual covariance matrix.
算出された等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ及び蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタよりの残差2次形式は、それぞれの判定評価関数算出器32−1及び32−2に出力され、一定サンプル数Δにおける残差2次形式の平均値である判定評価関数μcv k及びμwv kが式(67)及び(68)によって算出される。
運動判定器33は、式(67)及び(68)から算出された判定評価関数を取得して、しきい値判定を行う。具体的には図9に示すように、それぞれ大きさの異なる2つのしきい値を設定して、判定評価関数がしきい値を超えるか否かの判定を行う。ここで、しきい値h1としてh2よりも大きい値を設定し、またしきい値h3としてh4よりも大きい値を設定する。これは、式(67)及び(68)から算出された判定評価関数がしきい値付近で変動するために、頻繁に切り替えが繰り返されるのを防ぐためである。 The motion determiner 33 acquires the determination evaluation function calculated from the expressions (67) and (68), and performs threshold determination. Specifically, as shown in FIG. 9, two threshold values having different sizes are set, and it is determined whether or not the determination evaluation function exceeds the threshold value. Here, a value larger than h 2 is set as the threshold value h 1 , and a value larger than h 4 is set as the threshold value h 3 . This is to prevent frequent switching because the judgment evaluation function calculated from the equations (67) and (68) fluctuates in the vicinity of the threshold value.
また図10に示すように、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の判定評価関数は、等速直線運動目標に対しては小さく、蛇行や旋回目標等のマニューバ運動に対しては大きい特性がある。一方、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5は、等速直線運動及び蛇行運動に対しては小さく、それ以外の旋回等の運動に対しては増大する特性がある。
As shown in FIG. 10, the evaluation function of the Kalman filter 4 based on the constant-velocity linear motion model is small for constant-velocity linear motion targets and has large characteristics for maneuver motions such as meandering and turning targets. . On the other hand, the
このように、「蛇行運動モデルを用いたカルマンフィルタ」の残差2次形式が、等速及び蛇行運動に対しては小さく、蛇行以外のマニューバ運動に対しては大きいという性質に着目し、「等速直線運動モデルを用いたカルマンフィルタ」の残差2次形式の結果と組み合わせることによって、「等速」「蛇行」「蛇行以外のマニューバ運動」の判定を可能としているのである。 Thus, paying attention to the property that the residual quadratic form of the “Kalman filter using a meandering motion model” is small for constant speed and meandering motion and large for maneuver motions other than meandering, By combining with the result of the residual quadratic form of “Kalman filter using a fast linear motion model”, it is possible to determine “constant velocity”, “meandering”, and “maneuver motion other than meandering”.
図11は、運動判別の状態遷移図である。このようにして、図10の各フィルタの目標運動に対する判定評価関数の特性を利用し、目標の運動状態を、「等速直線運動」、「蛇行運動」、「蛇行運動以外のマニューバ運動」に判別する。判別結果は、フィルタ出力選択器8へ出力する。 FIG. 11 is a state transition diagram for motion discrimination. In this way, using the characteristics of the evaluation function for the target motion of each filter of FIG. 10, the target motion state is changed to “constant linear motion”, “meander motion”, “maneuver motion other than meander motion”. Determine. The discrimination result is output to the filter output selector 8.
このように運動判別処理器3は、各運動モデルの残差2次形式を算出するとともに、これらの各残差2次形式から運動モデルごとの判定評価関数値を求め、これらの運動モデルの判定評価関数と所定のしきい値とを比較して、前記目標の運動状態を判別することとしたので、各サンプルの値を蓄積して逐次処理により平均を算出する処理と等価となり、値が平均化されて、誤判定を抑制することができる。 As described above, the motion discrimination processor 3 calculates the residual quadratic form of each motion model, obtains a determination evaluation function value for each motion model from each of the residual quadratic forms, and determines these motion models. Since the evaluation function and a predetermined threshold value are compared to determine the target motion state, it is equivalent to the process of accumulating the values of each sample and calculating the average by sequential processing. Thus, erroneous determination can be suppressed.
(収束判定処理)
次に、収束判定器7の動作について説明する。収束判定器7は、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ4が出力する平滑速度ベクトルに対する収束判定を行う。カルマンフィルタ4は、等速直線運動モデルと正弦関数運動モデルから導出される蛇行運動に基づいて処理を行うが、追尾開始直後は観測雑音が大きい場合、両モデルを合わせた統合平滑値に係る平滑誤差は小さくても、モデル毎の平滑値は安定せず、目標運動を等速成分と正弦関数成分が分離されるのに時間を要する。このような場合、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは安定しないため、このような平滑値に基づいて未来位置予測を行うと未来予測位置が大きく変動して誤差が大きくなってしまう。
(Convergence judgment processing)
Next, the operation of the convergence determination unit 7 will be described. The convergence determination unit 7 performs convergence determination on the smooth velocity vector output from the Kalman filter 4 based on the meandering motion model. The Kalman filter 4 performs processing based on the meandering motion derived from the constant velocity linear motion model and the sinusoidal motion model. If the observation noise is large immediately after the start of tracking, the smoothing error related to the integrated smooth value combining both models is performed. Even if is small, the smooth value for each model is not stable, and it takes time to separate the constant velocity component and the sine function component of the target motion. In such a case, the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model is not stable. Therefore, if the future position prediction is performed based on such a smooth value, the future prediction position largely fluctuates and the error becomes large.
そこで、収束判定器7では、等速直線運動モデルについて、サンプリング時刻kと時刻k−1において算出される2つの平滑速度ベクトルがなす角度(平滑速度ベクトルの方向成分の時間変位)の評価関数を算出し、しきい値と比較することにより、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルについての収束判定を行う。 Therefore, the convergence determination unit 7 calculates an evaluation function of an angle (time displacement of the direction component of the smoothing velocity vector) formed by the two smoothing velocity vectors calculated at the sampling time k and the time k−1 for the constant velocity linear motion model. By calculating and comparing with a threshold value, a convergence determination is performed on the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model.
速度ベクトル角度算出器71は、図12に示すようにサンプリング時刻kにおける等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルとサンプリング時刻k−1における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルとのなす角を算出する。サンプリング時刻kにおける等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルをν^kとし、サンプリング時刻k−1における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルをν^k-1とすれば、平滑速度ベクトルν^kとν^k-1がなす角度角度θk[°]は式(70)から算出される。
続いて、角度評価関数算出器72は、角度θkを平均化して式(71)から角度評価関数μk θを算出し、しきい値判定器73へ出力する。
図13に、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにより蛇行目標を追尾した場合の、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトル収束判定評価関数についてのシミュレーション結果の一例を示す。横軸は時間、縦軸は収束判定評価関数を表す。追尾開始直後における評価関数は100°以上あり、平滑速度ベクトルのふらつきが著しい。しかし、時間経過とともに急速に減少し、未来位置予測に使用可能な程度に平滑速度ベクトルが安定する。 FIG. 13 shows an example of a simulation result of the smooth velocity vector convergence determination evaluation function of the constant velocity linear motion model when the meandering target is tracked by the Kalman filter based on the meandering motion model. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the convergence evaluation function. The evaluation function immediately after the start of tracking is 100 ° or more, and the smoothing speed vector fluctuates significantly. However, it decreases rapidly with the passage of time, and the smooth velocity vector becomes stable to the extent that it can be used for future position prediction.
そこでしきい値判定器73は、角度評価関数μθ kがしきい値h5を下回る場合、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していると判定する。その後にしきい値h6を超える場合には、再び等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していないと判定する。なお、しきい値h5にはしきい値h6よりも小さい値が設定される。これは、上述の評価値がしきい値付近で変動する場合に、頻繁に異なる判定が繰り返されるのを防ぐためである。
Therefore, the threshold
このように収束判定器7を設けて、蛇行運動モデルの安定度合いを判断することとしたので、カルマンフィルタ5の平滑値が不安定な状態でこの平滑値に基づく未来位置予測を行うことを回避し、結果として安定した未来位置予測を行うことができるのである。また蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向の時間変位に基づいて蛇行運動の安定度合いを判断することとしたので、カルマンフィルタ5の平滑値の収束状況を数値化することができ、客観的かつ正確な判断が可能となったのである。
Since the convergence determination unit 7 is thus provided to determine the degree of stability of the meandering motion model, it is possible to avoid performing future position prediction based on the smooth value when the smooth value of the
なお、上述した処理の例では、蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向の、前回サンプルと今回サンプルとの間の変化(時間変位)に基づいて処理を行うこととした。しかしながら、サンプリングの間隔は前回サンプルと今回サンプルのように隣接するサンプルに限るものではないことはいうまでもない。 In the above-described processing example, the processing is performed based on the change (time displacement) between the previous sample and the current sample in the direction of the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion component constituting the meandering motion model. did. However, it goes without saying that the sampling interval is not limited to adjacent samples such as the previous sample and the current sample.
(フィルタ出力選択処理)
フィルタ出力選択器8は、運動判別処理器3が出力した運動判別結果と、収束判定器7が出力した収束状況に関する判定結果をもとに、カルマンフィルタ4〜6が出力した平滑値のうちいずれか一つを選択し、未来位置予測器9へ出力する。フィルタ出力選択器8がどのカルマンフィルタの値を選択するかについては図14に示している。図が示すように、運動判別処理器3の判定結果が等速運動である場合には、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4による平滑値を選択する。また運動判別処理器3の判定結果が蛇行運動である場合には、収束判定器7の判定結果を参照して、それが未収束である場合には、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4による平滑値を選択する。また収束である場合には、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑値を選択する。運動判別処理器3の判定結果が蛇行以外のマニューバである場合には、多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6による平滑値を選択する。
(Filter output selection processing)
The filter output selector 8 is one of the smooth values output by the Kalman filters 4 to 6 based on the motion determination result output by the motion determination processor 3 and the determination result regarding the convergence state output by the convergence determiner 7. One is selected and output to the future position predictor 9. FIG. 14 shows which Kalman filter value the filter output selector 8 selects. As shown in the figure, when the determination result of the motion discrimination processor 3 is constant velocity motion, a smooth value by the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is selected. When the determination result of the motion discrimination processor 3 is a meandering motion, the determination result of the convergence determiner 7 is referred to, and when it is not converged, the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is used. Select a smooth value. In the case of convergence, the smooth value of the
このように、追尾開始後一度も蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑速度ベクトルが収束判定されない場合、運動判別処理器3により蛇行目標と判定されても蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑値は選択されず、替わって等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の平滑値が未来位置予測器9に出力されるのである。
As described above, when the smoothing velocity vector of the
(未来位置予測)
未来位置予測器9は、フィルタ出力選択器より得られた平滑位置及び平滑速度ベクトルより、Nサンプリング後の未来位置を式(72)及び(73)より算出する。
The future position predictor 9 calculates the future position after N sampling from the equations (72) and (73) from the smooth position and smooth velocity vector obtained from the filter output selector.
以上から明らかなように、この発明の実施の形態1における目標追尾装置によれば、目標の運動判別及び蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにおける等速直線運動モデルの平滑速度ベクトル収束判定により、未来位置予測を行う上で最も有利な追尾フィルタの出力を選択し、サンプリング時刻kにおける平滑値に基づきNサンプル後の未来位置を予測することが可能となる。 As is apparent from the above, according to the target tracking device in the first embodiment of the present invention, the future position prediction is performed by determining the target motion and determining the smooth velocity vector convergence of the constant velocity linear motion model in the Kalman filter based on the meandering motion model. It is possible to select the output of the tracking filter that is most advantageous for performing the prediction, and to predict the future position after N samples based on the smooth value at the sampling time k.
なお、この発明の実施の形態1による目標追尾装置の特徴の一部である運動判別処理器3及び収束判定器7は多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6がない場合であっても、その効果を発揮することは明らかである。
Note that the motion discriminating processor 3 and the convergence discriminator 7 which are a part of the features of the target tracking device according to
実施の形態2.
実施の形態1による目標追尾装置において、収束判定器7は、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの収束判定を行っている。等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは、追尾開始後において収束するのに時間を要するため、フィルタ選択器8は未収束の蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの出力を選択せず、運動判別処理器3により「蛇行運動」と判定された場合であっても、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4を選択している。一方、目標の旋回等のマニューバにより、蛇行運動モデルの等速直線運動成分の方向が大きく変化する場合がありうる。この場合において、角度評価関数は一旦収束していながら、再度増大することになる。このような状態においては、運動判別処理器3により「蛇行運動」と判定されていても、平滑速度ベクトルが収束していない。したがって、フィルタ出力選択器8が蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の出力を選択したところで、良好な未来位置予測精度は得られないことになる。
In the target tracking device according to the first embodiment, the convergence determination unit 7 determines the convergence of the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion component in the
そこで、このような問題を回避するために、図15に示すように角度評価関数が収束後に急増した場合には、収束判定器7により、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動成分の平滑速度ベクトルは再度未収束の状態になったと判定するようにしてもよい。この発明の実施の形態2による目標追尾装置はこのような特徴を有するものである。図16はこの発明の実施の形態2による目標追尾装置における収束判定器7の構成を示すブロック図である。図において、しきい値設定器75は新たなしきい値を設定する部位である。その他、図6と同一の符号を付した構成要素については実施の形態1と同様であるので説明を省略する。しきい値設定器75の作用によって、しきい値判定器73は、再度しきい値を下回るまでは、等速直線運動モデルにおける平滑速度ベクトルの収束判定を行わないようになる。
Therefore, in order to avoid such a problem, when the angle evaluation function increases rapidly after convergence as shown in FIG. 15, the convergence determination unit 7 causes the constant-velocity linear motion component in the
ここで、しきい値判定器73は、角度評価関数による未収束判定を、例えば式(74)に示す不等式が満たされた場合に行うようにする。
しきい値判定器73により未収束判定が行われた場合、しきい値設定器75は新たなしきい値を式(75)及び(76)に示すようにしきい値判定器73に対して再設定する。
しきい値判定器73は、角度評価関数μθ kがしきい値h'5を下回る場合、等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルが収束していると判定する。その後にしきい値h'6を超える場合には、再び等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していないと判定する。また再度の未収束判定は旋回等のマニューバ運動により生じるものであるので、運動判別処理器3により「蛇行運動」と判定されている場合であっても、フィルタ出力選択器8は多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ6を選択する。図17は、フィルタ出力選択器8が運動判別処理器3及び収束判定器7の判定結果に基づいてどのカルマンフィルタの平滑値を選択するかを示した図である。この図の構成については図14と同様である。
The
このように、運動判別処理器3により「蛇行運動」と判定され、かつ平滑速度ベクトルがまだ収束していない段階にあって、目標の旋回等のマニューバにより角度評価関数が収束した後に再度増大する場合であっても、収束判定器7におけるしきい値を適切に設定して収束判定を工夫することにより、目標の運動に適した運動モデルを選択することができるので、未来位置予測の精度を向上させることができるのである。 As described above, the motion discriminating processor 3 determines “meandering motion” and the smooth velocity vector has not yet converged, and the angle evaluation function increases again after convergence by the maneuver such as target turning. Even in this case, it is possible to select a motion model suitable for the target motion by appropriately setting the threshold value in the convergence determiner 7 and devising the convergence determination. It can be improved.
実施の形態3.
また収束判定器7における収束判定処理に、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5が算出した平滑値に加えて、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4が算出した平滑値を考慮するようにしてもよい。この発明の実施の形態3による目標追尾装置はこのような特徴を有するものである。図18はこの発明の実施の形態3による目標追尾装置の構成を示すブロック図である。図18が図1と異なる点は、図18では等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の処理結果が収束判定器7にも出力される点であり、その他については同様である。
Embodiment 3 FIG.
In addition, in the convergence determination process in the convergence determination unit 7, in addition to the smooth value calculated by the
図19は、この発明の実施の形態3における目標追尾装置の収束判定器7の詳細な構成を示したブロック図である。図において速度ベクトル角度算出器71−1及び71−2は図6における速度ベクトル角度算出器71に相当するものであって、それぞれ等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタの平滑値と蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの平滑値とを取得して処理を行うようになっている。角度評価関数算出器72−1及び72−2は、図6における角度評価関数算出器72に相当するものであって、それぞれ等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタと蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタに対して処理を行う。その他図6と同一の符号を付した構成要素については実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
FIG. 19 is a block diagram showing a detailed configuration of convergence determination unit 7 of the target tracking device according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, velocity vector angle calculators 71-1 and 71-2 correspond to the velocity
次にこの発明の実施の形態3における目標追尾装置の収束判定器7の動作について説明する。速度ベクトル角度算出器71−1は等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の平滑速度ベクトルを取得する。また速度ベクトル角度算出器71−2は蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動成分の平滑速度ベクトルを取得する。そして蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向成分の時間変位を評価することに加えて、平滑速度ベクトルの方向成分と等速直線運動モデルの方向成分との比較を行う。
Next, the operation of the convergence determination unit 7 of the target tracking device according to Embodiment 3 of the present invention will be described. The velocity vector angle calculator 71-1 acquires the smooth velocity vector of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model. The velocity vector angle calculator 71-2 obtains a smooth velocity vector of the constant velocity linear motion component in the
具体的にいえば、角度評価関数算出器72−1及び72−2は、実施の形態1と同様に式(71)に示す平滑速度ベクトルについての角度評価関数μθ k,cv及びμθ k,wvをそれぞれ算出する。そして、しきい値判定器73は、蛇行運動モデルによる平滑値が収束していると判定する場合において、平滑速度ベクトルの方向成分と等速直線運動モデルの方向成分とをさらに比較することにより、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの収束判定を相対的に行う。
Specifically, the angle evaluation function calculators 72-1 and 72-2 are angle evaluation functions μ θ k, cv and μ θ k for the smooth velocity vector shown in the equation (71) as in the first embodiment. , wv are calculated respectively. Then, when determining that the smooth value by the meandering motion model has converged, the
そしてフィルタ出力選択器8は、図14に基づいて、運動判別処理器3により「蛇行運動」が判定されても追尾開始後一度も蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタの角度評価関数が、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタの角度評価関数を下回らない場合、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の出力を選択するのである。 Then, the filter output selector 8 uses the Kalman filter angle evaluation function based on the meandering motion model even if the “meandering motion” is judged by the motion discrimination processor 3 based on FIG. If the angle evaluation function of the Kalman filter based on the model does not fall below, the output of the Kalman filter 4 based on the constant velocity linear motion model is selected.
このよう、この発明の実施の形態3によれば、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタの角度評価関数をも収束判定に用いるようにした。これによって、蛇行運動の基準直線(等速直線運動成分の傾きと切片によって表される直線)が変動してしまい平滑値が十分に安定していないにもかかわらず、平滑速度ベクトルの方向成分の時間変位が小さいために、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5の平滑値単独では収束したと判定される場合であっても、平滑値が未収束であると判断できる。したがって、不安定な平滑値に基づいて未来位置予測をすることを回避し、より精度の高い未来位置予測が可能となるのである。
As described above, according to the third embodiment of the present invention, the angle evaluation function of the Kalman filter based on the constant velocity linear motion model is also used for the convergence determination. As a result, the reference line of the meandering motion (straight line represented by the slope and intercept of the constant velocity linear motion component) fluctuates and the smooth value is not sufficiently stable. Since the time displacement is small, even if it is determined that the smooth value alone of the
実施の形態4.
なお、収束判定器7の内部でNサンプル先までの未来位置予測を行い、Nサンプル先の未来位置予測値とN−1サンプル先の未来位置予測値との距離を算出して、この距離に基づいて収束判定をするようにしてもよい。この発明の実施の形態4による目標追尾装置はこのような特徴を有するものである。
Embodiment 4 FIG.
In addition, the future position prediction up to N samples ahead is performed inside the convergence determination unit 7, the distance between the future position prediction value of N samples ahead and the future position prediction value of N−1 samples ahead is calculated, and this distance is calculated. A convergence determination may be made based on this. The target tracking device according to Embodiment 4 of the present invention has such features.
図20は、この発明の実施の形態4による目標追尾装置の収束判定器7の詳細な構成を示すブロック図である。図に示すように、この発明の実施の形態4による目標追尾装置の収束判定器7は未来位置予測器75、未来位置予測値間距離算出器76、未来位置予測値メモリ77、未来予測値間距離判定器78から構成されている。
FIG. 20 is a block diagram showing a detailed configuration of convergence determination unit 7 of the target tracking device according to Embodiment 4 of the present invention. As shown in the figure, the convergence determination unit 7 of the target tracking device according to the fourth embodiment of the present invention includes a
以下にこれらの各構成要素の作用について説明する。未来位置予測器75は、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにおける等速直線運動成分の平滑値を取得し、Nサンプル後の未来予測値を事前に算出する。ここで算出された未来予測値は未来位置予測値間距離算出器76に出力される。未来位置予測値間距離算出器76は未来位置予測器75から取得したNサンプル先の未来予測値を未来位置予測値メモリ77に蓄積するとともに、N−1サンプル先の未来位置予測値を未来位置予測値メモリ77から取得して、Nサンプル先とN−1サンプル先における未来位置予測値間のユークリッド距離を算出する。
The operation of each of these components will be described below. The
続いて未来位置予測値間距離判定器78は、未来位置予測値間のユークリッド距離をしきい値と比較する。そしてこの距離がしきい値を超える場合には、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタにおける等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していないと判定する。この結果、フィルタ出力選択器8は、図14に示したように各判定結果に基づいてどのカルマンフィルタを選択するか決定する。
Subsequently, the future position predicted value
このように、この発明の実施の形態4による目標追尾装置によれば、運動判別処理器3により蛇行運動と判定されても、追尾開始後、一度もユークリッド距離がしきい値を下回らない場合、蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ5における等速直線運動モデルの平滑速度ベクトルは収束していないと判定し、フィルタ出力選択器8は、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ4の出力を選択するようになる。
Thus, according to the target tracking device according to Embodiment 4 of the present invention, even if the Euclidean distance has never fallen below the threshold even after the tracking start, even if it is determined as the meandering motion by the motion discrimination processor 3, It is determined that the smooth velocity vector of the constant velocity linear motion model in the
なお、上述の処理において、距離を算出するのに用いる未来位置予測値として、Nサンプル先とN−1サンプル先、のように隣接するサンプルにおける未来位置を用いることとしたが、これらは原理的に異なるサンプル時点であればよいのであり、隣接する場合に限定されるものではない。 In the above-described processing, the future position in the adjacent sample such as N sample destination and N-1 sample destination is used as the future position prediction value used for calculating the distance. However, the present invention is not limited to the case where the sample points are adjacent to each other.
この発明は、特に多様な運動を行う目標に対して各種の運動モデルを準備して目標追尾を行う目標追尾システムの処理精度を改善する上で有用である。 The present invention is particularly useful for improving the processing accuracy of a target tracking system that prepares various motion models for targets that perform various motions and performs target tracking.
4 等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタ、
5 蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタ、
6 多重運動モデルに基づくカルマンフィルタ、
7 収束判定器、
8 フィルタ出力選択器。
4 Kalman filter based on constant velocity linear motion model,
5 Kalman filter based on the meandering motion model,
6 Kalman filter based on multiple motion model,
7 Convergence determiner,
8 Filter output selector.
Claims (7)
等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記観測値から第1の平滑値と第1の予測値とを算出する等速直線運動カルマンフィルタ処理手段と、
蛇行運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いて前記観測値から第2の平滑値と第2の予測値とを算出する蛇行運動カルマンフィルタ処理手段と、
第1及び第2の予測値に基づいて前記目標の運動状態を判別する運動判別処理手段と、
第2の平滑値の収束状況を判定する収束判定手段と、
前記運動判別処理手段が判別した前記目標の運動状態と前記収束判定手段が判定した収束状況とに基づいて、第1の平滑値と第2の平滑値とのいずれかを前記適切な平滑値として選択するフィルタ出力選択手段と、
を備えたことを特徴とする目標追尾装置。 In a target tracking device that calculates a plurality of smooth values from observed values of a target using a plurality of Kalman filters based on different motion models and predicts a future position of the target by selecting an appropriate smooth value from these smooth values ,
Constant velocity linear motion Kalman filter processing means for calculating a first smoothed value and a first predicted value from the observed value using a Kalman filter based on a constant velocity linear motion model;
Meandering Kalman filter processing means for calculating a second smoothed value and a second predicted value from the observed values using a Kalman filter based on a meandering motion model;
Motion discrimination processing means for discriminating the motion state of the target based on the first and second predicted values;
A convergence determining means for determining a convergence state of the second smooth value;
Based on the target motion state determined by the motion determination processing means and the convergence status determined by the convergence determination means, either the first smooth value or the second smooth value is set as the appropriate smooth value. Filter output selection means to select;
A target tracking device comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の目標追尾装置。 The motion discrimination processing means calculates a residual quadratic form from the first and second predicted values, calculates a determination evaluation function value of each motion model from each of the residual quadratic forms, and Comparing the evaluation function of the movement model of the movement model and a predetermined threshold value to determine the movement state of the target.
The target tracking device according to claim 1.
前記収束判定手段は、前記蛇行運動モデルを構成する等速直線運動成分の平滑速度ベクトルの方向の所定サンプル間における時間変位に基づいて前記第2の平滑値の収束状況を判定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の目標追尾装置。 The meandering Kalman filter processing means calculates the smooth value and the predicted value using a Kalman filter based on a meandering motion model including a sinusoidal motion component and a constant velocity linear motion component,
The convergence determination means determines a convergence state of the second smooth value based on a time displacement between predetermined samples in a direction of a smooth velocity vector of a constant velocity linear motion component constituting the meandering motion model;
The target tracking device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項3に記載の目標追尾装置。 In the case where it is determined that the second smooth value has converged, the convergence determination means further acquires the first smooth value to configure the direction of the constant velocity linear motion model and the meandering motion model, etc. Performing a comparison with the direction of the smooth velocity vector of the fast linear motion component to determine a convergence state of the second smooth value;
The target tracking device according to claim 3.
ことを特徴とする請求項1に記載の目標追尾装置。 The convergence determination means predicts a first future position and a second future position at different sample times from the second smooth value, and calculates a distance between the first future position and the second future position. Calculating and determining a convergence state of the second smooth value based on the distance;
The target tracking device according to claim 1.
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の目標追尾装置。 A multi-motion Kalman filter processing means for calculating a smoothed value and a predicted value from the observed value using a Kalman filter based on a multi-motion model assuming a motion having a plurality of constant accelerations;
The target tracking device according to claim 1, further comprising:
前記フィルタ出力選択手段は、前記第2の平滑値が収束したと判定された後、前記平滑速度ベクトルの変化の結果として前記第2の平滑値が未収束であると判定された場合に、前記多重運動カルマンフィルタの平滑値を前記最適な平滑値として選択する、
ことを特徴とする請求項6に記載の目標追尾装置。 The convergence determining means determines that the second smoothing value has converged and then the first smoothing motion vector is changed when the direction of the smoothing velocity vector of the constant velocity linear motion component constituting the meandering motion model changes beyond a predetermined value. It is determined that the smooth value of 2 has not converged,
When it is determined that the second smooth value has not converged as a result of a change in the smoothing speed vector after the filter output selection unit determines that the second smooth value has converged, Selecting a smooth value of a multi-motion Kalman filter as the optimal smooth value;
The target tracking device according to claim 6.
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