JP2009085610A - Method and device for analyzing motion of target object - Google Patents

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Yoshimichi Kawasaki
良道 川崎
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Oki Electric Ind Co Ltd
沖電気工業株式会社
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To acquire an excellent analysis result relative to a state quantity of a target object regardless of the shape of a wave receiving sensor array. <P>SOLUTION: A signal radiated from the target object is received by the wave receiving sensor array, and at least an azimuth observation value to the target object is acquired based on the wave reception signal from the wave receiving sensor array, and then a state quantity (a position or speed or the like) of the target object is estimated. A distribution symmetrization function specified corresponding to the shape of the wave receiving sensor array is applied, and the azimuth observation value is converted so that an error distribution of the azimuth observation value is symmetrized. A conversion value of the azimuth observation value acquired by applying the distribution symmetrization function to a term related to the azimuth observation value in a cost function for evaluating a difference between an observation value including the azimuth observation value and its true value, and a value regarded to be acquired by applying the distribution symmetrization function to the true value is used as a term related to the true value of the azimuth observation value. The state quantity of the target object for minimizing the cost function is searched for, to thereby estimate the state quantity of the target object. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は目標体運動解析方法及び装置に関し、例えば、目標体から発信された音響信号を、水中航走体又は海上航走体などでなる観測体に取り付けた音響センサアレイで受信し、まず、初期の観測情報として方位を得た後、目標体の位置や速度などの状態を推定する場合に適用し得るものである。   The present invention relates to a target body motion analysis method and apparatus, for example, an acoustic signal transmitted from a target body is received by an acoustic sensor array attached to an observation body such as an underwater vehicle or a marine vehicle, This method can be applied to the case of estimating the state such as the position and speed of the target object after obtaining the azimuth as the initial observation information.
初期の観測情報として方位を得た後に目標体位置や速度などの状態を推定する、従来の目標体運動解析方式(非特許文献1参照)の概要を、図2を用いて説明する。なお、初期の観測情報として方位を得る方法としては、既存の方法を適用することができる。   An outline of a conventional target body motion analysis method (see Non-Patent Document 1) that estimates a state such as a target body position and speed after obtaining an orientation as initial observation information will be described with reference to FIG. An existing method can be applied as a method for obtaining the orientation as the initial observation information.
目標体は、等速直線運動をしていると仮定する。この仮定下で、観測体も等速直線運動しているとすると、等時間間隔で観測した方位線に等間隔に区切られる直線が目標体軌跡の候補である。観測体が1つの等速直線運動(1レグ)のみを行っている場合には、候補となる目標体の軌跡は無限にある。例えば、図2における第1レグに関して言えば、目標体の真の軌跡TR0だけでなく、虚の軌跡TR11やTR12も候補となり、図2における第2レグに関して言えば、目標体の真の軌跡TR0だけでなく、虚の軌跡TR21も候補となる。そこで、この不確定性を解消するため、観測体は針路を変更し、2つの等速直線運動(第1レグ及び第2レグ)を行う。第1レグ及び第2レグともに候補となる共通の軌跡は、目標体の真の軌跡TR0だけであり、2つの等速直線運動による候補から、目標体の真の軌跡TR0を一義的に定めることができ、その結果、目標体の運動状態(目標体の位置や速度等)を求めることができる。   It is assumed that the target body has a constant velocity linear motion. Under this assumption, if the observation body is also moving at a constant linear velocity, a straight line that is divided at equal intervals by azimuth lines observed at equal time intervals is a candidate for the target body locus. When the observing body is performing only one uniform linear motion (1 leg), the trajectory of the candidate target body is infinite. For example, regarding the first leg in FIG. 2, not only the true trajectory TR0 of the target body but also the imaginary trajectories TR11 and TR12 are candidates, and regarding the second leg in FIG. 2, the true trajectory TR0 of the target body. In addition, the imaginary locus TR21 is also a candidate. Therefore, in order to eliminate this uncertainty, the observation body changes its course and performs two constant-velocity linear motions (first leg and second leg). The common trajectory that is a candidate for both the first leg and the second leg is only the true trajectory TR0 of the target body, and the true trajectory TR0 of the target body is uniquely determined from the candidates based on two constant velocity linear motions. As a result, the motion state of the target body (position, speed, etc. of the target body) can be obtained.
実際の観測環境では、音響センサアレイからの出力信号から得た観測方位は誤差を持っており、誤差を抑えるため、観測を積み重ねて目標体の運動状態の推定を行う(非特許文献1参照)。この推定では、観測方位は、真の方位に対して、ガウス分布に従っている雑音(ガウス雑音)を有すると仮定している。
V.J.Aidala & S.E.Hammel,"Utilization of Modified Polar Coordinates for Bearings−Only Tracking",IEEE TRANSACTION ON AUTOMATIC CONTROL,VOL.AC−28,NO.3,MARCH 1983
In the actual observation environment, the observation direction obtained from the output signal from the acoustic sensor array has an error, and in order to suppress the error, the movement state of the target body is estimated by accumulating observations (see Non-Patent Document 1). . In this estimation, it is assumed that the observed direction has noise (Gaussian noise) following a Gaussian distribution with respect to the true direction.
V. J. et al. Aidala & S. E. Hammel, "Utilization of Modified Polar Coordinates for Bearings—Only Tracking", IEEE TRANSACTION ON AUTOMATIC CONTROL, VOL. AC-28, NO. 3, MARCH 1983
従来の目標体運動解析方法及び装置では、方位観測値が有する雑音がガウス雑音であることを仮定している。この場合、各観測値は、真値に対し、真値を中心にした左右対称の、分散(標準偏差)で規定される広がりを有する分布に従った誤差を持っていることになる。   In the conventional target motion analysis method and apparatus, it is assumed that the noise of the azimuth observation value is Gaussian noise. In this case, each observed value has an error in accordance with a distribution having a spread defined by the variance (standard deviation) with respect to the true value and symmetrical with respect to the true value.
しかしながら、上述した雑音に関する仮定は限られた場合しか成立しない。音響センサアレイ(受波センサアレイ)が図3(A)に示すような円筒状のアレイの場合には、音響を早く捕捉するセンサと音響を遅く捕捉するセンサとが左右共に存在するので、上述した雑音に関する仮定が成立すると捉えても良い。一方、音響センサアレイ(受波センサアレイ)が図3(B)に示すような直線状のアレイの場合、音響を早く捕捉するセンサが左右の片方に集中し、音響を遅く捕捉するセンサが左右の他方に存在するので、左右で誤差の現れ方が異なり、上述した雑音に関する仮定は成立しない。音響センサアレイ(受波センサアレイ)が任意形状のアレイの場合も、上述した雑音に関する仮定が成立しないことの方が格段的に多い。誤差の分布が左右対称にはならい場合には、目標体の状態値に対する解析結果にも、雑音分布の仮定不成立による誤差が含まれてしまう。   However, the assumptions regarding noise described above hold only in limited cases. In the case where the acoustic sensor array (received sensor array) is a cylindrical array as shown in FIG. 3A, there are both a sensor that captures sound early and a sensor that captures sound late. It may be considered that the assumption regarding noise is satisfied. On the other hand, when the acoustic sensor array (received sensor array) is a linear array as shown in FIG. 3B, the sensors that capture the sound early are concentrated on one of the left and right, and the sensors that capture the sound slowly are the left and right. Therefore, the error appears differently on the left and right, and the above assumption regarding noise is not established. Even when the acoustic sensor array (received sensor array) is an arbitrarily shaped array, it is much more likely that the above assumption regarding noise is not satisfied. If the error distribution is not symmetrical, the analysis result for the state value of the target body also includes an error due to the failure to assume the noise distribution.
そのため、受波センサアレイの形状によらずに、目標体の状態値に対する良好な解析結果が得られる目標体運動解析方法及び装置が望まれている。   Therefore, there is a demand for a target body motion analysis method and apparatus that can obtain a good analysis result for the state value of the target body regardless of the shape of the receiving sensor array.
第1の本発明は、目標体から放射される信号を、観測体に取り付けた受波センサアレイで受信し、この受波センサアレイからの受波信号に基づいて、少なくとも上記目標体への方位の観測値を得た後、上記目標体の位置や速度などに関する状態量を推定する目標体運動解析方法において、(1)上記受波センサアレイの形状に応じて規定される分布対称化関数を適用し、上記方位観測値の誤差の分布を左右対称にするように上記方位観測値を変換し、(2)上記方位観測値を含めた観測値とその真の値との相違を評価するためのコスト関数における、上記方位観測値に関係する項に、上記分布対称化関数を適用した上記方位観測値の変換値を適用すると共に、上記方位観測値の真の値に関係する項として、真の値に上記分布対称化関数を適用したとみなしたものを用い、(3)上記コスト関数を最小化する、上記目標体の状態量を探索することにより上記目標体の状態量を推定することを特徴とする。   In the first aspect of the present invention, a signal radiated from a target body is received by a reception sensor array attached to the observation body, and based on the reception signal from the reception sensor array, at least the direction to the target body In the target body motion analysis method for estimating a state quantity related to the position and velocity of the target body after obtaining the observed value, (1) a distribution symmetrization function defined according to the shape of the receiving sensor array Applied to transform the azimuth observation value so that the error distribution of the azimuth observation value is symmetric, and (2) to evaluate the difference between the observation value including the azimuth observation value and its true value. As a term related to the true value of the azimuth observation value, a conversion value of the azimuth observation value to which the distribution symmetrization function is applied is applied to a term related to the azimuth observation value. Apply the above distribution symmetrization function to the value of Was the used ones regarded, (3) minimizing the cost function, and estimates a state quantity of the target body by searching the state quantity of the target body.
第2の本発明は、目標体から放射される信号を、観測体に取り付けた受波センサアレイで受信し、この受波センサアレイからの受波信号に基づいて、少なくとも上記目標体への方位の観測値を得た後、上記目標体の位置や速度などに関する状態量を推定する目標体運動解析装置において、(1)上記受波センサアレイの形状に応じて規定される分布対称化関数を適用し、上記方位観測値の誤差の分布を左右対称にするように上記方位観測値を変換する誤差分布変換手段と、(2)上記方位観測値を含めた観測値とその真の値との相違を評価するためのコスト関数における、上記方位観測値に関係する項に、上記分布対称化関数を適用した上記方位観測値の変換値を適用すると共に、上記方位観測値の真の値に関係する項として、真の値に上記分布対称化関数を適用したとみなしたものを用い、上記コスト関数を生成するコスト関数生成手段と、(3)生成された上記コスト関数を最小化する、上記目標体の状態量を探索することにより上記目標体の状態量を推定するコスト関数最小値探索手段とを有することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, a signal radiated from a target body is received by a reception sensor array attached to the observation body, and at least the direction to the target body is based on the reception signal from the reception sensor array. (1) A distribution symmetrization function defined in accordance with the shape of the receiving sensor array is obtained in the target body motion analysis apparatus that estimates a state quantity related to the position, velocity, etc. of the target body. And an error distribution conversion means for converting the azimuth observation value so that the distribution of errors in the azimuth observation value is bilaterally symmetric, and (2) an observation value including the azimuth observation value and its true value. In the cost function for evaluating the difference, the conversion value of the azimuth observation value to which the distribution symmetrization function is applied is applied to the term related to the azimuth observation value, and the term value is related to the true value of the azimuth observation value. To the true value as A cost function generating unit that generates the cost function using what is considered to be a cloth symmetrizing function, and (3) searching for a state quantity of the target body that minimizes the generated cost function. And a cost function minimum value searching means for estimating the state quantity of the target body.
本発明によれば、受波センサアレイの形状によらずに、目標体の状態値に対する良好な解析結果が得られるようになる。   According to the present invention, a good analysis result for the state value of the target body can be obtained regardless of the shape of the receiving sensor array.
(A)主たる実施形態
以下、本発明による目標体運動解析方法及び装置の一実施形態を、図面を参照しながら詳述する。
(A) Main Embodiment Hereinafter, an embodiment of a target body motion analysis method and apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(A−1)実施形態の構成
図1は、実施形態の目標体運動解析装置の機能的構成を示すブロック図である。なお、図1は、実施形態の目標体運動解析方法における処理の流れを示すフローチャートとして見ることもできる。例えば、図示しない音響センサアレイ(受波センサアレイ)を除けば、プログラム及びその実行構成(CPU、メモリ等)によって目標体運動解析装置が実現されるが、機能的には、図1で表すことができる。また、別の見方をすれば、図1は、目標体運動解析プログラムの構成を示したものとして見ることもできる。
(A-1) Configuration of Embodiment FIG. 1 is a block diagram illustrating a functional configuration of a target body motion analysis apparatus of the embodiment. FIG. 1 can also be viewed as a flowchart showing the flow of processing in the target body motion analysis method of the embodiment. For example, except for an acoustic sensor array (received sensor array) (not shown), the target body motion analysis device is realized by a program and its execution configuration (CPU, memory, etc.). Can do. From another point of view, FIG. 1 can also be viewed as showing the configuration of the target body motion analysis program.
図1において、実施形態の目標体運動解析装置100は、方位観測値算出部101、方位観測値誤差分散算出部102、観測方程式生成部103、状態方程式記憶部104、修正コスト関数生成部105、修正コスト関数最小値探索部106、及び、目標体位置・速度決定部107を有する。   In FIG. 1, the target body motion analysis apparatus 100 according to the embodiment includes an azimuth observation value calculation unit 101, an azimuth observation value error variance calculation unit 102, an observation equation generation unit 103, a state equation storage unit 104, a modified cost function generation unit 105, It has a corrected cost function minimum value search unit 106 and a target body position / velocity determination unit 107.
(A−2)実施形態の動作
方位観測値算出部101は、音響センサアレイ(受波センサアレイ)の音響信号(受波信号)から、方位の観測値を得るものであり、方位観測値誤差分散算出部102は、音響センサアレイ(受波センサアレイ)の音響信号(受波信号)から、方位観測値の誤差分散を得るものである。
(A-2) Operation of Embodiment The azimuth observation value calculation unit 101 obtains an azimuth observation value from an acoustic signal (received signal) of the acoustic sensor array (received sensor array), and an azimuth observation value error The variance calculation unit 102 obtains the error variance of the azimuth observation value from the acoustic signal (received signal) of the acoustic sensor array (received sensor array).
観測方程式生成部103が生成する観測方程式及び状態方程式生成部104が生成する状態方程式は、上述した非特許文献1に示されている。まず、デカルト座標系(直交座標系)での観測方程式及び状態方程式を説明する。なお、デカルト座標系の原点は、当該観測体の所定の位置であり、x方向及びy方向はそれぞれ、例えば、経度方向、緯度方向である。   The observation equation generated by the observation equation generation unit 103 and the state equation generated by the state equation generation unit 104 are shown in Non-Patent Document 1 described above. First, an observation equation and a state equation in a Cartesian coordinate system (orthogonal coordinate system) will be described. The origin of the Cartesian coordinate system is a predetermined position of the observation body, and the x direction and the y direction are, for example, a longitude direction and a latitude direction, respectively.
目標体の状態量(状態量ベクトル)を(1)式で定義する。(1)式において、v、vはそれぞれ、x方向及びy方向の速度、r、rはそれぞれ、目標体位置のx座標及びy座標とする。観測方程式は、方位が観測値となるので、方位推定値をβとして、(2)式で表すことができる。ここで、n(t)は観測方位に対する雑音である。また、状態方程式は、x方向及びy方向の加速度をそれぞれa、aとして、(3)式で表すことができる。なお、積分はt0からtまでである。
The state quantity (state quantity vector) of the target body is defined by equation (1). (1) In the formula, v x, v y, respectively, x and y directions of the velocity, r x, r y, respectively, and x and y coordinates of the target object position. Since the azimuth is an observation value, the observation equation can be expressed by the equation (2) where the azimuth estimation value is β. Here, n (t) is noise with respect to the observation direction. In addition, the equation of state can be expressed by equation (3), where acceleration in the x direction and y direction are a x and a y , respectively. The integration is from t0 to t.
デカルト座標系で生じる可能性があるill−conditionなどの問題を解決するために、修正極座標を用いた観測方程式と状態方程式が提案されている。状態量(状態量ベクトル)は(4)式で定義され、このとき、観測方程式は(5)式で表され、また、状態方程式は(6)式で表される。なお、(4)式におけるβは真の方位を表し、(5)式におけるβは方位の観測値を表している。(4)式における符号上部に付与されている「・」は1階微分を表している。
In order to solve problems such as ill-condition that may occur in a Cartesian coordinate system, observation equations and state equations using modified polar coordinates have been proposed. The state quantity (state quantity vector) is defined by equation (4). At this time, the observation equation is represented by equation (5), and the state equation is represented by equation (6). In the equation (4), β represents the true direction, and β in the equation (5) represents the observed value of the direction. “·” Given to the upper part of the sign in the expression (4) represents the first order differentiation.
(6)式におけるfは、状態量y(t)から状態量x(t)へ変換する関数であり、(7)式で表されるものである。逆に、状態量x(t)から状態量y(t)へと変換する関数fは(8)式で表される。
(6) f x in formula is a function that converts from the state quantity y (t) to the state quantity x (t), is represented by equation (7). Conversely, the function f y for converting the state quantity x (t) to the state quantity y (t) is expressed by the following equation (8).
観測方程式生成部103は、方位観測値算出部101から与えられた方位観測値の時系列に対し、(5)式に示す観測方程式を生成して修正コスト関数生成部105に与え、また、方位観測誤差分散算出部102から与えられた方位観測値の誤差分散をそのまま修正コスト関数生成部105に与える。状態方程式記憶部104に記憶されている(6)式で表される状態方程式は、修正コスト関数生成部105に与えられる。   The observation equation generation unit 103 generates an observation equation shown in the equation (5) for the time series of the azimuth observation values given from the azimuth observation value calculation unit 101 and gives the observation equation to the corrected cost function generation unit 105. The error variance of the azimuth observation value given from the observation error variance calculation unit 102 is given to the corrected cost function generation unit 105 as it is. The state equation represented by the equation (6) stored in the state equation storage unit 104 is given to the modified cost function generation unit 105.
修正コスト関数生成部105には、音響センサアレイ(受波センサアレイ)の形状の情報が入力されている。修正コスト関数生成部105が生成する修正コスト関数J’は、(9)式で表される。(9)式において、βobsは方位観測値、関数fは方位観測値の誤差(雑音)の分布を左右対称にさせる関数である。σ’は関数fの空間上での誤差分散であり、方位観測値の誤差分散σを修正して得ることができる。
Information on the shape of the acoustic sensor array (received sensor array) is input to the modified cost function generation unit 105. The correction cost function J ′ generated by the correction cost function generation unit 105 is expressed by the following equation (9). In equation (9), β obs is a direction observation value, and function f is a function that makes the distribution of errors (noise) of the direction observation value symmetrical. σ ′ 2 is an error variance in the space of the function f, and can be obtained by correcting the error variance σ 2 of the azimuth observation value.
(9)式は、誤差の分布を左右対称にさせる関数fによって方位観測値βobsを変換した値と、誤差の分布を左右対称にさせる関数fによって真の方位βを変換した値との差分の2乗和を、関数fの空間上での誤差分散σ’で割った値の時間積分を、修正コスト関数J’とすることを表しており、従って、修正コスト関数J’は概ね最小2乗法の考え方を反映させたコスト関数となっている。 Equation (9) is a difference between a value obtained by converting the azimuth observation value β obs by the function f that makes the error distribution bilaterally symmetric and a value obtained by converting the true direction β by the function f that makes the error distribution bilaterally symmetric. Represents the time integral of the value obtained by dividing the square sum of the two by the error variance σ ′ 2 in the space of the function f as a modified cost function J ′, and therefore the modified cost function J ′ is almost the minimum. It is a cost function that reflects the idea of the square method.
修正コスト関数生成部105は、方位観測値の誤差の分布を左右対称にさせる関数fとして、音響センサアレイの形状毎のものを予め記憶しており、入力された音響センサアレイの形状の情報に応じたものを適用する。   The corrected cost function generation unit 105 stores in advance the information for each shape of the acoustic sensor array as a function f for making the distribution of errors in the azimuth observation value symmetrical, and the information on the shape of the input acoustic sensor array is stored. Applies what is appropriate.
例えば、音響センサアレイの形状が円筒状アレイの場合には、誤差の分布が当初より左右対称とみなせるので、方位観測値の誤差の分布を左右対称にさせる関数fとしてf(θ)=θとする関数を適用する。従って、この場合の修正コスト関数J’は、(10)式に示すようになる。また例えば、音響センサアレイの形状が直線状アレイの場合には、直線状アレイにおける直線に対して直交方向に方位観測値が向いているように変換した場合に誤差の分布が対称となるので、方位観測値の誤差の分布を左右対称にさせる関数fとしてf(θ)=sin(θ)を適用する(図3(B)参照)。従って、この場合の修正コスト関数J’は、(11)式に示すようになる。
For example, when the shape of the acoustic sensor array is a cylindrical array, since the error distribution can be regarded as symmetrical from the beginning, f (θ) = θ is set as a function f for making the error distribution of the azimuth observation value symmetrical. Apply a function to Accordingly, the modified cost function J ′ in this case is as shown in the equation (10). Further, for example, when the shape of the acoustic sensor array is a linear array, the error distribution is symmetric when converted so that the azimuth observation value is oriented in a direction orthogonal to the straight line in the linear array. F (θ) = sin (θ) is applied as a function f that makes the azimuth observation error distribution symmetrical (see FIG. 3B). Accordingly, the modified cost function J ′ in this case is as shown in the equation (11).
音響センサアレイの形状が任意形状のアレイの場合には、方位観測値の誤差の分布を左右対称にさせる関数fを以下のようにして形成する。音響信号にガウス雑音を混入させた信号を音源から放射させると共に、音源位置を変化させたシミュレーションを実行し、各方位のそれぞれについて、多くの方位観測値を得て、図4に示すような観測分布(ヒスとグラム、平均値及び分散)を得る。得られた各方位の観測分布において、中心値(平均値や中央値など)Cから左側で所定割合の観測値が出現する限界値LLと、中心値Cから右側で所定割合の観測値が出現する限界値HHとを求め、中心値Cと限界値LLとの間隔Lと、中心値Cと限界値HHとの間隔Hとを、例えば、両間隔L、Hの平均値に一致させる変換式若しくは変換係数を得る。各方位について得られた変換式若しくは変換係数等を変換テーブルとして格納したり、又は、各方位について得られた変換式若しくは変換係数等に対して、spline、Lagrangeなどの補間法を用いて、方位を変数とする1変数多項式を形成する。   When the acoustic sensor array has an arbitrary shape, a function f for making the azimuth observation value error distribution symmetrical is formed as follows. A sound signal mixed with Gaussian noise is radiated from the sound source, and a simulation is performed with the sound source position changed, and many azimuth observation values are obtained for each azimuth, and the observation as shown in FIG. Obtain distribution (His and grams, mean and variance). In the obtained observation distribution in each direction, a limit value LL at which a predetermined ratio of observation values appear on the left side from the center value (average value, median value, etc.) C, and an observation value of a predetermined ratio appears on the right side from the center value C. A conversion formula that obtains the limit value HH to be obtained and matches the interval L between the center value C and the limit value LL and the interval H between the center value C and the limit value HH to, for example, an average value of both the intervals L and H Alternatively, a conversion coefficient is obtained. The conversion formula or conversion coefficient obtained for each azimuth is stored as a conversion table, or the conversion formula or conversion coefficient obtained for each azimuth is interpolated using an interpolation method such as spline, Lagrange, etc. Is formed as a variable.
音響センサアレイの形状が任意形状のアレイであっても、多くの観測体に搭載されるものであれば、修正コスト関数生成部105に、そのアレイ形状用の関数fを記憶させておき、入力された音響センサアレイの形状の情報に応じて取り出せるようにしておく。   Even if the shape of the acoustic sensor array is an arbitrary shape, if it is mounted on many observation objects, the function f for the array shape is stored in the correction cost function generation unit 105 and input. It can be taken out according to the shape information of the acoustic sensor array.
なお、修正コスト関数生成部105は、方位観測値の誤差の分布を左右対称にさせる関数fを外部から受け付けられるように構成したものであっても良い。また、上述したような方位観測値の誤差の分布を左右対称にさせる関数fとして適用する、1変数多項式を上述のように形成させるプログラムや機能部などを、目標体運動解析装置100が備えるものであっても良い。   Note that the modified cost function generation unit 105 may be configured to accept a function f that makes the azimuth observation value error distribution bilaterally symmetric. Further, the target body motion analysis apparatus 100 includes a program, a function unit, and the like that form a one-variable polynomial as described above, which is applied as a function f for making the distribution of errors in azimuth observation values as described above symmetrical. It may be.
修正コスト関数最小値探索部106は、(9)式に示す修正コスト関数J’を用いて、この修正コスト関数J’を最小にする状態量x(t)を探索し、探索できた状態量を状態量x(t)の推定値とするものである。修正コスト関数J’を最小にする状態量x(t)を数値的に求める方法としては、非常に多くの方法が適用可能である。例えば、最急降下法、共役勾配法、ダビドン法、シンプレックス法、Marquadt法など様々な方法があるが、解に収束できればどの方法を用いても良い。   The corrected cost function minimum value search unit 106 searches for the state quantity x (t) that minimizes the corrected cost function J ′ using the corrected cost function J ′ shown in the equation (9), and the state quantity that can be searched for. Is an estimated value of the state quantity x (t). As a method for numerically obtaining the state quantity x (t) that minimizes the correction cost function J ′, a great number of methods can be applied. For example, there are various methods such as the steepest descent method, the conjugate gradient method, the davidone method, the simplex method, and the Marquad method, and any method may be used as long as it can converge to a solution.
以下では、一例として、最急降下法を用いた場合を説明する。最急降下法では、修正コスト関数J’が最小となる場合は、推定値に対する勾配が0となることから、勾配が最も急な方向に逐次移動していき最小値を求めるものである。具体的には、適切な初期値x(t)を決めて、(12)式に示す漸化式の計算を行い、収束するまで繰り返す。
Below, the case where the steepest descent method is used is demonstrated as an example. In the steepest descent method, when the corrected cost function J ′ is minimum, the gradient with respect to the estimated value is 0, and therefore the gradient is successively moved in the steepest direction to obtain the minimum value. Specifically, an appropriate initial value x 0 (t) is determined, the recurrence formula shown in formula (12) is calculated, and the process is repeated until convergence.
一般には、繰り返し演算における相前後する値xn+1とxとの間がほとんど変化しなくなった状況で収束していると判断する。ここで、(12)式におけるαは、勾配に対して進む幅をあらわす。αが大きければ進む距離は大きくなるが、αが大きいと解付近で中々収束しないのに対して、αが小さいと初期値から解の真値にたどり着くまでの繰り返し回数が大きくなる。この値αは経験的に定めるものである。 In general, it is determined that convergence has occurred in a situation where there is almost no change between successive values x n + 1 and x n in the iterative calculation. Here, α in the equation (12) represents a width that advances with respect to the gradient. If α is large, the distance traveled will be large, but if α is large, it will not converge in the vicinity of the solution. On the other hand, if α is small, the number of iterations from the initial value to the true value of the solution will increase. This value α is determined empirically.
修正コスト関数最小値探索部106は、例えば、初期値x(t)を変更することにより複数の候補を出力するものであっても良く、又は、目標体位置・速度決定部107から要求されたときに他の候補を探索し直すものであっても良い。 The corrected cost function minimum value search unit 106 may output, for example, a plurality of candidates by changing the initial value x 0 (t), or requested by the target body position / velocity determination unit 107. It is also possible to search again for other candidates.
目標体位置・速度決定部107は、変針前後の修正コスト関数最小値探索部106から与えられた目標体の位置や速度の時系列から、現在の目標体の位置や速度を決定するものである。   The target body position / velocity determination unit 107 determines the current position and speed of the target body from the time series of the position and speed of the target body given from the corrected cost function minimum value search unit 106 before and after the change of needle. .
なお、修正コスト関数最小値探索部106から出力された目標体の位置や速度の時系列をそのまま出力するものであっても良い。   The time series of the position and speed of the target body output from the corrected cost function minimum value search unit 106 may be output as it is.
(A−3)実施形態の効果
第1の実施形態によれば、音響センサアレイの形状が、直線状アレイあるいは任意形状のアレイなど、方位観測値における誤差の分布が左右対称にはならない場合であっても、誤差の分布が左右対称となる空間で目標態の状態量の推定を行うことにより、誤差分散が左右非対称に起因する誤差を会席結果から取り除くことができる。
(A-3) Effects of the Embodiment According to the first embodiment, the acoustic sensor array has a shape in which the error distribution in the azimuth observation value is not symmetrical, such as a linear array or an array of an arbitrary shape. Even in such a case, by estimating the state quantity of the target state in a space where the error distribution is symmetric, the error due to the error asymmetry can be removed from the banquet result.
(B)他の実施形態
上記実施形態では、方位のみを観測して目標体の運動状態を推定する場合を説明したが、観測値は方位だけに限定されるものではなく、方位が観測値に含まれている目標体運動解析方法及び装置であれば、本発明の技術思想を適用することができる。例えば、特開平10−62507号に記載のような目標体運動解析方法及び装置に対しても、本発明の技術思想を適用することができる。適用する目標体運動解析方法及び装置によっては、目標体又は観測体の少なくとも一方が固定されたものであっても良い。
(B) Other Embodiments In the above embodiment, the case where only the azimuth is observed to estimate the motion state of the target body has been described. However, the observation value is not limited to the azimuth, and the azimuth is the observation value. The technical idea of the present invention can be applied to any target body motion analysis method and apparatus included. For example, the technical idea of the present invention can be applied to a target body motion analysis method and apparatus as described in JP-A-10-62507. Depending on the target body motion analysis method and apparatus to be applied, at least one of the target body and the observation body may be fixed.
また、時間差、距離などの観測値が同時に用いることが可能な場合には、その場合にも、方位に対して適用することができる上、時間差、距離の観測値の誤差に対して非対称性がある場合には同様に、上記実施形態の手法を用いることができる。上記実施形態では、方位観測値の誤差の分布が左右非対称にならない場合に、誤差の分布が左右対称になる空間に変換することを示したが、誤差の分布が非対称になる全ての観測値に用いることができる。   In addition, when observation values such as time difference and distance can be used at the same time, it can be applied to the direction and there is asymmetry with respect to the error of the observation value of time difference and distance. In some cases, the method of the above embodiment can be used in the same manner. In the above embodiment, when the error distribution of the azimuth observation value is not left-right asymmetric, the error distribution is converted into a space in which the error distribution is left-right symmetric. Can be used.
さらに、上記実施形態においては、目標体に関する状態量として、位置及び速度を推定するものを示したが、一方だけを推定するものであっても良く、さらには、位置及び加速度(速度の微分)を推定するものであっても良く、推定される状態量は上記実施形態のものに限定されない。   Furthermore, in the said embodiment, although what estimated a position and speed was shown as a state quantity regarding a target body, you may estimate only one side, Furthermore, position and acceleration (differentiation of speed) The estimated state quantity is not limited to that in the above embodiment.
上記実施形態の説明では言及しなかったが、音響センサアレイを構成するセンサ数は3以上であれば任意である。   Although not mentioned in the description of the above embodiment, the number of sensors constituting the acoustic sensor array is arbitrary as long as it is three or more.
実施形態の目標体運動解析装置の機能的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the target body motion analyzer of embodiment. 従来の目標体運動解析方式の概要の説明図である。It is explanatory drawing of the outline | summary of the conventional target body motion analysis system. 従来の目標体運動解析方式の課題の説明図である。It is explanatory drawing of the subject of the conventional target body motion analysis system. 実施形態の任意形状の音響センサアレイにおける誤差分布を対称化させる関数の形成方法の説明図である。It is explanatory drawing of the formation method of the function which makes the error distribution symmetric in the acoustic sensor array of the arbitrary shape of embodiment.
符号の説明Explanation of symbols
100…目標体運動解析装置、101…方位観測値算出部、102…方位観測値誤差分散算出部、103…観測方程式生成部、104…状態方程式記憶部、105…修正コスト関数生成部、106…修正コスト関数最小値探索部、107…目標体位置・速度決定部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Target body motion analyzer, 101 ... Direction observation value calculation part, 102 ... Direction observation value error dispersion | distribution calculation part, 103 ... Observation equation production | generation part, 104 ... State equation memory | storage part, 105 ... Correction cost function generation part, 106 ... Correction cost function minimum value search unit, 107... Target body position / speed determination unit.

Claims (4)

  1. 目標体から放射される信号を、観測体に取り付けた受波センサアレイで受信し、この受波センサアレイからの受波信号に基づいて、少なくとも上記目標体への方位の観測値を得た後、上記目標体の位置や速度などに関する状態量を推定する目標体運動解析方法において、
    上記受波センサアレイの形状に応じて規定される分布対称化関数を適用し、上記方位観測値の誤差の分布を左右対称にするように上記方位観測値を変換し、
    上記方位観測値を含めた観測値とその真の値との相違を評価するためのコスト関数における、上記方位観測値に関係する項に、上記分布対称化関数を適用した上記方位観測値の変換値を適用すると共に、上記方位観測値の真の値に関係する項として、真の値に上記分布対称化関数を適用したとみなしたものを用い、
    上記コスト関数を最小化する、上記目標体の状態量を探索することにより上記目標体の状態量を推定する
    ことを特徴とする目標体運動解析方法。
    After receiving the signal radiated from the target body with the receiving sensor array attached to the observation body, and obtaining at least the observation value of the direction to the target body based on the received signal from the receiving sensor array In the target body motion analysis method for estimating the state quantity related to the position and speed of the target body,
    Applying a distribution symmetrization function defined according to the shape of the receiving sensor array, converting the azimuth observation value so that the distribution of errors in the azimuth observation value is symmetric,
    Conversion of the azimuth observation value by applying the distribution symmetrization function to the term related to the azimuth observation value in the cost function for evaluating the difference between the observation value including the azimuth observation value and its true value. As a term related to the true value of the above azimuth observation value, using the value considered as having applied the above distribution symmetrization function to the true value,
    A target body motion analysis method characterized in that the state quantity of the target body is estimated by searching for the state quantity of the target body that minimizes the cost function.
  2. 上記受波センサアレイが直線状アレイの場合において、上記分布対称化関数としてsinθ(θは方位観測値又は真の値)を適用することを特徴とする請求項1に記載の目標体運動解析方法。   2. The target body motion analysis method according to claim 1, wherein sin θ (θ is an azimuth observation value or a true value) is applied as the distribution symmetrization function when the receiving sensor array is a linear array. .
  3. 目標体から放射される信号を、観測体に取り付けた受波センサアレイで受信し、この受波センサアレイからの受波信号に基づいて、少なくとも上記目標体への方位の観測値を得た後、上記目標体の位置や速度などに関する状態量を推定する目標体運動解析装置において、
    上記受波センサアレイの形状に応じて規定される分布対称化関数を適用し、上記方位観測値の誤差の分布を左右対称にするように上記方位観測値を変換する誤差分布変換手段と、
    上記方位観測値を含めた観測値とその真の値との相違を評価するためのコスト関数における、上記方位観測値に関係する項に、上記分布対称化関数を適用した上記方位観測値の変換値を適用すると共に、上記方位観測値の真の値に関係する項として、真の値に上記分布対称化関数を適用したとみなしたものを用い、上記コスト関数を生成するコスト関数生成手段と、
    生成された上記コスト関数を最小化する、上記目標体の状態量を探索することにより上記目標体の状態量を推定するコスト関数最小値探索手段と
    を有することを特徴とする目標体運動解析装置。
    After receiving the signal radiated from the target body with the receiving sensor array attached to the observation body, and obtaining at least the observation value of the direction to the target body based on the received signal from the receiving sensor array In the target body motion analysis apparatus for estimating the state quantity related to the position and speed of the target body,
    Applying a distribution symmetrization function defined according to the shape of the receiving sensor array, and error distribution conversion means for converting the azimuth observation value so that the error distribution of the azimuth observation value is symmetrical.
    Conversion of the azimuth observation value by applying the distribution symmetrization function to the term related to the azimuth observation value in the cost function for evaluating the difference between the observation value including the azimuth observation value and its true value. A cost function generating means for generating the cost function using a value that is applied to the true value of the azimuth observation value as a term related to the true value of the azimuth observation value. ,
    A target body motion analysis apparatus comprising: cost function minimum value search means for estimating the state quantity of the target body by searching for the state quantity of the target body, which minimizes the generated cost function. .
  4. 上記受波センサアレイが直線状アレイの場合において、上記分布対称化関数としてsinθ(θは方位観測値又は真の値)を適用することを特徴とする請求項3に記載の目標体運動解析装置。   4. The target body motion analysis apparatus according to claim 3, wherein sin θ (θ is an azimuth observation value or a true value) is applied as the distribution symmetrizing function when the receiving sensor array is a linear array. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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