JP4281473B2 - Target tracking device - Google Patents
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Description
この発明は、追尾目標の運動諸元の観測値に基づいて、その追尾目標の運動諸元を予測する目標追尾装置に係るものであり、特に追尾目標が蛇行している場合にその運動諸元を精度よく予測する技術に関する。 The present invention relates to a target tracking device that predicts a motion specification of a tracking target based on an observation value of a motion specification of the tracking target, and particularly when the tracking target is meandering. The present invention relates to a technology for accurately predicting the above.
従来の目標追尾装置は、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1)。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。
Conventional target tracking device, when the tracking target moves meandering, using a Kalman filter based on the motion model that represents the acceleration x "(t) is a sine function x" in (t) = n t sin ( ωt + φ) The motion specifications of the tracking target were predicted (for example,
従来の目標追尾装置は、上記のように構成されているので、各サンプリング間における状態変数の時間変位を扱おうとすると、状態変数の一つである加速度の時間変化、すなわち、ジャーク項(加速度の時間による一階微分項)まで扱う必要がある。ところが、観測雑音が大きい場合やサンプリング間隔が長い場合には、ジャーク項の推定精度は劣化する傾向にある。また、蛇行周波数が小さい場合(蛇行軌跡の波長が長い場合)には、ジャーク項の推定まで行う必要が本来ないにも関わらず、上記の運動モデルを用いると、必然的にジャーク項を推定することとなって無駄な処理を行うことになる。さらに、蛇行振幅が大きい場合に、ある時刻の推定値(位置及び速度)を採用し、その時刻の速度で等速直線運動をすると仮定して数サンプリング後の位置予測を行うと、実際の目標位置との乖離が大きくなってしまう。この発明は、かかる問題を解決することを目的とする。 Since the conventional target tracking device is configured as described above, if one tries to handle the time displacement of the state variable between each sampling, the time change of the acceleration, which is one of the state variables, that is, the jerk term (acceleration It is necessary to handle up to the first derivative term by time). However, when the observation noise is large or the sampling interval is long, the estimation accuracy of the jerk term tends to deteriorate. In addition, when the meander frequency is small (when the meandering track has a long wavelength), the jerk term is inevitably estimated when the above motion model is used, even though it is not necessary to estimate the jerk term. As a result, useless processing is performed. Furthermore, when the meandering amplitude is large, the estimated value (position and velocity) at a certain time is adopted, and if the position prediction after several samplings is performed assuming that constant velocity linear motion is performed at the velocity at that time, the actual target is obtained. Deviation from the position will increase. The present invention aims to solve this problem.
この発明に係る目標追尾装置は、前回サンプル時の運動諸元平滑値から今回サンプル時の運動諸元平滑値をカルマンフィルタによって算出する目標追尾装置であって、
等速直線運動成分と正弦運動成分とを有する追尾目標の運動モデルに基づいて、前回サンプル時の運動諸元平滑値から今回サンプル時の運動諸元平滑値を算出する運動諸元予測手段を備えたものである。
The target tracking device according to the present invention is a target tracking device that calculates a motion specification smooth value at the current sample from a motion specification smooth value at the previous sample by a Kalman filter,
Based on the motion model of the tracking target that has a constant velocity linear motion component and a sine motion component, it is equipped with motion specification prediction means that calculates the motion specification smooth value at the current sample from the motion specification smooth value at the previous sample. It is a thing.
この発明は、従来技術で用いる「加速度を基準とする運動モデル」ではなく、位置を基準とする運動モデルを採用し、さらに正弦運動成分だけでなく、等速直線運動成分を有する運動モデルを採り入れることによって、蛇行運動を行う追尾目標の追尾処理を精度よく行うことが可能となり、追尾目標が蛇行するために観測値と予測値が大きくずれるといった問題を少なくする効果を奏する。 The present invention adopts a motion model based on a position instead of the “motion model based on acceleration” used in the prior art, and adopts a motion model having not only a sine motion component but also a constant velocity linear motion component. As a result, the tracking process of the tracking target that performs the meandering motion can be performed with high accuracy, and the problem that the observed value and the predicted value are greatly shifted due to the tracking target meandering can be reduced.
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によ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、ゲート判定器10は、観測値が追尾に有効なデータであるか否かを判定する部位である。予測諸元統合器11は、後述する運動諸元予測器によって算出される予測ベクトルが複数ある場合に、それらを統合して統合予測ベクトルとその誤差共分散行列である統合予測誤差共分散行列を算出する部位である。平滑諸元統合器12は、算出された平滑運動諸元が複数ある場合に、それらを統合して、統合平滑値と統合平滑誤差共分散行列を算出する部位である。統合平滑値メモリ13は、統合平滑値、統合平滑誤差共分散行列および後述する運動諸元予測処理によって算出される各運動モデルの事後確率を格納する記憶素子または回路によって構成される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a target tracking device according to
また、運動モデル制御器14は、追尾目標に対して追尾処理を行うにあたり、採用する運動モデルの数と各運動モデルに設定する蛇行周波数を決定する部位である。運動諸元予測器15−1〜15−N(Nは1以上の自然数)は、それぞれ所定の運動モデルに基づいてカルマンフィルタを実行することにより、追尾目標の運動諸元を予測する部位である。また運動諸元予測器15−1〜15−Nは、それぞれの運動諸元予測値の確からしさについて評価するために、運動モデルの評価値である尤度を算出するようになっている。混合平滑器16は、運動諸元予測器が複数ある場合、すなわちNが2以上の場合に、それぞれの運動諸元予測器が算出した運動諸元平滑値に対して、他の運動諸元予測器によって算出された運動諸元平滑値に基づく調整処理を行う部位である。より具体的にいえば、混合平滑器16は、各運動モデルの平滑値と平滑誤差共分散行列をミキシングと呼ばれる処理を行うようになっている。モデル尤度集計器17は、運動諸元予測器15−1〜15−Nが算出した追尾結果を評価するために用いる尤度の総和を算出する部位である。未来位置予測器18は、平滑諸元統合器12が算出した運動諸元平滑値に基づいて、追尾目標の未来位置を予測する部位である。
The
ここで、運動諸元予測器15−1〜15−Nの構成について補足する。Nが2以上の場合、すなわち、複数の運動諸元予測器を備える場合にあっては、各運動諸元予測器は他の運動諸元予測器とは異なる運動モデルを用いるようにした方が有利である。運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれが、種類の異なる複数の運動モデルを用いることで、各運動モデルによる追尾処理結果と現実の追尾目標についての観測値との差異の大小が生ずることになる。当然ながら、この場合には観測値と近い追尾処理結果を算出する運動モデルの処理精度が、それ以外の運動モデルの処理精度に優ることになる。複数の種類の運動モデルを採用することで、単一の運動モデルによる追尾処理より処理精度を向上させることができるのである。このように、運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれがどの運動モデルに基づく追尾処理を行うかを決定する役割を担うのが、運動モデル制御器14である。
Here, the configuration of the motion specification predictors 15-1 to 15-N will be supplemented. When N is 2 or more, that is, when a plurality of motion specification predictors are provided, each motion specification predictor should use a motion model different from other motion specification predictors. It is advantageous. Each of the motion specification predictors 15-1 to 15-N uses a plurality of different types of motion models, so that the difference between the tracking processing result of each motion model and the observed value of the actual tracking target can be increased or decreased. Will occur. Naturally, in this case, the processing accuracy of the motion model that calculates the tracking processing result close to the observed value is superior to the processing accuracy of the other motion models. By adopting a plurality of types of motion models, the processing accuracy can be improved over the tracking processing using a single motion model. Thus, the
しかしながら、運動諸元予測器の個数は2以上であることは必須ではなく、少なくとも1つ備えるだけでも、以降の説明から明らかとなるように、従来の技術にはないこの発明の特徴が達成されるのである。したがって、運動諸元予測器の個数、すなわちNの値は、設計事項である。すなわち、N=1(単一の運動モデル)として、簡易な構成を採用してもよい。その場合には、運動諸元予測器15−1の算出する予測値をこの発明の実施の形態1による目標追尾装置の出力値として出力すればよく、予測諸元統合器11、平滑諸元統合器12、混合平滑器16、モデル尤度集計器17に相当する機能を省略して構成するようにする。
However, it is not essential that the number of motion specification predictors be two or more. Even if at least one motion specification predictor is provided, the features of the present invention not found in the prior art can be achieved as will be apparent from the following description. It is. Therefore, the number of motion specification predictors, that is, the value of N is a design matter. That is, a simple configuration may be adopted as N = 1 (single motion model). In that case, the prediction value calculated by the motion specification predictor 15-1 may be output as the output value of the target tracking device according to
一方、追尾する目標がさまざまな蛇行周波数による蛇行運動をすることが想定される場合には、複数の運動モデルに基づく運動諸元予測をした方が有利になる。そして運動諸元予測器の個数、すなわちNの数が大きければ大きいほど、精度の高い追尾処理を行うことができるし、幅広い蛇行周波数をカバーすることもできるのである。ここで、N個の運動諸元予測器を備える、とは、物理的に別体のN個の運動諸元予測器を備えることはもちろん、N個に満たない個数の運動諸元予測器のそれぞれが、1サンプル時間を時分割して複数の運動モデルに基づく追尾処理を行い、結果としてN個の運動モデルに基づく追尾処理を行うようにしておいてもよい。 On the other hand, when it is assumed that the target to be tracked performs meandering motions with various meandering frequencies, it is advantageous to perform motion specification prediction based on a plurality of motion models. As the number of motion specification predictors, that is, the number of N is larger, the tracking process with higher accuracy can be performed and a wide range of meandering frequencies can be covered. Here, including N motion specification predictors means not only physically including N motion specification predictors that are physically separate, but also of less than N motion specification predictors. Each of them may time-divide one sample time and perform tracking processing based on a plurality of motion models, and as a result, tracking processing based on N motion models may be performed.
図2は、運動諸元予測器15−1の詳細な構成を示すブロック図である。図に示すように、運動諸元予測器15−1は平滑諸元メモリ21、設定器22,予測器23、平滑器24を備えており、これらの構成要素によって運動モデル制御器14が設定した運動モデルに基づいてカルマンフィルタを実行するようになっている。なお一般に、カルマンフィルタは所定の時間毎(これをここではサンプルと呼ぶ)における予測値を算出すると共に、各時刻における観測値をサンプリングして取得し、予測値と観測値から平滑値を求め、次回のサンプルに予測値算出に供するというループ処理を行うものである。運動諸元予測器15−1は、外部の予測諸元統合器11、平滑諸元統合器12、混合平滑器16、モデル尤度集計器17と協働しながら、これらのループ処理を実行するようになっている。
FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration of the motion specification predictor 15-1. As shown in the figure, the motion specification predictor 15-1 includes a
平滑諸元メモリ21は、運動諸元予測器15−1が追尾処理の基礎としている運動モデルについて、前回サンプル時の平滑値と平滑誤差共分散行列を記憶する記憶回路または素子である。また、ハードディスク装置やCD−ROMドライブ装置のように記憶媒体を用いた記憶装置により構成してもよい。ここで、前回サンプルの平滑値と平滑誤差共分散行列は、混合平滑器16によって算出され、平滑諸元メモリ21に記憶されるようになっている。設定器22は、運動モデル制御器14が運動諸元予測器15−1に割り当てた運動モデルから各種パラメータを算出する部位である。なお、各種パラメータとは、状態遷移行列、蛇行周波数などを初めとするパラメータであって、追尾処理を開始するのに必要となるパラメータをいう。
The
予測器23は、前回サンプルの平滑値と平滑誤差共分散行列、および運動モデルから、今回サンプルにおける運動諸元予測値を算出する部位である。ここで算出された運動諸元予測値は予測諸元統合器11に出力されるようになっている。ここで用いられる前回サンプルの平滑値と平滑誤差共分散行列は、平滑諸元メモリ21によって記憶されているものであり、また運動モデルは設定器22によって記憶されているものである。
The predictor 23 is a part that calculates the motion specification prediction value in the current sample from the smooth value and smoothing error covariance matrix of the previous sample and the motion model. The motion specification prediction value calculated here is output to the
平滑器24は、予測器23が算出した今回サンプルにおける運動諸元予測値と、ゲート判定器10が相関ありと判断して出力した追尾目標の観測値とを用いて平滑処理を行う部位である。ここで算出された運動諸元平滑値は平滑諸元統合器12に出力されるようになっている。
The smoother 24 is a part that performs a smoothing process using the motion specification predicted value in the current sample calculated by the predictor 23 and the observed value of the tracking target that the
さらに、運動諸元予測器15−1は、確率メモリ25、事前確率算出器26、尤度算出器27、事後確率算出器28を備えており、これらの構成要素によって運動諸元予測器15−1が基礎とする運動モデルの評価値(事前確率、尤度、事後確率など)を算出するようになっている。確率メモリ25は、前回サンプルにおける事後確率を記憶する記憶回路または素子である。事前確率算出器26は、確率メモリ25に記憶されている前回サンプルの事後確率に基づいて、今回サンプルの事前確率を算出する部位である。ここで算出された事前確率は、予測諸元統合器11に出力されるようになっている。尤度算出器27は、事前確率算出器26が算出した事前確率と、予測器23が算出した運動諸元予測値、ゲート判定器10が相関ありと判断して出力した追尾目標の観測値とから尤度を算出する部位である。ここで算出された尤度はモデル尤度集計器17に出力されるようになっている。事後確率算出器28は、尤度算出器27が算出した尤度から事後確率を算出する部位である。ここで算出された事後確率は、今回サンプルの事後確率として確率メモリ25に記憶され、次回サンプルにおける事前確率や尤度、事後確率の算出に供されることとなる。
Further, the motion specification predictor 15-1 includes a probability memory 25, an a
なお、運動諸元予測器15−2〜15−Nにおいても、平滑諸元メモリ21、設定器22、予測器23、平滑器24、確率メモリ25、事前確率算出器26、尤度算出器27、事後確率算出器28に相当する構成要素が存在するが、これらの構成については、運動諸元予測器15−1と同様であるので、説明を省略する。また、以後の説明において、特に運動諸元予測器15−2〜15−Nの構成要素に言及する場合は、例えば、「運動諸元予測器15−2の平滑諸元メモリ21」のように、明示的にその運動諸元予測器の符号を示すこととする。また、運動諸元予測器の符号を特定せずに、単に「平滑諸元メモリ21」といった場合には、運動諸元予測器15−1における確率メモリ25を指すものとする。このような用法は、設定器22、予測器23、平滑器24、確率メモリ25、事前確率算出器26、尤度算出器27、事後確率算出器28についても同様とする。
Also in the motion specification predictors 15-2 to 15-N, the
また、ここまでの説明において、例えば「予測値を算出する部位である」というように、何らかの「部位」であるとした構成要素は、そのための専用回路または素子として構成されることを意味する。ただし、同様の機能をコンピュータプログラムによって、CPU(Central Processing Unit:中央演算装置)を備えたコンピュータ若しくはマイコンチップに実行させる構成を採ってもよい。 Further, in the description so far, for example, a component that is a “part” such as “a part that calculates a predicted value” means that it is configured as a dedicated circuit or element for that purpose. However, a configuration in which a similar function is executed by a computer or a microcomputer chip having a CPU (Central Processing Unit) by a computer program may be employed.
さらに、ゲート判定器10はゲート判定手段の例であり、予測諸元統合器11は予測諸元統合手段の例である。また、平滑諸元統合器12は、平滑諸元統合手段の例であって、統合平滑値メモリ13は、統合平滑値記憶手段の例である。運動モデル制御器14は運動モデル制御手段の例であって、運動諸元予測器15−1〜15−Nは運動諸元予測手段の例である。混合平滑器16は混合平滑手段の例であって、モデル尤度集計器17はモデル尤度集計手段の例である。
Furthermore, 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、運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれに運動モデルを割り当ててカルマンフィルタによる追尾処理を行い、これらが算出した運動諸元予測値、運動諸元平滑値や確率を、予測諸元統合器11、平滑諸元統合器12、統合平滑値メモリ13、運動モデル制御器14、混合平滑器16、モデル尤度集計器17によって調整するようになっている。そこで、以降の説明では、主として運動諸元予測器15−1における追尾処理を順を追って説明することとし、予測諸元統合器11、平滑諸元統合器12、統合平滑値メモリ13、運動モデル制御器14、混合平滑器16、モデル尤度集計器17における処理については、運動諸元予測器15−1が算出した運動諸元や確率値と運動諸元予測器15−2〜15−Nが算出した運動諸元や確率値との調整が必要となる局面において説明することとする。
Next, the operation of the target tracking device according to
まず、追尾処理を開始するにあたって、統合平滑値メモリ13に各運動モデルの平滑値の初期値と平滑誤差共分散行列の初期値を設定しておく。また、運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれの確率メモリ25に、その運動諸元予測器に割り当てられる運動モデルの事後確率の初期値を設定しておく。これらの準備が整った状態で、追尾処理が開始する。以降、新たな観測値が得られるたびに、サンプリング時間を1つずつ進めながら、追尾処理を実行していく。
First, when starting the tracking process, the initial value of the smooth value of each motion model and the initial value of the smooth error covariance matrix are set in the integrated
運動モデル制御器14は、平滑諸元統合器12より統合平滑値メモリ13を介して追尾目標の状態変数及びモデル確率を取得する。そして、安定した追尾精度を得るのに必要なモデル数と設定する蛇行周波数を決定し、運動諸元予測器15−1〜15−Nの設定器22に運動モデルを設定する。ここで運動モデル制御器14が設定する運動モデルは、式(1)〜式(3)による正弦運動成分と等速直線運動成分とを有する運動モデルx(t)である。
式(1)に示すように、x(t)は成分x1(t)と成分x2(t)とを有している。成分x1(t)は正弦運動を表す成分であり、x2(t)は等速直線運動を表す成分である。ntは正弦運動の最大振幅であり、ωは正弦運動の蛇行周波数である。またaは等速直線運動成分における速度であり、bはt=0における初期速度である。 As shown in Equation (1), x (t) has a component x 1 (t) and a component x 2 (t). The component x 1 (t) is a component representing sinusoidal motion, and x 2 (t) is a component representing constant velocity linear motion. n t is the maximum amplitude of sinusoidal motion and ω is the meander frequency of sinusoidal motion. Further, a is the velocity in the constant velocity linear motion component, and b is the initial velocity at t = 0.
なお、式(1)は1軸における運動モデルを表現するものであるが、現実の追尾目標では、自動車や船舶などのように平面運動をする場合は2次元運動となり、航空機の追尾などの場合は3次元運動となる。そこで、それぞれの次元について独立して式(1)で与えられる運動モデルを設定することになる。しかし、ここでは理解を容易にするために、1次元運動モデルに基づいて説明を行うこととする。 Equation (1) expresses a motion model in one axis. However, in the case of an actual tracking target, a two-dimensional motion is obtained when a plane motion is performed, such as an automobile or a ship. Is a three-dimensional motion. Therefore, the motion model given by equation (1) is set independently for each dimension. However, here, in order to facilitate understanding, description will be made based on a one-dimensional motion model.
運動諸元予測器が複数ある場合には、運動モデル制御器14は、式(2)のωの値を変えた複数の運動モデルを運動諸元予測器15−1〜15−Nの設定器22にそれぞれ設定する。例えば、対象となる追尾目標がとりうる蛇行周期が10秒〜60秒である場合、蛇行周波数は1/10〜1/60Hzとなる。したがってN=11とした場合(11個の運動諸元予測器を備えた場合)には、1/10、1/15、1/20、1/25、1/30、1/35、1/40、1/45、1/50、1/55、1/60のようなωを運動諸元予測器15−1〜15−11のそれぞれの設定器22に設定すればよい。ただし、その他の蛇行周波数を選択しても構わないのであって、例えば、1/10、1/20、1/25、1/30、1/33、1/36、1/39、1/42、1/45、1/50、1/60のように一部の周波数区間の分解能を細かくするようにしてもよい。
When there are a plurality of motion specification predictors, the
引き続き、運動モデルについて説明する。式(1)による運動モデルは連続時間における運動モデルであるが、カルマンフィルタではサンプル時間ごと、すなわち離散時間における運動モデルを設定する方が適している。そこで、式(1)から離散時間における運動モデルを導出することとする。式(2)、式(3)より、式(4)、式(5)の微分方程式が得られる。
これらの微分方程式を状態空間において表現すると、正弦運動成分については、
ここで、正弦運動成分の状態変数x1(t)と等速直線運動成分の状態変数x2(t)とを一つの状態変数x(t)にまとめる。すなわち
x(t)=[x 1(t) x 1'(t) x 2(t) x 2'(t)]T
である。そうすると式(6)〜式(13)より、x(t)に関する次のような連続微分状態方程式が得られる。
w(t)=[0 w1(t) 0 w2(t)]T
であって、w(t)は駆動雑音であり、式(17)、式(18)を満たす連続時間の白色雑音過程である。
x (t) = [ x 1 (t) x 1 '(t) x 2 (t) x 2 ' (t)] T
It is. Then, from Equation (6) to Equation (13), the following continuous differential equation of state for x (t) is obtained.
w (t) = [0 w 1 (t) 0 w 2 (t)] T
Where w (t) is drive noise, and is a continuous-time white noise process that satisfies Equations (17) and (18).
一方、連続時間における追尾目標の観測方程式は、式(20)及び式(21)によって与えられる。
式(14)〜式(21)を離散時間のブロック線図で表すと、例えば図3のようになる。図3においてsは、ラプラス変換における複素変数、つまり微分演算子を表す。またysinは正弦運動成分における追尾目標の位置、ystは等速直線運動成分における追尾目標の位置、vnは観測雑音であって、vsin、vstは正弦運動成分および等速直線運動成分のそれぞれにおける駆動雑音を表している。さらに、zは観測値である。この図から明らかなように、蛇行目標の位置の時間変動を等速直線運動成分と正弦運動成分とを有する運動モデルで表現することにより、加速度及びジャーク項を推定する処理を必要とせずに、蛇行周波数の推定を行うことができるのである。また、等速直線運動成分の推定値(位置および速度)を用いることで、Kサンプル後(Kは自然数)の追尾目標の位置を、蛇行軌跡の中心軸上に推定することが可能となる。 Expressions (14) to (21) are represented by a discrete time block diagram as shown in FIG. 3, for example. In FIG. 3, s represents a complex variable in Laplace transform, that is, a differential operator. The y sin position of the tracking target in the sine motion component, y st the position of the tracking target in the uniform linear motion components, v n is a measurement noise, v sin, v st is sinusoidal motion component and a constant speed rectilinear motion It represents the drive noise in each of the components. Furthermore, z is an observed value. As is clear from this figure, by expressing the time variation of the position of the meandering target by a motion model having a constant velocity linear motion component and a sinusoidal motion component, it is not necessary to estimate acceleration and jerk terms. The meander frequency can be estimated. Further, by using the estimated value (position and velocity) of the constant velocity linear motion component, the position of the tracking target after K samples (K is a natural number) can be estimated on the central axis of the meandering locus.
kサンプル目(kは自然数)の離散時間における運動モデルは、式(4)と式(5)の微分方程式の解を求めることで、
また、式(20)と式(21)による観測方程式を離散時間で表現すると、
となる。ここで、v kは観測雑音ベクトルであり、平均0、共分散Rkの白色ガウス雑音となる。またG2,kは観測雑音の極座標から北基準直交座標への座標変換行列を表す。以上により、離散時間における運動モデルが導出された。
Moreover, when the observation equation according to the equations (20) and (21) is expressed in discrete time,
It becomes. Here, v k is an observation noise vector, which is white Gaussian noise having an average of 0 and a covariance R k . G 2, k represents a coordinate transformation matrix from polar coordinates of observation noise to north reference orthogonal coordinates. From the above, a motion model in discrete time was derived.
次に、設定器22は、運動モデル制御器14が設定した運動モデルに基づいて、状態遷移行列、駆動雑音の誤差共分散行列および蛇行周波数を計算し、予測器23に出力する。
Next, the
予測器23は、平滑諸元メモリ21が記憶している混合平滑値と混合平滑誤差共分散行列を読み出し、これらの値と設定器22が算出した状態遷移行列、駆動雑音の誤差共分散行列および蛇行周波数とに基づいて、現在の運動モデルの予測ベクトルx^k,a(−)と予測誤差共分散行列P k,a(−)を式(30)と式(31)に基づいて算出する。なお、ここでx^の右肩添字^は、数式表現上は、xの真上添字で表される。また添字aは運動モデルaについての状態変数であることを示すものである。
なお、平滑諸元メモリ21は、初期状態では混合平滑値と混合平滑誤差共分散行列の初期値を記憶しており、また定常状態(少なくとも1サンプル以上の観測値を処理した状態)では、前回サンプルの混合平滑値と混合平滑誤差共分散行列を記憶している。ここで求められた予測ベクトルと予測誤差共分散行列は、予測諸元統合器11、平滑器24、尤度算出器27にそれぞれ出力される。
The smoothing
次に、事前確率算出器26は確率メモリ25から前回サンプル時の事後確率を読み出して、式(32)によって今回サンプルの事前確率Pr[Ψk,a|Zk-1]を算出して、予測諸元統合器11と尤度算出器27に出力する。
続いて、予測諸元統合器11は、運動諸元予測器15−1〜15−Nの予測器23と事前確率算出器26とがそれぞれ算出した各運動モデルについての運動諸元予測値と、予測誤差共分散行列、事前確率を取得して、各運動モデルの仮説ごとの予測ベクトル及び予測誤差共分散行列を統合し、1サンプリング前までの観測値に基づく統合予測ベクトルx^k(−)と統合予測誤差共分散行列Pk(−)とを、式(33)と式(34)によって計算し、これらをゲート判定器10に出力する。
次にゲート判定器10は、図示せぬセンサが取得した観測値から極端に観測精度の悪いデータを除外するために、統合予測ベクトルx^k(−)と統合予測誤差共分散行列Pk(−)から、残差2次形式を用いて観測値が有効なデータであるかどうかの判定を行う。ゲート判定器10により観測値が有効なデータであると判定された場合、ゲート判定器10は尤度算出器27と平滑器24にkサンプル目の観測値z kを出力する。
Next, the
尤度算出器27は、kサンプル目の観測値z kを取得すると、事前確率算出器26が算出した今回サンプルの事前確率Pr[Ψk,a|Zk-1]と、予測ベクトルx^k,a(−)と予測誤差共分散行列P k,a(−)を用いて、式(35)より運動モデルの尤度を算出し、事後確率算出器28とモデル尤度集計器17に出力する。
次に、モデル尤度集計器17は、運動諸元予測器15−1〜15−Nが算出した各運動モデルの尤度を合計して尤度合計値を求め、運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれの事後確率算出器28に出力する。事後確率算出器28は、式(36)によって事後確率を計算して、平滑諸元統合器12、混合平滑器16に出力するとともに、確率メモリ25に記憶させる。
一方、平滑器24は、予測器23が算出した予測ベクトルx^k.a(−)と予測誤差共分散行列P k,a(−)から、現在の運動モデルの平滑ベクトルと平滑誤差共分散行列およびカルマンゲインを、式(37)、式(38)、式(39)により計算し、平滑諸元統合器12と混合平滑器16に出力する。
次に混合平滑器16は、運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれの平滑器24が算出した平滑ベクトルと平滑誤差共分散行列、そして運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれの事後確率算出器28が算出した事後確率から、式(40)と式(41)に基づいてk−1サンプル目の混合平滑ベクトルx^k-1,mix(+)および混合平滑誤差共分散行列P k-1,mix(+)を計算し、運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれの平滑諸元メモリ21に記憶させる。
k−1サンプル目の混合平滑ベクトルおよび混合平滑誤差共分散行列は、kサンプル目のループにおける予測ベクトルや予測誤差共分散行列の算出に供される。このように、混合平滑器16が、運動モデルa以外の運動モデルbの平滑値を用いて、運動モデルaによるk−1サンプル目の平滑値を調整し、この平滑値に基づいて運動モデルaによるkサンプル目の予測値や平滑値を算出するようにすることで、他の運動モデルにおける予測処理の尤度を運動モデルaの予測処理に反映して、運動モデルaによる予測処理の適正化を図ることができるのである。ただし、このような処理は必須ではなく、平滑器24が算出した平滑ベクトルおよび平滑誤差共分散行列を直接平滑諸元メモリに書き込む構成を採ってもよい。 The k-1 sample mixed smooth vector and the mixed smoothing error covariance matrix are used to calculate a prediction vector and a prediction error covariance matrix in the k sample loop. In this way, the mixing smoother 16 adjusts the smooth value of the (k−1) th sample by the motion model a using the smooth value of the motion model b other than the motion model a, and the motion model a is based on this smooth value. By calculating the prediction value and smooth value of the k-th sample according to, the likelihood of the prediction process in the other motion model is reflected in the prediction process of the motion model a, and the prediction process by the motion model a is optimized. Can be achieved. However, such processing is not essential, and a configuration may be adopted in which the smoothing vector and smoothing error covariance matrix calculated by the smoother 24 are directly written in the smoothing specification memory.
平滑諸元統合器12は、運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれの運動モデルについて平滑ベクトルと平滑誤差共分散行列、および事後確率を取得して、式(43)にしたがって統合平滑ベクトルと統合平滑誤差共分散行列とを算出する。
さらに、平滑諸元統合器12は、運動諸元予測器15−1〜15−Nの事後確率算出器28が算出した事後確率と各運動モデルにおいて定数として与えられている蛇行周波数を用いて、式(45)から蛇行周波数推定値を算出するようにしてもよい。
統合平滑ベクトルx^k(+)と統合平滑誤差共分散行列P k(+)は、ジャーク項の推定を行わないために、すでに十分な推定精度を確保している。したがって、これらの値をこの発明の実施の形態1による目標追尾装置の出力値としてもよい。目標の追尾を維持し、1サンプル先に追尾目標がどの位置に移動するか予測して、レーダのビームを照射する用途においては、統合平滑ベクトルx^k(+)と統合平滑誤差共分散行列Pk(+)を出力値とすれば十分である。 The integrated smooth vector x ^ k (+) and the integrated smooth error covariance matrix P k (+) do not perform estimation of the jerk term, so that sufficient estimation accuracy is already secured. Therefore, these values may be output values of the target tracking device according to the first embodiment of the present invention. In applications where the tracking of the target is maintained and the tracking target is moved to one sample ahead and the radar beam is irradiated, the integrated smoothing vector x ^ k (+) and the integrated smoothing error covariance matrix It is sufficient to use Pk (+) as the output value.
しかし、ここではさらに、未来位置予測器18を設けることによって、Kサンプル後の位置を予測して追尾目標との衝突を回避したり、Kサンプル後の追尾目標の予測位置に誘導物(例えば飛翔体など)を誘導する用途に用いることができるようにする。すなわち、この目標追尾装置は、等速直線運動成分と正弦運動成分とを有する運動モデルに基づいて目標追尾を行うので、条件によって追尾目標が蛇行運動の中心軸上に存在するものと仮定して目標追尾を行ったり、蛇行軌跡上に存在するものと仮定して目標追尾を行うことができるのである。
However, the
そのために、例えば所定の点と追尾目標とが離れている場合、すなわち所定の点と追尾目標との距離が一定値以上の場合に、蛇行軌跡の中心軸上の点を追尾目標の予測位置とする。こうすることで、航空機の場合であれば、現在の飛行を維持して時間や燃料のロスを抑えながら、衝突回避することができる。具体的には次のようにする。すなわち、追尾目標の状態変数は式(23)で与えられるように正弦運動成分x1と等速直線運動成分x2とを有しており、このことから、追尾目標のkサンプル目の平滑位置x^tgt,k(+)は式(46)で表しうる。
所定の点と追尾目標との距離が一定値以上の場合は、追尾目標のKサンプル後の予測位置を蛇行軌跡の中心軸上の点とするので、x−y平面上の2次元追尾において追尾目標のKサンプル後の予測位置(x^c,k+K(−)、y^c,k+K(−))は、正弦運動成分を無視することにより、式(47)〜式(49)によって与えられる。
一方、所定の点と追尾目標とが近接している場合、すなわち所定の点と追尾目標との距離が一定値未満の場合には、追尾目標の未来位置を蛇行軸上の点として算出するよりも、
、蛇行軌跡上の点として算出した方が望ましい。これは、例えば所定の点が追尾目標の運動の障害物である場合に、衝突の危険性を予見するために、より詳細な追尾目標の予測航跡が必要となるからである。たとえば追尾目標が他の航空機や船舶であり、所定の点が自航空機や自船舶の場合、衝突の危険性を予測し、衝突回避を図る場合に有用となる。
On the other hand, when the predetermined point and the tracking target are close to each other, that is, when the distance between the predetermined point and the tracking target is less than a certain value, the future position of the tracking target is calculated as a point on the meandering axis. Also,
It is desirable to calculate as a point on a meandering locus. This is because, for example, when a predetermined point is an obstacle to the movement of the tracking target, a more detailed tracking track of the tracking target is required to predict the danger of collision. For example, when the tracking target is another aircraft or ship and the predetermined point is the own aircraft or own ship, this is useful for predicting the risk of collision and avoiding the collision.
このような場合には、Kサンプル後まで追尾目標の蛇行周波数、最大加速度が一定であると仮定し、蛇行軌跡上に存在する未来位置の予測値(x^w,k+K(−),y^w,k+K(−))を式(50)によって算出する。
また、φk,x及びφk,yはkサンプル目の正弦関数の位相であって、式(51)より算出する。
Φ k, x and φ k, y are the phases of the sine function of the k-th sample , and are calculated from equation (51).
以上から明らかなように、この発明の実施の形態1の目標追尾装置によれば、正弦運動成分と等速直線運動成分とを有する運動モデルに基づいて目標追尾を行うこととしたので、蛇行運動を行う追尾目標の追尾処理を精度よく予測することができる。 As is clear from the above, according to the target tracking device of the first embodiment of the present invention, the target tracking is performed based on the motion model having the sine motion component and the constant velocity linear motion component. It is possible to accurately predict the tracking process of the tracking target to be performed.
実施の形態2.
Paul Zarchan "Tactical and Strategic Missile Guidance Third Edition" Volume 176, American Institute of Aeronautics and Astronauticsn, Inc.. p.12〜p.29 p.433〜p.439では、波状蛇行目標の運動として、速度ベクトルに対して垂直方向に正弦関数により表現される加速度が加えられるモデルが検討されている。そこで、図4のように(vx,vy)を成分とする2次元の速度ベクトルにより移動する追尾目標を考えることにする。ここで図のように、tanθ=vy/vxとし、またベクトル(vx,vy)と垂直をなす大きさaの加速度ベクトルが作用しているものとする。さらに速度ベクトル(vx,vy)の大きさは一定であるものとする。
Paul Zarchan "Tactical and Strategic Missile Guidance Third Edition" Volume 176, American Institute of Aeronautics and Astronauticsn, Inc..p.12 ~ p.29 p.433 ~ p.439 On the other hand, a model in which an acceleration expressed by a sine function is applied in the vertical direction has been studied. Therefore, let us consider a tracking target that moves by a two-dimensional velocity vector having (v x , v y ) as components as shown in FIG. Here, as shown in the figure, it is assumed that tan θ = v y / v x and an acceleration vector having a magnitude “a” perpendicular to the vector (v x , v y ) is acting. Further, the magnitude of the velocity vector (v x , v y ) is assumed to be constant.
この場合、加速度ベクトルの成分を(ax(t),ay(t))とすると、
ax(t)=−nt cosωt sinθ(t)
ay(t)=−nt cosωt cosθ(t)
で与えられる。ただしntは最大振幅である。速度ベクトルを時間の関数とみなした場合の成分(vx(t),vy(t))は、図4におけるθの定義から、
vx(t)=v cosθ(t)
vy(t)=v sinθ(t)
となるから、これらの式を時間tについて微分すると、
ax(t)=vx'(t)=−v sinθ(t)・θ'(t)
ay(t)=vy'(t)=−v cosθ(t)・θ'(t)
となる。よって、θ(t)の時間tによる一階微分値θ'(t)は、式(53)によって与えられる。
a x (t) = − n t cos ωt sin θ (t)
a y (t) = − n t cos ωt cos θ (t)
Given in. Where n t is the maximum amplitude. The components (v x (t), v y (t)) when the velocity vector is regarded as a function of time are derived from the definition of θ in FIG.
v x (t) = v cos θ (t)
v y (t) = v sin θ (t)
Therefore, when these equations are differentiated with respect to time t,
a x (t) = v x '(t) = − v sin θ (t) · θ ′ (t)
a y (t) = v y ′ (t) = − v cos θ (t) · θ ′ (t)
It becomes. Therefore, the first-order differential value θ ′ (t) of θ (t) with respect to time t is given by Expression (53).
式(53)を時間tで積分することにより、角度θ(t)は、
式(54)から角度θ(t)とvx、vyとの時間変化の関係を理解する上では、これ以上フーリエ級数等により展開するよりも、図5に示した概念図で各変数の関係を把握した方が容易である。図において、上段のグラフはθ(t)の時間変化の様子を表したものであり、中段のグラフはvxの時間変化、下段のグラフはvyの時間変化を表したものである。中段と下段のグラフを対比すれば明らかなように、x軸方向の速度変化はy軸方向の2倍高調波となっている。これは、速度ベクトルが加速度の変化により図4の上下方向に振れる場合に、vy(t)が速度0を中心に増減を繰り返す間にvx(t)はvy(t)の2倍の周波数で変動するためである。 From the equation (54), in understanding the relationship between the angle θ (t) and the time variation of v x , v y , rather than further expansion by the Fourier series or the like, the concept of FIG. It is easier to understand the relationship. In the figure, the upper graph is a representation of how the time variation of theta (t), the middle graph shows the time variation of v x, lower graph illustrates a time variation of v y. As is clear from comparison between the middle and lower graphs, the speed change in the x-axis direction is a second harmonic in the y-axis direction. This is because when the velocity vector swings in the vertical direction in FIG. 4 by a change in the acceleration, double v x (t) is v y (t) while the v y (t) is repeatedly increases and decreases around the zero speed This is because it fluctuates at a frequency of.
以上より、加速度の蛇行周波数をωとした場合に、波状蛇行目標の速度変動はωと2ωの2つの周波数による正弦運動成分を有することがわかる。蛇行周波数2ωの正弦運動成分は、進行方向についての位置の変動を与えるものであるため、蛇行周期が短い場合にはその振幅を無視しても影響は小さい。しかし蛇行周期が長くなると、振幅も増大するので影響が無視できなくなり、蛇行周波数2ωの正弦運動成分を有する運動モデルが必要となる。この発明の実施の形態2による目標追尾装置は、かかる運動モデルにより運動する追尾目標を追尾することを想定したものであり、蛇行周波数2ωの正弦運動成分を有する運動モデルを用いることを特徴を有するものである。 From the above, it is understood that when the acceleration meander frequency is ω, the speed fluctuation of the wavy meander target has a sine motion component due to two frequencies ω and 2ω. Since the sinusoidal motion component of the meandering frequency 2ω gives a change in position in the traveling direction, the influence is small even if the amplitude is ignored when the meandering period is short. However, if the meandering cycle becomes longer, the amplitude also increases, so the influence cannot be ignored, and a motion model having a sinusoidal motion component with a meandering frequency of 2ω is required. The target tracking device according to the second embodiment of the present invention is supposed to track a tracking target that moves by such a motion model, and uses a motion model having a sinusoidal motion component of a meandering frequency 2ω. Is.
この発明の実施の形態2による目標追尾装置の構成を示すブロック図としては実施の形態1と同様に図1を用いるが、この発明の実施の形態2による目標追尾装置は、実施の形態1とは運動モデルが異なるのみであるので、各構成要素の構成については説明を省略する。 As a block diagram showing the configuration of the target tracking device according to the second embodiment of the present invention, FIG. 1 is used similarly to the first embodiment, but the target tracking device according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment. Since only the motion model is different, the description of the configuration of each component is omitted.
次に、この発明の実施の形態2による目標追尾装置の動作について説明する。この発明の実施の形態2による目標追尾装置においても、実施の形態1と同様の初期処理を行い、運動モデル制御器14は運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれの設定器22に運動モデルを設定する。すでに述べたとおり、この目標追尾装置は、蛇行周波数2ωの正弦運動成分を有する運動モデルを用いる。この運動モデルは式(56)によって表される。
次に、実施の形態1と同様に、この発明の実施の形態2においても、式(56)〜式(59)から離散時間における運動モデルを導出する。式(56)〜式(59)を微分方程式として表すと、式(60)〜式(62)のようになる。
式(63)〜式(71)を1つにまとめることにより、次の連続微分方程式が得られる。
w(t)は各成分における駆動雑音であり、式(77)〜式(79)の性質を満たす連続時間の白色雑音過程である。
一方、連続時間における追尾目標の観測方程式は、式(80)及び式(81)によって与えられる。
式(63)から式(81)を離散時間のブロック線図で表すと、例えば図6のようになる。図6において、実施の形態1のブロック線図(図3)と同じ符号又は変数を付している部分については図3と同じであるので説明を省略する。ysin2は蛇行周波数2ωの正弦運動成分における追尾目標の位置を表している。この図から分かるように、実施の形態1と同様に加速度及びジャーク項を推定する処理は不要であり、また等速直線運動成分の推定値(位置および速度)を用いることで、Kサンプル後の追尾目標の位置を、蛇行軌跡の中心軸上に推定することが可能となる。 Expressions (63) to (81) are represented by a discrete-time block diagram as shown in FIG. 6, for example. In FIG. 6, the same reference numerals or variables as those in the block diagram (FIG. 3) of the first embodiment are the same as those in FIG. y sin2 represents the position of the tracking target in the sine motion component of the meandering frequency 2ω. As can be seen from this figure, the processing for estimating the acceleration and jerk terms is unnecessary as in the first embodiment, and by using the estimated values (position and velocity) of the constant velocity linear motion component, The position of the tracking target can be estimated on the central axis of the meandering locus.
kサンプル目の離散時間における運動モデルは、式(60)〜式(62)の微分方程式の解を求めることで、
また式(80)と式(81)の観測方程式を離散時間で表現すると、
続いて運動諸元予測器15−1〜15−Nは、実施の形態1と同様にカルマンフィルタによる追尾処理を実行する。また予測諸元統合器11、平滑諸元統合器12、統合平滑値メモリ13、運動モデル制御器14、混合平滑器16、モデル尤度集計器17は、運動諸元予測器15−1〜15−Nが算出する予測ベクトルや予測誤差共分散行列、平滑ベクトル、平滑誤差共分散行列、事前確率、尤度、事後確率の調整、重み付けを行うという点についても、実施の形態1と同様である。
Subsequently, the motion specification predictors 15-1 to 15-N execute the tracking process using the Kalman filter as in the first embodiment. The
次に、未来位置予測器18は、所定の点と追尾目標が一定値以上離れている場合に、蛇行軌跡の中心軸上の点を追尾目標の予測位置とし、また所定の点と追尾目標との距離が一定値未満の場合に、蛇行軌跡上の点を追尾目標の予測位置とする。実施の形態2による運動モデルを用いれば、追尾目標のkサンプル目の平滑位置x^tgt,k(+)は式(89)で表される。
所定の点と追尾目標との距離が一定値以上の場合は、x−y平面上の2次元追尾において追尾目標のKサンプル後の予測位置(x^c,k+K(−)、y^c,k+K(−))は、実施の形態1と同様に正弦運動成分を無視することにより、式(91)〜式(93)によって与えられる。
所定の点と追尾目標との距離が一定値未満の場合は、x−y平面上の2次元追尾において追尾目標のKサンプル後の予測位置(x^w,k+K(−)、y^w,k+K(−))は、式(94)によって算出する。
以上から明らかなように、この発明の実施の形態2の目標追尾装置によれば、正弦運動成分(蛇行周波数ω)と等速直線運動成分に加えて、蛇行周波数2ωの正弦運動成分を有する運動モデルに基づいて目標追尾を行うこととしたので、波状蛇行運動を行う追尾目標の追尾処理を精度よく予測することができる。 As apparent from the above, according to the target tracking device of the second embodiment of the present invention, in addition to the sine motion component (meander frequency ω) and the constant velocity linear motion component, the motion having the sine motion component of the meander frequency 2ω. Since the target tracking is performed based on the model, it is possible to accurately predict the tracking process of the tracking target that performs the wavy meandering motion.
なお、実施の形態2による目標追尾装置においても、未来位置予測器18を経ずに、平滑諸元統合器12の出力をこの目標追尾装置の出力とする構成を採ってもよい。この目標追尾装置は、正弦運動成分(蛇行周波数ω)と等速直線運動成分と蛇行周波数2ωの正弦運動成分をも合わせ持つ運動モデルに基づいて追尾処理を行うことで、波状蛇行運動を精度よく追尾できるという特徴を有するものであり、平滑諸元統合器12が統合平滑値を出力する段階でも、すでにその効果が確保されているのである。
Note that the target tracking device according to the second embodiment may adopt a configuration in which the output of the smoothing
実施の形態3.
実施の形態1及び2による目標追尾装置においては、3次元追尾を行う場合に、運動モデル制御器14が、各軸に対応するように運動モデルを運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれの設定器22に設定していた。しかし、蛇行目標の中心軸の傾きと切片を状態変数ベクトルの成分に含めて、x軸から蛇行中心軸へ座標変換することにより、蛇行目標の運動諸元を推定して、未来位置予測を行うようにしてもよい。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。
In the target tracking device according to the first and second embodiments, when performing three-dimensional tracking, the
この発明の実施の形態3による目標追尾装置の構成は、実施の形態1と同様に図1のブロック図によって示される。実施の形態3による目標追尾装置の運動諸元予測器15−1〜15−Nは、非線形運動モデルから導出される拡張カルマンフィルタによって追尾処理を行う点で、実施の形態1とは異なるものである。しかしその他の点については、実施の形態1と同様であるので、構成については説明を省略することとする。 The configuration of the target tracking device according to the third embodiment of the present invention is shown in the block diagram of FIG. 1 as in the first embodiment. The motion specification predictors 15-1 to 15-N of the target tracking device according to the third embodiment are different from the first embodiment in that tracking processing is performed by an extended Kalman filter derived from a nonlinear motion model. . However, since the other points are the same as those of the first embodiment, description of the configuration will be omitted.
次にこの発明の実施の形態3による目標追尾装置の動作について説明する。ここでも、実施の形態1と同様の初期処理を行い、運動モデル制御器14によって運動諸元予測器15−1〜15−Nのそれぞれの設定器22に運動モデルが設定される。ここで、蛇行目標がx軸に対して傾きθ(t)、切片ρ(t)の蛇行軸上を移動しているとした場合、蛇行中心軸に対して垂直方向の位置時間変動(中心軸に対する揺動成分)を正弦関数により表現すると、運動モデルの連続微分方程式は、式(98)〜式(102)によって与えられる。
w(t)は駆動雑音であって、式(103)、式(104)を満たす連続時間の白色雑音過程である。
一方、連続時間における追尾目標の観測方程式は、式(105)、式(106)によって与えられる。
上記連続微分方程式において、サンプリング周期をT、サンプリング時刻t=kT(k=0,1,2,…)におけるx(t)の値をx kとすると、式(107)の離散時間運動モデルが導かれる。
ここで、式(107)の状態変数ベクトルx k及び状態遷移行列Φは、以下の式により得られる。
Here, the state variable vector x k and the state transition matrix Φ in Expression (107) are obtained by the following expressions.
式(110)のw kは、4次元の離散時間白色雑音系列であって、以下の性質を有する。
式(107)の運動方程式は目標がx軸上を移動していると仮定しているため、状態変数ベクトルx kをx軸方向へ角度−θ回転させた後、切片ρを差し引いた場合、以下の式が得られる。
式(113)から、
また、式(105)による観測方程式を離散時間で表すと
以上の運動方程式と観測方程式とをもとに、この発明の実施の形態3による目標追尾装置で使用する拡張カルマンフィルタを導出する。時刻kにおける各運動モデルの予測ベクトル及び予測誤差共分散行列は、
次に平滑器24は、平滑ベクトルと平滑誤差共分散行列、カルマンゲインを算出する。平滑値、平滑誤差共分散行列およびカルマンゲインはそれぞれ、
以上のようにして、平滑器24が算出した平滑値を実施の形態3による目標追尾装置の出力値としてもよいが、実施の形態1および2と同様に未来位置予測器18を用いて、追尾目標が蛇行軌跡の中心軸上、または蛇行軌跡上に存在すると仮定して、Kサンプル後の位置を算出する。まず、蛇行軌跡の中心軸上に存在すると仮定した場合、x−y平面上の2次元追尾において追尾目標のKサンプル後の予測位置(x^c,k+K(−)、y^c,k+K(−))は、正弦運動成分を無視することにより、式(123)〜式(126)によって与えられる。
また、追尾目標が蛇行軌跡上に存在すると仮定した場合、Kサンプル後の未来位置の予測値(x^c,k+K(−)、y^c,k+K(−))は、式(127)で与えられる。
以上から明らかなように、この発明の実施の形態3による目標追尾装置によれば、拡張カルマンフィルタを用いることで、実施の形態1及び2のように各座標軸ごとにフィルタを独立して動作させなくても、各軸の観測雑音等の相関を考慮した3次元追尾や未来位置予測が可能となる。 As is clear from the above, according to the target tracking device according to the third embodiment of the present invention, by using the extended Kalman filter, the filter is not operated independently for each coordinate axis as in the first and second embodiments. However, it is possible to perform three-dimensional tracking and future position prediction in consideration of the correlation of observation noise and the like of each axis.
実施の形態4.
実施の形態1乃至3の目標追尾装置は、等速直線運動成分と正弦運動成分とを有する運動モデルに基づいているが、等速直線運動モデルのみに基づいて追尾処理を行う専用の運動諸元予測器を新たに設け、この運動諸元予測器の算出する平滑値の信頼度が所定値以上の場合に、運動諸元予測器15−1〜15−Nの動作を停止させたり、計算結果を使用しないようにしてもよい。実施の形態4による目標追尾装置は、かかる特徴を有するものである。
Although the target tracking device of the first to third embodiments is based on a motion model having a constant velocity linear motion component and a sine motion component, a dedicated motion specification for performing tracking processing based only on the constant velocity linear motion model. A predictor is newly provided, and when the reliability of the smooth value calculated by the motion specification predictor is equal to or higher than a predetermined value, the motion specification predictors 15-1 to 15-N are stopped or the calculation result is obtained. May not be used. The target tracking device according to the fourth embodiment has such a feature.
図8は、この発明の実施の形態4によ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、等速直線運動諸元予測器19は、等速直線運動モデルに基づいて追尾処理を行う部位である。等速直線運動諸元予測器19による追尾処理の結果(予測値と平滑値)は予測諸元統合器11と平滑諸元統合器12、そして混合平滑器16にそれぞれ出力されるようになっている。
FIG. 8 is a block diagram showing the structure of the target tracking device according to
また信頼度判定器20は、等速直線運動諸元予測器19及びその他の運動諸元予測器の算出する事後確率に基づいて信頼度判定を行う部位である。その他、図1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が、運動諸元予測器15−1〜15−Nが算出する事後確率が信頼度判定器20にも出力される点、および信頼度判定器による判定結果が平滑諸元統合器12に出力されるようになっている点が実施の形態1とは相違している。
The reliability determination unit 20 is a part that performs reliability determination based on the posterior probabilities calculated by the constant velocity linear motion specification predictor 19 and other motion specification predictors. The other components having the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those in the first embodiment and will not be described. However, the posterior probabilities calculated by the motion specification predictors 15-1 to 15-N are reliable. The second embodiment is different from the first embodiment in that it is also output to the degree determiner 20 and the determination result by the reliability determiner is output to the smoothing
次に、この発明の実施の形態4による目標追尾装置の運動諸元予測器15−1〜15−Nおよび等速直線運動諸元予測器19の詳細な構成について説明する。ここで、運動諸元予測器15−1〜15−Nと等速直線運動諸元予測器19とは、依拠する運動モデルが異なっているのみであって、構成要素については同様であるので、運動諸元予測器15−1を代表して説明する。図9は、この発明の実施の形態4による目標追尾装置の運動諸元予測器15−1の詳細な構成を示すブロック図である。
Next, detailed configurations of the motion specification predictors 15-1 to 15-N and the constant velocity linear motion specification predictor 19 of the target tracking device according to
図において、事後確率算出器28は、実施の形態1と同様に事後確率を算出するが、ここで計算された事後確率は、平滑諸元統合器12、混合平滑器16、確率メモリ25に加えて、信頼度判定器20にも出力されるようになっている。その他、図2と同じ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。
In the figure, the
次に、この発明の実施の形態4による目標追尾装置の動作について説明する。運動諸元予測器15−1〜15−Nの動作については、実施の形態1と同様であり、さらに等速直線運動諸元予測器19については、等速直線運動モデルに基づくカルマンフィルタを用いた目標追尾装置がすでに公知であるので、説明を省略する。ここでは、実施の形態1と同様の処理によって、各運動諸元予測器(等速直線運動諸元予測器19を含む)によって事後確率が算出されたものとし、その事後確率を信頼度として、信頼度判定器20が、等速直線運動諸元予測器19の出力を採用するか否かを判断する。
Next, the operation of the target tracking device according to
例えば、等速直線運動諸元予測器19が算出した事後確率をμk,1(+)とした場合に、Mサンプル間(Mは自然数であって、望ましくは2以上の整数とする)、継続的にしきい値dμを上回る場合には、等速直線運動諸元予測器19の出力した予測値と平滑値を、この目標追尾装置の出力として採用する。ここで、しきい値dμを一定値としてもよいし、運動諸元予測器15−1〜15−Nの算出する事後確率に基づいて算出するようにしてもよい。 For example, when the a posteriori probability calculated by the constant velocity linear motion specification predictor 19 is μ k, 1 (+), between M samples (M is a natural number, preferably an integer of 2 or more), When continuously exceeding the threshold value dμ , the predicted value and smooth value output from the constant velocity linear motion specification predictor 19 are adopted as the output of the target tracking device. Here, to the threshold d mu may be constant value, it may be calculated based on the posterior probability calculating motion specifications predictor 151 to 15-N.
この場合、予測諸元統合器11は、運動諸元予測器15−1〜15−Nの予測値の算出処理完了を待たずに、等速直線運動諸元予測器19の予測値を取得し次第、動作を開始するようにする。また、平滑諸元統合器12は、運動諸元予測器15−1〜15−Nの平滑値の出力完了を待たずに、等速直線運動諸元予測器19が平滑値を算出し次第、平滑値の出力や未来位置予測処理を開始するようにする。こうすることにより、運動諸元予測器15−1〜15−Nの計算処理の待機に要する時間が不要となるので、目標追尾装置全体のスループットが向上する。さらに、このことからサンプル時間を短縮できるので、多くの観測値を処理できるようになり、予測精度が向上する。
In this case, the
また、等速直線運動諸元予測器19の出力結果を採用する条件が満たされた場合に、運動諸元予測器15−1〜15−Nの動作を停止するような制御を行ってもよい。こうすることによって、例えば運動諸元予測器の個数よりも少ない数の中央演算装置を用いて時分割により複数の運動モデルに基づく追尾処理を行う構成としている場合には、中央演算装置の負荷を軽減できる。 Moreover, when the conditions for employing the output result of the constant velocity linear motion specification predictor 19 are satisfied, control may be performed to stop the operation of the motion specification predictors 15-1 to 15-N. . By doing so, for example, when the tracking processing based on a plurality of motion models is performed by time division using a smaller number of central processing units than the number of motion specification predictors, the load on the central processing unit is reduced. Can be reduced.
なお、実施の形態4において、運動諸元予測器15−1〜15−Nに割り当てる運動モデルとして、実施の形態2で用いた蛇行周波数ωと2ωの2つの正弦運動成分を有する運動モデルを用いてもよい。 In the fourth embodiment, a motion model having two sinusoidal motion components of meandering frequencies ω and 2ω used in the second embodiment is used as a motion model assigned to the motion specification predictors 15-1 to 15-N. May be.
また、実施の形態4において、実施の形態3で用いた拡張カルマンフィルタを用いてもよいことはいうまでもない。 Needless to say, in the fourth embodiment, the extended Kalman filter used in the third embodiment may be used.
実施の形態5.
実施の形態4では、等速直線運動モデルを用いて追尾処理を行う等速直線運動諸元予測器19の信頼度に基づいて、運動諸元予測器15−1〜15−Nの処理を省略することとした。しかしこの他にも、蛇行運動を行う追尾目標の最大振幅が所定値以下の場合に、運動諸元予測器15−1〜15−Nの処理を省略して、等速直線運動諸元予測器19の出力値を採用するようにしてもよい。この発明の実施の形態5による目標追尾装置は、かかる特徴を有するものである。
In the fourth embodiment, the processing of the motion specification predictors 15-1 to 15-N is omitted based on the reliability of the constant velocity linear motion specification predictor 19 that performs the tracking process using the constant speed linear motion model. It was decided to. However, in addition to this, when the maximum amplitude of the tracking target that performs the meandering motion is equal to or smaller than a predetermined value, the processing of the motion specification predictors 15-1 to 15-N is omitted, and the constant velocity linear motion specification predictor. You may make it employ | adopt 19 output values. The target tracking device according to
図10は、この発明の実施の形態5による目標追尾装置の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5による目標追尾装置は、実施の形態4における信頼度判定器20を廃し、それに替えて振幅判定器31を設けたものである。振幅判定器31は、平滑諸元統合器12が算出した統合平滑値のうちの蛇行軌跡の最大振幅が所定値以下か否かを判定する部位である。平滑諸元統合器12は、振幅判定器31が蛇行軌跡の最大振幅が所定値以下と判断した場合に、等速直線運動諸元予測器19の算出した平滑値を統合平滑値として採用するようになっている。
FIG. 10 is a block diagram showing the structure of the target tracking device according to
次に、この発明の実施の形態5による目標追尾装置の動作について説明する。実施の形態5においても、運動諸元予測器15−1〜15−Nにおける平滑値の算出および事後確率の算出は、実施の形態4と同様なので説明を省略する。平滑諸元統合器12は、運動諸元予測器15−1〜15−Nの算出した平滑値から、例えば式(45)などを用いて、統合推定値の最大振幅を算出すると、この値を振幅判定器31に出力する。
Next, the operation of the target tracking device according to the fifth embodiment of the present invention will be described. Also in the fifth embodiment, the calculation of the smooth value and the calculation of the posterior probability in the motion specification predictors 15-1 to 15-N are the same as those in the fourth embodiment, and thus the description thereof is omitted. When the
振幅判定器31は、例えば以下の条件式をn^p,x(x軸方向の蛇行振幅)、n^p,y(y軸方向の蛇行振幅)が満たすかどうかを判定し、その結果を平滑諸元統合器12に出力する。
平滑諸元統合器12は、振幅判定器31より式(126)を満たすという判定結果を受け取った場合には、実施の形態4と同様に等速直線運動諸元予測器19の算出した平滑値を採用し、運動諸元予測器15−1〜15−Nの算出結果を省略する。またその場合において、実施の形態4と同様に運動諸元予測器15−1〜15−Nの動作を停止するようにしてもよい。
When the
以上から明らかなように、この発明の実施の形態5の目標追尾装置によれば、追尾目標の運動が等速直線運動に近似できる場合には、等速直線運動モデルを採用して、正弦運動成分を有する運動モデルによる追尾処理を省略するので、計算負荷を低減することができるという効果を奏する。 As apparent from the above, according to the target tracking device of the fifth embodiment of the present invention, when the motion of the tracking target can be approximated to the constant velocity linear motion, the constant velocity linear motion model is adopted, and the sine motion Since the tracking process by the motion model having components is omitted, the calculation load can be reduced.
この発明は、例えば航空機や船舶、自動車などの移動体の追尾を行う装置やシステムに適用することができる。 The present invention can be applied to an apparatus or system that tracks a moving body such as an aircraft, a ship, or an automobile.
10 ゲート判定器、
11 予測諸元統合器、
12 平滑諸元統合器、
13 統合平滑値メモリ、
14 運動モデル制御器、
15−1〜15−N 運動諸元予測器、
16 混合平滑器、
17 モデル尤度集計器、
18 未来位置予測器、
19 等速直線運動諸元予測器、
21 平滑諸元メモリ、
22 設定器、
23 予測器、
24 平滑器、
25 確率メモリ、
26 事前確率算出器、
27 尤度算出器、
28 事後確率算出器、
31 振幅判定器。
10 Gate judgment device,
11 Predictive data integration unit,
12 Smoothing specification integrator,
13 Integrated smoothing value memory,
14 motion model controller,
15-1 to 15-N motion specification predictor,
16 mixing smoother,
17 Model likelihood counter,
18 Future position predictor,
19 Constant velocity linear motion specification predictor,
21 Smooth specification memory,
22 Setter,
23 Predictor,
24 smoother,
25 probability memory,
26 Prior probability calculator,
27 Likelihood calculator,
28 posterior probability calculator,
31 Amplitude determiner.
Claims (11)
等速直線運動成分と正弦運動成分とを有する追尾目標の運動モデルに基づいて、前回サンプル時の運動諸元平滑値から今回サンプル時の運動諸元平滑値を算出する運動諸元予測手段
を備えたことを特徴とする目標追尾装置。 In the target tracking device that calculates the motion specification smooth value at the current sample from the motion specification smooth value at the previous sample by a Kalman filter,
Based on the motion model of the tracking target that has a constant velocity linear motion component and a sine motion component, it is equipped with motion specification prediction means that calculates the motion specification smooth value at the current sample from the motion specification smooth value at the previous sample. A target tracking device characterized by that.
ことを特徴とする請求項1に記載の目標追尾装置。 The motion specification prediction means calculates the motion specification smooth value based on the motion model in which the position of the tracking target is represented by the sum of a constant velocity linear motion component and a sine motion component. The target tracking device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の目標追尾装置。 The motion specification prediction means calculates the motion specification smooth value based on the motion model further having a sine motion component having a frequency of 2ω, where ω is the frequency of the sine motion component. The target tracking device according to claim 1 or 2, characterized in that
蛇行軌跡の中心軸に対する揺動成分を正弦運動に近似することにより追尾目標の運動を表現するとともに、前記中心軸の傾き角と切片とを状態変数ベクトルとする運動モデルに基づいて、前回サンプル時の運動諸元平滑値から今回サンプル時の運動諸元平滑値を算出する運動諸元予測手段
を備えたことを特徴とする目標追尾装置。 In the target tracking device that calculates the motion specification smooth value at the current sample from the motion specification smooth value at the previous sample by the extended Kalman filter,
The motion of the tracking target is expressed by approximating the oscillating component of the meandering locus with respect to the central axis to a sine motion, and based on a motion model using the inclination angle and intercept of the central axis as state variable vectors, A target tracking device comprising a motion specification predicting means for calculating a motion specification smooth value at the time of the current sampling from the motion specification smooth value of.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一に記載の目標追尾装置。 5. The motion specification prediction unit calculates the motion specification smooth value based on a plurality of the motion models having different frequencies of sinusoidal motion components. 6. Target tracking device.
を備えたことを特徴とする請求項5に記載の目標追尾装置。 6. The target tracking device according to claim 5, further comprising smooth feature integration means for integrating a plurality of motion specification smooth values calculated for each motion model by the motion specification prediction means.
前記平滑諸元統合手段は、前記モデル信頼度算出手段の算出した信頼度に基づいて前記複数の運動諸元平滑値を統合する
ことを特徴とする請求項6に記載の目標追尾装置。 Model reliability calculation means for calculating the reliability of each of the plurality of motion models used by the motion specification prediction means,
The target tracking device according to claim 6, wherein the smooth specification integration unit integrates the plurality of motion specification smooth values based on the reliability calculated by the model reliability calculation unit.
前記運動諸元予測手段は、今回サンプル時の運動諸元平滑値の算出にあたり、前回サンプル時の運動諸元平滑値に替えて、前記混合平滑手段が調整した運動諸元平滑値を用いる
ことを特徴とする請求項6又は7に記載の目標追尾装置。 A smoothing unit that adjusts the motion specification smooth value calculated by the motion specification prediction unit at the time of the previous sample based on a motion specification smooth value based on another motion model integrated by the smooth specification integration unit;
The exercise specifications predicting means, that in the calculation of the current sample during exercise specifications smoothed value, instead of the exercise specifications smoothed value of the previous sample, using the motion specifications smoothed value the mixed-smoothing means is adjusted The target tracking device according to claim 6 or 7, wherein
前記モデル信頼度算出手段は、前記等速直線運動諸元予測手段が算出した運動諸元平滑値についても信頼度を算出し、
前記平滑諸元統合手段は、前記モデル信頼度算出手段が算出した前記等速直線運動諸元予測手段が算出した運動諸元平滑値に関する信頼度が所定値以上の場合に、前記等速直前運動諸元予測手段が算出した運動諸元平滑値を統合結果とする
ことを特徴とする請求項7記載の目標追尾装置。 A constant velocity linear motion specification predicting means for calculating a smooth motion value of the tracking target based on a constant velocity linear motion model;
The model reliability calculation means calculates the reliability of the motion specification smooth value calculated by the constant velocity linear motion specification prediction means,
The smooth feature integrating means is the motion immediately before the constant velocity when the reliability related to the smooth motion value calculated by the constant velocity linear motion feature predicting means calculated by the model reliability calculating means is a predetermined value or more. 8. The target tracking device according to claim 7, wherein the motion specification smooth value calculated by the specification prediction means is used as an integration result.
前記平滑諸元統合手段は、前記追尾目標の航跡が有する正弦運動成分の振幅が所定値以下の場合に、前記等速直前運動諸元予測手段の運動諸元平滑値を統合結果とする
ことを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一に記載の目標追尾装置。 A constant velocity linear motion specification predicting means for calculating a smooth motion value of the tracking target based on a constant velocity linear motion model;
When the amplitude of the sine motion component included in the track of the tracking target is equal to or less than a predetermined value, the smooth feature integration unit sets the motion specification smooth value of the immediately preceding constant motion specification prediction unit as an integration result. The target tracking device according to any one of claims 6 to 8, wherein the target tracking device is characterized.
今回サンプルの前記追尾目標の位置に前記Kサンプリング間の位置成分時間変位を加えてKサンプリング後の予測位置を算出し、かつ
前記運動諸元平滑値に含まれる等速直線運動による位置成分と前記追尾目標との距離が一定値未満である場合には、前記運動諸元平滑値に含まれる正弦運動の周波数と位相からその正弦運動のKサンプリング後の時間変位を求めて前記Kサンプリング後の予測位置に加えたものを前記Kサンプリング後の予測位置として出力する未来位置予測手段
を備えたことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一に記載の目標追尾装置。 Position between K samplings by multiplying the time displacement of the position component by constant velocity linear motion included in the motion specification smooth value of the current sample calculated by the motion specification prediction means by a sampling interval of K times (K is a natural number). While obtaining the component time displacement,
Calculating the predicted position after K sampling by adding the position component time displacement during the K sampling to the position of the tracking target of the sample this time; and
When the distance between the position component due to the constant velocity linear motion included in the motion specification smooth value and the tracking target is less than a certain value, the frequency and phase of the sine motion included in the motion specification smooth value 2. A future position prediction means for obtaining a time displacement after K sampling of a sine motion and adding the predicted position after the K sampling as a predicted position after the K sampling. 10. The target tracking device according to any one of 10.
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