本文選題：目標(biāo)跟蹤　切入點(diǎn)：空中加油　出處：《北京交通大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：目標(biāo)跟蹤技術(shù)自上世紀(jì)中葉發(fā)展至今,已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、視頻監(jiān)控和導(dǎo)彈攔截等各個領(lǐng)域。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展,利用多個傳感器的融合信息對目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行估計,以提高目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的實時性和準(zhǔn)確性,獲得單一傳感器無法達(dá)到的跟蹤性能,已經(jīng)成為目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域研究和關(guān)注的重點(diǎn)。本文以新一代空中加油技術(shù)——全自主式空中加油作為應(yīng)用背景,研究了該項技術(shù)中的關(guān)鍵部分之一:多傳感器目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。在非接觸、高精度、高實時性等要求下,利用異類傳感器系統(tǒng)的信息互補(bǔ)優(yōu)勢,有效地解決目標(biāo)跟蹤過程中的時空配準(zhǔn)、信息時滯、估計相關(guān)等問題,最終完成對異類傳感器目標(biāo)跟蹤方法的研究。具體而言,本文的主要工作如下:(1)針對空中加油過程中對目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的要求與限制,提出了基于雙目視覺傳感器和激光測距傳感器相結(jié)合的異類傳感器目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。雙目視覺傳感器進(jìn)行目標(biāo)跟蹤時,沿光軸方向測量精度較差,因此提出了使用一維點(diǎn)激光測距傳感器進(jìn)行測量修正的方案;在修正過程中,激光測距傳感器的測量值受到雙目視覺傳感器提供的方位角和俯仰角的影響,導(dǎo)致其跟蹤誤差增大,通過空間配準(zhǔn)的誤差傳遞分析,驗證了本文提出的異類傳感器目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的可行性。(2)在測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,提出了基于改進(jìn)型Wasserstein距離的野值集合剔除算法。多傳感器系統(tǒng)經(jīng)過內(nèi)插外推準(zhǔn)則的時間配準(zhǔn)后,測量頻率較高的雙目視覺傳感器系統(tǒng)將會損失大量的信息,本文采用了等權(quán)平均數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來提高這些信息的利用率和信噪比;為了在線檢測并修正上述過程中出現(xiàn)的野值,隨后提出了基于改進(jìn)型Wasserstein距離對野值集合進(jìn)行檢測,并通過新息修正得到野值集合的修正權(quán)值,將其代入等權(quán)平均數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)中完成對野值的修正。仿真結(jié)果表明了該算法對系統(tǒng)出現(xiàn)的野值進(jìn)行檢測和修正的準(zhǔn)確性。(3)通過對空中加油過程中目標(biāo)運(yùn)動模型的研究,提出了基于矩形門的混雜系統(tǒng)自適應(yīng)運(yùn)動模型。通過分析受油機(jī)相對于加油機(jī)的運(yùn)動狀態(tài),將其劃分為四個階段:勻速運(yùn)動狀態(tài)、減速運(yùn)動狀態(tài)、靜止?fàn)顟B(tài)和擾動狀態(tài),本文提出使用矩形門的關(guān)聯(lián)門技術(shù),將各個運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)轉(zhuǎn)換以最大程度逼近目標(biāo)的真實運(yùn)動狀態(tài),提高濾波精度。仿真結(jié)果驗證了該模型對系統(tǒng)良好的適應(yīng)性。(4)針對系統(tǒng)的測量常時滯問題,提出了基于UT變換的CISM(Constant-step-lag In-Sequence Measurements)間接更新算法(UT-CISM-IU)。受到二軸轉(zhuǎn)臺機(jī)械性能的限制和兩個傳感器系統(tǒng)測量相關(guān)的影響,激光測距傳感器系統(tǒng)每個周期的測量值總是滯后于當(dāng)前時刻,形成了 CISM問題。CISM屬于OOSM問題之一,本文通過研究OOSM問題的解決方法,結(jié)合多傳感器系統(tǒng)之間的信息互補(bǔ)優(yōu)勢,在UT變換的基礎(chǔ)上,將雙目視覺傳感器在滯后時刻的測量值代入間接更新算法中,獲得了激光測距傳感器系統(tǒng)當(dāng)前時刻的近似估計值;當(dāng)激光測距傳感器的滯后信息到達(dá)融合中心后,結(jié)合UT-A1算法解決了系統(tǒng)的CISM時滯問題。仿真結(jié)果驗驗證了該算法的準(zhǔn)確性,系統(tǒng)的實時性得到明顯改善。(5)在UT-CISM-IU的基礎(chǔ)上,通過對多傳感器估計相關(guān)的融合算法研究,提出了無重置式獨(dú)立修正信息系數(shù)的混合聯(lián)邦Kalman融合算法。由于兩個傳感器系統(tǒng)的測量相關(guān)導(dǎo)致估計相關(guān),使信息融合過程中互協(xié)方差的求取變得困難,本文首先提出了 CI-Kalman對角陣加權(quán)融合算法,雖然該算法解決了互協(xié)方差計算復(fù)雜的問題,但是經(jīng)過多層近似導(dǎo)致融合精度降低,屬于次優(yōu)算法;隨后基于聯(lián)邦Kalman濾波器,對信息系數(shù)進(jìn)行了重新分配,結(jié)合無重置式結(jié)構(gòu)和子濾波器的UT-CISM-IU算法,提出了在去相關(guān)基礎(chǔ)上精度更高的信息融合算法。仿真驗結(jié)果驗證了該算法具有較高的精度和對系統(tǒng)較好的適用性。(6)設(shè)計并建立了異類目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)。對各硬件設(shè)備進(jìn)行了選型并完成了主控軟件的編寫,最后針對本文提出的多種算法進(jìn)行了相應(yīng)的實驗驗證。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果相互印證,說明了本文提出的系統(tǒng)的可行性和算法的準(zhǔn)確性及有效性。本文通過對目標(biāo)跟蹤方法中各要素的研究,解決了野值剔除、運(yùn)動狀態(tài)建模、測量相關(guān)引起的測量常時滯和估計相關(guān)等問題,最終達(dá)到了提高異類傳感器系統(tǒng)跟蹤精度的目的。本文的研究不僅對后續(xù)全自主式空中加油技術(shù)中受油機(jī)受油口的跟蹤研究具有重要的工程意義,而且為機(jī)械工程領(lǐng)域中類似的目標(biāo)跟蹤問題提供了可參考的解決方案,并對目標(biāo)跟蹤和信息融合研究的完善有著一定的學(xué)術(shù)意義。
[Abstract]:In order to improve the real - time performance and accuracy of the target tracking system , the target tracking system based on improved Wasserstein distance is proposed in this paper . This paper proposes a hybrid federated Kalman fusion algorithm based on UT - CISM - IU , which is based on the theory of UT - CISM - IU . ( 6 ) The experimental system of heterogeneous target tracking system is designed and established . The hardware equipment is selected and the main control software is written . Finally , the paper presents the feasibility of the system and the accuracy and validity of the algorithm . The research of this paper not only has important engineering significance for the tracking study of the oil - receiving ports in the follow - up full - autonomous aerial refueling technology , but also provides a reference solution for the similar target tracking problem in the field of mechanical engineering , and has certain academic significance for the perfection of the target tracking and information fusion research .

【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41;TP212

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