基于慣性測量信息的跟蹤脫靶量延時補償技術

祝濤 冷悅

【摘? 要】目前，圖像跟蹤系統(tǒng)對慣性運動信息應用不充分，針對近距離移動目標、大機動環(huán)境等特殊狀態(tài)的跟蹤模型不完善，未能充分挖掘跟蹤系統(tǒng)潛力。論文以光電探測、星體跟蹤等經(jīng)典圖像跟蹤系統(tǒng)為研究對象，將跟蹤穩(wěn)定過程從擾動源角度分解為載體運動隔離與目標移動跟蹤，并從跟蹤手段角度分解為物理伺服跟蹤與圖像數(shù)字跟蹤。建立了一套與上述擾動源對應的工程實用數(shù)學模型，充分發(fā)揮了慣性信息對目標跟蹤的輔助作用。

【Abstract】Nowadays， the inertial motion information was not fully used in image tracking system. The tracking models for special states such as close-range moving targets and large maneuvering environment are not perfect and the potential of tracking system cannot be fully exploited. Taking the classic image tracking system such as photoelectric detection and star tracking as the research object， the tracking stability process is decomposed from the disturbance source to the carrier motion isolation and target motion tracking， and from the tracking means to the physical servo tracking and image digital tracking. A set of practical engineering mathematical model corresponding to the disturbance source is established， which gives full play to the auxiliary role of inertial information in target tracking.

【關鍵詞】圖像跟蹤;慣性信息;擾動源

【Keywords】image tracking; inertial information; disturbance source

【中圖分類號】TP391.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）07-0180-02

1 引言

傳統(tǒng)跟蹤控制方法利用系統(tǒng)自帶的測角微分信息或控制用陀螺信息實現(xiàn)速度環(huán)穩(wěn)定[1]，并通過探測器采集、檢測待跟蹤目標，將脫靶量信息引入伺服位置環(huán)，實現(xiàn)目標持續(xù)跟蹤。跟蹤效果依賴圖像的識別能力與更新頻率，抗擾動能力較差。但在岸基或大型艦船等靜止、低動態(tài)平臺影響不明顯[2]。對于輪式車、飛行器以及高速水面航行器等平臺，跟蹤系統(tǒng)需要在高動態(tài)條件下完成目標圖像穩(wěn)定及檢測[3]。該任務背景下，運載體劇烈角運動以及目標近距離高速位移，會導致目標在圖像中難以清晰成像，降低目標識別率，甚至造成目標丟失[4]。針對上述問題，論文提出了基于慣性運動信息輔助的目標跟蹤控制策略。以探測成像過程中的跟蹤擾動誤差源的分類分析為出發(fā)點，圍繞慣性運動信息如何輔助伺服跟蹤這一問題，開展研究工作。最終實現(xiàn)同等伺服硬件條件下目標跟蹤能力的有效提升，從信息跨界融合的角度深度挖掘了伺服跟蹤性能潛力。

2 跟蹤擾動源分類分析

圖像穩(wěn)定跟蹤的核心功能是通過伺服控制將目標穩(wěn)定在圖像指定區(qū)域內(nèi)，縮小目標脫離靶面坐標系中心的偏移量（以下簡稱脫靶量）[5]。在控制過程中，目標脫靶量主要受到兩類擾動誤差源的影響，上述兩類擾動均會導致觀測目標在載體坐標系下產(chǎn)生高度和方位角變化，進而導致目標偏離靶面坐標系中心[6]。但本質上兩類干擾的形成機制、特點完全不同。

第一類，由設備自身角運動造成，因此，擾動頻率受載體影響分布較寬，但可以被設備自帶的慣性敏感器件完整的敏感到。其影響主要在使用小視場觀察遠距離目標時較大，會導致圖像嚴重晃動。第二類，由設備與目標在垂直光軸方向的相對線運動造成。以低頻擾動形式存在，但只能通過較低頻率的圖像信息獲取，在跟蹤近距離目標時影響較大。

3 物理伺服跟蹤策略分析

可獲取高頻慣性導航信息條件下的控制策略：伺服跟蹤控制策略設計核心是充分利用慣性信息，對伺服系統(tǒng)位置環(huán)給定量進行優(yōu)化，減小延時、降低噪聲、提高頻率，從而實現(xiàn)系統(tǒng)控制穩(wěn)定精度的提升。算法流程如下：

第一，獲取目標矢量在地理坐標系投影。脫靶量更新后，根據(jù)測角信息、慣導姿態(tài)信息換算到地理坐標系。公式如下：

第二，在地理坐標系進行目標預測。脫靶量會受到運載體自身角運動的影響，由于運載體角運動包含較多高頻量，因此，直接對載體坐標系目標矢量Rb、靶面坐標系目標矢量Rs進行預測的精度很差。對載體運動解耦后，可得到的目標在地理系下的矢量Rn，是一個低頻量，可以進行插值預測，進而提高目標脫靶量的更新頻率，優(yōu)化跟蹤系統(tǒng)性能。

目標在地理坐標系的位置矢量可以描述為：

4 圖像數(shù)字跟蹤策略分析

由于其本質是采用多幀圖像進行疊加，一是無法解決一幀圖像積分時間內(nèi)，靶面晃動導致的圖像模糊、拖尾問題;二是在光電系統(tǒng)中，由于目標是移動的，不能長時間積分疊加;三是在光電系統(tǒng)中，該方法可用于提高對外輸出圖像穩(wěn)定性，目標識別過程中應采用原始圖像或采用像素合并，減少圖像處理延時、提高幀頻率。

5 試驗情況

輪式車跑車狀態(tài)為高頻率、強振動環(huán)境，在該運動條件下目標跟蹤難度較大。采用天文導航測星脫靶量分布統(tǒng)計結果對比跟蹤效果如下：

試驗條件：①車速：60～80km/h。②觀測視場：22′×17′。③像素大?。?.1″。分別采用兩套同類系統(tǒng)進行試驗，每次試驗持續(xù)2h，平均抽取1000幀星圖所對應脫靶量進行統(tǒng)計。

試驗結果：

6 結語

論文分析了目標跟蹤控制系統(tǒng)中兩類干擾源的特點，提出了利用高頻率、高精度、微小延時慣性導航信息對平臺運動進行隔離、對目標軌跡進行預測的工程應用模型。介紹了在沒有完整慣性導航信息條件下，利用控制用陀螺信息進行瞄準線穩(wěn)定、圖像穩(wěn)定的方法、特點與不足。最終，通過試驗結果數(shù)據(jù)統(tǒng)計證明，利用慣性信息進行伺服控制優(yōu)化，在相同的伺服硬件條件下，圖像脫靶量穩(wěn)定性可提高約1倍。

需要說明的是，在實際工程應用中，根據(jù)實際工況調(diào)整縮短積分時間;采用binning（像素合并）技術減小圖像處理時間、采用折返鏡技術減小轉動慣量均是提高伺服跟蹤效果的有效方法。

【參考文獻】

【1】陳德毅，柳萬勝，賀東，等.基于三軸光電跟蹤系統(tǒng)的目標捕獲方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（1）：12-19.

【2】付森.非合作空間目標光學捕獲和快速鎖定方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.

【3】李焱.艦載光電設備跟蹤掠海目標的控制[J].光學精密工程，2010，18（4）：935-942.

【4】姬偉，李奇.陀螺穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)非線性特性補償控制[J].電氣傳動，2005，35（7）：31-34.

【5】李文軍，陳濤.光電跟蹤系統(tǒng)噪聲分析及其抑制[J].光學精密工程，2007，15（2）：254-260.

【6】王合龍，朱培申.陀螺穩(wěn)定平臺框架伺服系統(tǒng)變結構控制器的設計和仿真[J].電光與控制，1998（2）：24-29.