[發明專利]基于李雅普諾夫制導向量和粒子濾波的機動目標跟蹤方法

在審

• 申請號: 201711441820.4
• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN108319130A
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 游科友;董斐;張家綺;宋士吉
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明提出的基于李雅普諾夫制導向量和粒子濾波的機動目標跟蹤方法，屬于無人機目標跟蹤領域。當無人機確定待跟蹤的機動目標后，該方法首先對機動目標建立動力學模型；采用粒子濾波方法及光學相機的量測信息，估計機動目標的位置和速度：在每個時刻，分別對每個粒子進行重要性采樣，更新每個粒子的狀態估計和估計方差矩陣以及重要性權值；若粒子有效性小于有效性閾值，則對粒子進行重采樣；若大于等于閾值，則輸出對機動目標的位置和速度估計；然后，利用李雅普諾夫制導向量法進行無人機跟蹤路徑規劃，得到無人機該時刻進行機動目標跟蹤的控制量。本發明可以有效估計具有未知輸入地面機動目標的狀態信息，實現無人機對機動目標的盤旋跟蹤。

技術領域

本發明涉及一種基于李雅普諾夫制導向量和粒子濾波的機動目標跟蹤方法，屬于無人機目標跟蹤領域。

背景技術

隨著無人機技術在軍用、民用領域的快速發展，應用無人機跟蹤地面機動目標已經成為一種新趨勢，比如邊界巡防、救災防護、運輸護航等。

一般情況下，無人機通過自身搭載的光學相機捕捉目標，相機的焦距需要隨著目標與無人機的距離變化而調整，但是，在運動過程中調節相機焦距是很困難的。自然而然，我們希望無人機在跟蹤過程中保持與被跟蹤目標之間的相對距離不變。因此，控制無人機按照圓形軌道環繞機動目標作盤旋運動是一種很好的解決方案，跟蹤示意圖如圖1所示，圖中坐標系為慣性坐標系，坐標原點為工作站，X軸指向正東，Y軸指向正北，Z軸與X軸和Y軸構成右手坐標系，垂直地面指向正上方，無人機的期望軌道是以被跟蹤目標為圓心，以r_d為半徑的圓，示意圖中曲線A表示機動目標的運動軌跡，視軸即為相機的視線，無人機本體坐標的原點在無人機的質心，X軸與無人機縱軸平行，指向機頭方向，Y軸與無人機的橫軸平行，指向機身左側，Z軸與X、Y軸構成右手坐標系，垂直X-Y平面向上。

目前的技術只能對非機動目標進行跟蹤，即目標的運動狀態不會發生改變，總是保持靜止或者勻速直線運動。針對這類非機動目標的跟蹤多采用卡爾曼濾波或者擴展卡爾曼濾波方法對目標運動狀態進行估計。當目標存在未知控制輸入，即目標的前進速度和前進方向會發生改變時，對目標運動狀態的估計將會變得很困難。而實際跟蹤問題中的目標大多為機動目標，針對存在未知控制輸入的機動目標的研究還比較少。粒子濾波方法可以對系統中的不確定性進行估計，因此采用粒子濾波方法估計機動目標的未知控制輸入是一種很好的方法。目前，粒子濾波方法多被用于解決目標跟蹤過程中量測信息丟失的問題，通過構建粒子濾波器，對量測信息的有效性進行估計。

當被跟蹤機動目標的實際狀態信息已知時，采用李雅普諾夫制導向量法進行路徑規劃已經被廣泛研究了，該方法可以通過機動目標與無人機的位置產生制導指令，從而引導無人機按照預定的半徑盤旋跟蹤機動目標。當被跟蹤目標的位置、速度等狀態信息未知時，如何進行路徑規劃，從而產生期望指令還沒有被研究。

無人機系統功能模塊構成示意圖如圖2，從圖中可以看出，制導模塊和平臺控制模塊都依賴于運動估計模塊輸出的位置、速度信息。運動估計模塊可以結合相機提供的量測信息，對機動目標的運動狀態進行有效估計，制導模塊基于運動估計器的輸出和無人機自帶導航模塊的輸出信息產生制導指令，飛行控制模塊根據制導模塊產生的制導指令和無人機自帶導航模塊的輸出信息產生無人機控制指令，控制無人機實現對存在未知控制輸入機動目標的盤旋跟蹤。光學相機通過兩軸穩定平臺固定在無人機的底部，該兩軸平臺可以隔離無人機的擾動，保持相機的視軸始終指向被跟蹤機動目標，從而避免目標丟失的問題，兩軸平臺的控制技術已經非常成熟，在此不作過多說明。

發明內容

本發明的目的是為克服被跟蹤機動目標存在未知控制輸入，導致狀態信息難以估計以及難以跟蹤的問題，提出一種基于李雅普諾夫制導向量和粒子濾波的機動目標跟蹤方法。本發明方法，采用粒子濾波方法可以有效估計機動目標的運動狀態，基于李雅普諾夫制導向量的路徑規劃方法可以進行實時路徑規劃，可實現對機動目標進行有效跟蹤。

本發明提出的一種基于李雅普諾夫制導向量和粒子濾波的機動目標跟蹤方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：