一種基于核相關濾波追蹤算法的無人機電視制導技術

邱敏卿 黃迅 葉坤 李鶴喜

摘 ?要：無人機的制導技術應用廣泛，發展較為成熟的是軍事上的制導技術，民用方面的應用近幾年才逐漸發展起來，制導技術的民用化還需加強研究。激光制導、紅外成像制導和高精度的電視制導價格高昂并且適用于軍事。針對以上問題，本文提出一種成本較低、快速識別的電視制導技術。基于目前業界公認的快速高效的核相關濾波追蹤算法，實現實時的目標識別追蹤功能，并且結合PID控制算法，應用于無人機系統。在實地進行一系列實驗，實驗結果證明本文的制導方案切實可行、準確度高并且能夠實現擊中目標的目的。

關鍵詞：核相關濾波;目標追蹤;PID控制算法;無人機系統;電視制導

中圖分類號：TP391.41;TN713 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0025-05

Abstract：The guidance technology of UAV is widely used，and the more mature development is the military guidance technology. The civilian use has gradually developed in recent years，and the civilian use of guidance technology needs to be strengthened. Laser guidance，infrared imaging guidance and high-precision TV guidance are expensive and suitable for military use. In view of the above problems，this paper proposes a low-cost，fast-recognition TV guidance technology. Based on the fast and efficient kernel correlation filter tracking algorithm recognized in the industry，real-time target recognition and tracking function is realized，and combined with PID control algorithm，it is applied to the UAV system，and a series of experiments are carried out in the field. The experimental results show that the guidance scheme proposed in this paper is feasible，accurate and can achieve the goal of hitting the target.

Keywords：kernel correlation filtering;target tracking;PID control algorithm;UAV system;TV guidance

0 ?引 ?言

近年來，無人機的應用越來越廣泛，無論是航拍、監控還是救災，都需要實現目標追蹤的功能。例如需要航拍一個指定的運動物體、監控一個特定人物或者車輛、飛行撲滅高層樓宇的火災等。無人機的目標追蹤控制算法應時而生[1]。

目前普遍認為視覺目標追蹤的類別有兩種：生成類和判別類[2]。生成類中較為著名的是卡爾曼濾波、粒子濾波、Mean-shift和ASMS算法;判別類中較經典的是Struck和TLD算法。2010年之前，目標追蹤方面主要運用一些經典類方法，如Mean-shift、Particle、Kalman和基于特征點的光流算法等。2010年以后，開始出現相關濾波方法。2014年，Henriques改進CSK算法，采用多通道梯度直方圖特征，提出核相關濾波算法，該算法幀率達到172FPS，其快速準確的優點得到一致的認可。

目標跟蹤是計算機視覺中的一個重要研究方向，而無人機上的目標追蹤也稱為制導。一般的制導方式有激光制導、紅外制導和電視制導等等[3]。激光制導和紅外制導的實現則需要相關的器件[4]，激光器件和紅外組件精確度高，但價格也相對高昂。視覺目標跟蹤即為電視制導，電視制導相對于其他兩種制導方式而言，不易受干擾裝備的影響，并且具有追蹤精度高、價格低、重量輕的優點。所以電視制導逐漸被廣泛應用于各個領域。

故本文基于快速準確的核相關濾波追蹤算法與PID控制算法，提出一種低成本的民用電視制導方案，并將該方案應用于無人機系統進行目標追蹤。飛行器領域內為達到精準的目而使用許多昂貴的設備，導致制導系統成本昂貴。本文提供的方案能夠解決這個問題。通過精確的算法來減少高端昂貴設備的使用，整體降低飛行器的價格，使得飛行器的研究和使用更為廣泛和平民化，也可以實現技術的推廣。為此，本文做了以下工作：

（1）由于核相關濾波追蹤算法使用方向梯度直方圖特征（HOG）、循環矩陣傅里葉對角化、多通道高斯核函數等技巧，在很大程度上降低矩陣運算量和提高準確性，故該追蹤算法具有快速準確的優點。因此本文使用核相關濾波算法進行目標追蹤[5]。

（2）使用公開的數據集BOT-50進行算法的效果測試，計算出算法的準確率和幀率，對算法的效果進行評估。

（3）基于快速準確的核相關濾波追蹤算法，結合PID控制算法，本文提出一種制導方案，并將該制導方案應用于無人機系統。本文還進行了一系列的無人機地面實驗，驗證算法的實際制導效果，并且調試PID參數值。

第三階段中算法裝載在飛行器上進行地面實驗。現場實拍景物進行追蹤。如圖6（a）所示，實時追蹤景物中的某棟樓房的窗口。圖6（a）-（d）是地面實驗的追蹤過程圖，飛行器一開始設定好以窗口為目標，設置好目標框的位置和尺寸。追蹤過程中，飛行器距離窗口越來越近，目標的尺寸逐漸增大。

隨著目標的尺寸增大，目標框的尺寸也相應增大，并且飛行器根據得到的輸出值調整飛行姿態，始終使目標顯示在屏幕中，在圖6（d）中，目標以較大尺度展示在畫面中，最后飛行器成功擊窗，說明追蹤成功。總體來說，調整控制系統的PID值后，算法的追蹤效果較好，能夠達到預期的目標。

4 ?結  論

本文的制導方案基于一種快速準確的核相關濾波算法，結合PID控制算法，將該方案應用于無人機系統，可以實現目標追蹤功能。針對價格高昂的軍事制導，本文提出一種成本較低的電視制導技術。相對于激光器件、高精度的運算器和紅外組件來說，只需一個低像素的攝像頭組件和一些普通的運算單元即可組成本文提出的制導系統，本文的方案在較大程度上降低制導系統的價格，實現了一種民用級別的電視制導方案的設計。

參考文獻：

[1] 方露.視頻中運動目標檢測與追蹤算法研究 [D].蕪湖：安徽工程大學，2017.

[2] 柴天峰，朱小龍，毛勇建，等.面向飛行器平臺的圖像目標追蹤算法 [J].現代防御技術，2017，45（3）：122-128+154.

[3] 聶志彪.小型無人機導航與制導關鍵技術研究 [D].南京：南京航空航天大學，2009.

[4] 周建民.激光對光電制導武器跟蹤系統的干擾技術研究 [D].長春：中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所），2005.

[5] Henriques J F，Caseiro R，Martins P，et al. High-Speed Tracking with Kernelized Correlation Filters [J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2015，37（3）：583-596.

作者簡介：邱敏卿（1995.11-），女，漢族，廣東江門人，本

科，學士學位，研究方向：圖像分析與機器視覺;黃訊（1996.03-），男，漢族，廣東江門人，本科，學士學位，研究方向：機械自動

化;葉坤（1997.03-），男，漢族，廣東江門人，本科，學士學位，研究方向：圖像分析與機器學習;通訊作者：李鶴喜（1961.11-），男，漢族，遼寧昌圖人，教授，博士，研究方向：人工智能與機器視覺。