适航地图构建与地面目标跟踪研究

论文摘要

地面目标跟踪是当前无人机研究的一项热点。由于地面情况的复杂性、地面目标的多样性以及无人机机载传感器的探测能力和精度等诸多因素的影响,准确地进行地面目标跟踪存在很多困难。地面目标的运动很大程度上受到实际情况的制约,对于战术无人机,显然可以利用这些信息从多角度实现对地面目标的精确侦察与跟踪。本文提出了一种同时适航地图构建与目标跟踪方法,无人机通过实时融合自身侦察获得的地面环境信息,构建地面目标的适航地图,并利用该适航地图对地面目标的运动进行约束,通过贝叶斯滤波方法进行目标估计与跟踪。首先分析了现有的目标跟踪技术在无人机目标跟踪问题中的优缺点,采用贝叶斯滤波器作为无人机目标跟踪的一般性方法,并结合适航地图的概念,提出了一种适用于间断观测和局部观测情形的跟踪算法。得益于贝叶斯滤波器内在的灵活结构,所提出的BF-HMap算法能够同时处理非线性、与环境相关的目标动力学模型,以及由无人机有限视野范围和自身运动限制所造成的非解析的传感器模型。综合性能比较表明,在间断观测和局部观测情形下,BF-HMap算法的估计和跟踪效果远好于现有的目标跟踪方法。第二部分主要研究了无人机遥感图像的全自动道路提取问题。本文将环境中的道路作为适航地图最主要的构成因素,为自动生成适航地图,需从无人机遥感图像中自动提取出主要道路。提出的方法主要基于以下两条途径:其一,微分几何方法提取线性结构的中心线;其二,基于主动轮廓模型（又被称为Snake）的道路边界提取。采用基于模型的策略进行图像的道路识别,提取流程如下:首先采用自底而上的方法生成图像中的可能目标,然后回到原始图像,将假想进行验证和分类。采用了三级道路模型,依次提取显著道路,非显著道路,以及交叉口。本文的第三部分从三个方面对全局适航地图的构建进行了研究:针对多传感器融合问题,提出了基于D-S证据理论的适航地图构建算法;为适应无人机目标跟踪任务需求,采用机载POS系统直接对地定位的方案进行遥感影像定位;为从航拍图像序列生成全局的适航地图,提出一种基于尺度不变特征变换（SIFT）的自动拼接方法。该方法主要包括图像配准和镶嵌两个步骤。由于航拍序列各帧图像之间存在较大差异,因而常用的基于特征的配准方法适用性较差,对此,提出利用SIFT特征来实现准确、稳健的航拍图像配准。通过对航拍图像序列进行拼接实验验证了所提方法的有效性。为提高无人机在未知环境中目标跟踪的性能,本文对无人机的地面目标跟踪相关技术进行了研究,提出了一种基于适航地图的无人机地面目标跟踪方法。本文提出的方法充分考虑了如下一些问题:非线性贝叶斯滤波器设计、适航地图的概念及构建、遥感影像解读及定位,构成了一套比较完整的无人机地面目标跟踪算法的设计方案。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图清单
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 相关技术研究现状与发展
• 1.2.1 目标跟踪技术
• 1.2.2 遥感影像自动道路提取技术
• 1.2.3 遥感影像定位技术
• 1.2.4 图像配准拼接技术
• 1.3 本文主要工作
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究目的
• 1.3.3 研究方法
• 1.3.4 研究内容
• 1.3.5 论文结构
• 第2章 非线性贝叶斯滤波器设计
• 2.1 引言
• 2.2 系统定义
• 2.3 一些假定
• 2.4 预测公式与更新公式
• 2.5 自适应的状态变量域截取
• 2.5.1 数值解法中状态变量域范围选择的问题
• 2.5.2 Chebyshev不等式及其应用
• 2.5.3 递归方式获得状态变量域的最优截取范围
• 2.6 显式有限差分法求解 FPKE方程
• 2.7 最优非线性滤波器算法
• 2.8 基于非线性贝叶斯滤波器的无人机地面目标跟踪问题
• 2.8.1 问题描述
• 2.8.2 求解状态变量的初始概率密度函数
• 2.8.3 预测公式与更新公式
• 2.8.4 显式有限差分法数值求解 FPKE方程和贝叶斯公式
• 2.8.5 自适应最优状态变量域截取
• 2.9 仿真实验与分析
• 2.10 本章小结
• 第3章 间断观测下的无人机地面目标跟踪
• 3.1 引言
• 3.2 BF-HMap算法
• 3.2.1 预测阶段
• 3.2.2 估计阶段
• 3.2.3 扩展至多机多目标情形
• 3.2.4 数值法求解 FPKE与贝叶斯方程
• 3.2.5 仿真示例
• 3.4 基于相对熵标准的性能评价指标
• 3.5 仿真实验与分析
• 3.5.1 场景一:观测视野外的目标轨迹估计
• 3.5.2 场景二:移动目标搜索
• 3.5.3 场景三:间断观测下的目标跟踪
• 3.5.4 场景四:间断观测下的多目标跟踪
• 3.6 本章小结
• 第4章 遥感图像自动道路提取
• 4.1 引言
• 4.2 道路提取流程
• 4.3 微分几何途径提取线条中心线
• 4.4 带状蛇模型提取显著道路
• 4.4.1 经典 Snake理论
• 4.4.2 基于动态规划的Snake算法
• 4.4.3 Ziplock Snake
• 4.4.4 Ribbon Snake模型
• 4.5 Zip-lock snake方法提取非显著道路
• 4.6 提取交叉口
• 4.7 道路提取结果与分析
• 4.8 基于中心线和梯度图的快速道路提取方法
• 4.9 本章小结
• 第5章 全局适航地图构建
• 5.1 引言
• 5.2 基于 D-S证据理论的适航地图构建
• 5.3 机载 POS系统对地定位
• 5.3.1 POS系统和航空摄影系统的集成方法
• 5.3.2 集成系统的工作原理
• 5.3.3 POS系统对地定位的主要误差源
• 5.4 基于SIFT特征的航拍影像及全局适航地图自动拼接
• 5.4.1 航拍影像序列及全局适航地图自动拼接算法流程
• 5.4.2 算法关键技术
• 5.4.3 航拍影像序列及适航地图自动拼接实验结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 发表学术论文情况
• 参加的科研项目