一种基于核相关滤波追踪算法的无人机电视制导技术

邱敏卿 黄迅 叶坤 李鹤喜

摘  要：无人机的制导技术应用广泛，发展较为成熟的是军事上的制导技术，民用方面的应用近几年才逐渐发展起来，制导技术的民用化还需加强研究。激光制导、红外成像制导和高精度的电视制导价格高昂并且适用于军事。针对以上问题，本文提出一种成本较低、快速识别的电视制导技术。基于目前业界公认的快速高效的核相关滤波追踪算法，实现实时的目标识别追踪功能，并且结合PID控制算法，应用于无人机系统。在实地进行一系列实验，实验结果证明本文的制导方案切实可行、准确度高并且能够实现击中目标的目的。

关键词：核相关滤波;目标追踪;PID控制算法;无人机系统;电视制导

中图分类号：TP391.41;TN713      文献标识码：A 文章编号：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

近年来，无人机的应用越来越广泛，无论是航拍、监控还是救灾，都需要实现目标追踪的功能。例如需要航拍一个指定的运动物体、监控一个特定人物或者车辆、飞行扑灭高层樓宇的火灾等。无人机的目标追踪控制算法应时而生[1]。

目前普遍认为视觉目标追踪的类别有两种：生成类和判别类[2]。生成类中较为著名的是卡尔曼滤波、粒子滤波、Mean-shift和ASMS算法;判别类中较经典的是Struck和TLD算法。2010年之前，目标追踪方面主要运用一些经典类方法，如Mean-shift、Particle、Kalman和基于特征点的光流算法等。2010年以后，开始出现相关滤波方法。2014年，Henriques改进CSK算法，采用多通道梯度直方图特征，提出核相关滤波算法，该算法帧率达到172FPS，其快速准确的优点得到一致的认可。

目标跟踪是计算机视觉中的一个重要研究方向，而无人机上的目标追踪也称为制导。一般的制导方式有激光制导、红外制导和电视制导等等[3]。激光制导和红外制导的实现则需要相关的器件[4]，激光器件和红外组件精确度高，但价格也相对高昂。视觉目标跟踪即为电视制导，电视制导相对于其他两种制导方式而言，不易受干扰装备的影响，并且具有追踪精度高、价格低、重量轻的优点。所以电视制导逐渐被广泛应用于各个领域。

故本文基于快速准确的核相关滤波追踪算法与PID控制算法，提出一种低成本的民用电视制导方案，并将该方案应用于无人机系统进行目标追踪。飞行器领域内为达到精准的目而使用许多昂贵的设备，导致制导系统成本昂贵。本文提供的方案能够解决这个问题。通过精确的算法来减少高端昂贵设备的使用，整体降低飞行器的价格，使得飞行器的研究和使用更为广泛和平民化，也可以实现技术的推广。为此，本文做了以下工作：

（1）由于核相关滤波追踪算法使用方向梯度直方图特征（HOG）、循环矩阵傅里叶对角化、多通道高斯核函数等技巧，在很大程度上降低矩阵运算量和提高准确性，故该追踪算法具有快速准确的优点。因此本文使用核相关滤波算法进行目标追踪[5]。

（2）使用公开的数据集BOT-50进行算法的效果测试，计算出算法的准确率和帧率，对算法的效果进行评估。

（3）基于快速准确的核相关滤波追踪算法，结合PID控制算法，本文提出一种制导方案，并将该制导方案应用于无人机系统。本文还进行了一系列的无人机地面实验，验证算法的实际制导效果，并且调试PID参数值。

第三阶段中算法装载在飞行器上进行地面实验。现场实拍景物进行追踪。如图6（a）所示，实时追踪景物中的某栋楼房的窗口。图6（a）-（d）是地面实验的追踪过程图，飞行器一开始设定好以窗口为目标，设置好目标框的位置和尺寸。追踪过程中，飞行器距离窗口越来越近，目标的尺寸逐渐增大。

随着目标的尺寸增大，目标框的尺寸也相应增大，并且飞行器根据得到的输出值调整飞行姿态，始终使目标显示在屏幕中，在图6（d）中，目标以较大尺度展示在画面中，最后飞行器成功击窗，说明追踪成功。总体来说，调整控制系统的PID值后，算法的追踪效果较好，能够达到预期的目标。

4  结  論

本文的制导方案基于一种快速准确的核相关滤波算法，结合PID控制算法，将该方案应用于无人机系统，可以实现目标追踪功能。针对价格高昂的军事制导，本文提出一种成本较低的电视制导技术。相对于激光器件、高精度的运算器和红外组件来说，只需一个低像素的摄像头组件和一些普通的运算单元即可组成本文提出的制导系统，本文的方案在较大程度上降低制导系统的价格，实现了一种民用级别的电视制导方案的设计。

参考文献：

[1] 方露.视频中运动目标检测与追踪算法研究 [D].芜湖：安徽工程大学，2017.

[2] 柴天峰，朱小龙，毛勇建，等.面向飞行器平台的图像目标追踪算法 [J].现代防御技术，2017，45（3）：122-128+154.

[3] 聂志彪.小型无人机导航与制导关键技术研究 [D].南京：南京航空航天大学，2009.

[4] 周建民.激光对光电制导武器跟踪系统的干扰技术研究 [D].长春：中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所），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.

作者简介：邱敏卿（1995.11-），女，汉族，广东江门人，本

科，学士学位，研究方向：图像分析与机器视觉;黄讯（1996.03-），男，汉族，广东江门人，本科，学士学位，研究方向：机械自动

化;叶坤（1997.03-），男，汉族，广东江门人，本科，学士学位，研究方向：图像分析与机器学习;通讯作者：李鹤喜（1961.11-），男，汉族，辽宁昌图人，教授，博士，研究方向：人工智能与机器视觉。