基于深度學(xué)習(xí)的無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

薛行貴，宋德鵬，陳 思

（1.武警上?？傟?duì)，上海 200050；2.武警警官學(xué)院，四川 成都 610213；3.武警研究院，北京 100012）

深度學(xué)習(xí)是在人工智能基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興研究方向，可以根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，且不對(duì)數(shù)據(jù)信息所屬類(lèi)型進(jìn)行嚴(yán)格要求。一般來(lái)說(shuō)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用在于表現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律及所屬層次，可以在加工信息參量的同時(shí)，分析目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系[1-2]。作為模式分析方法的統(tǒng)稱，深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用主要涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建、神經(jīng)元編碼、數(shù)據(jù)樣本預(yù)訓(xùn)練三方面內(nèi)容。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系決定了數(shù)據(jù)信息參量在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的傳輸能力，神經(jīng)元編碼條件則負(fù)責(zé)建立樣本數(shù)據(jù)之間的數(shù)值映射關(guān)系，而數(shù)據(jù)樣本預(yù)訓(xùn)練則可以鑒別所選擇數(shù)據(jù)信息參量是否滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的調(diào)取與處理需求。

無(wú)人機(jī)是以無(wú)線電遙控設(shè)備和自備程序?yàn)楸匾刂茥l件的不載人飛行器設(shè)備，在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，地面主機(jī)及基站也可以對(duì)無(wú)人機(jī)飛行器進(jìn)行間歇式控制[3]。受到航線軌跡、自然天氣等外界因素的干擾，無(wú)人機(jī)飛行器對(duì)于待測(cè)目標(biāo)的控制能力可能會(huì)受到影響，此時(shí)極易使所采集到的目標(biāo)圖片像素遠(yuǎn)低于預(yù)設(shè)像素指標(biāo)的數(shù)值水平。

為應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題，基于地空信息融合的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)注重對(duì)目標(biāo)圖片中的噪點(diǎn)參量進(jìn)行提取，根據(jù)噪點(diǎn)信息與常規(guī)像素之間的覆蓋關(guān)系，制定飛行器主機(jī)所遵循的跟蹤執(zhí)行指令[4]。然而此系統(tǒng)的應(yīng)用能力有限，并不能保證目標(biāo)像素?cái)?shù)值與預(yù)設(shè)像素指標(biāo)之間的貼合關(guān)系。為避免上述情況的發(fā)生，以深度學(xué)習(xí)算法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的硬件執(zhí)行單元由無(wú)人機(jī)操縱平臺(tái)、核心管控電路、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理模塊三部分共同組成，以下將針對(duì)上述三個(gè)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法展開(kāi)研究。

1.1 無(wú)人機(jī)操縱平臺(tái)

無(wú)人機(jī)操縱平臺(tái)由DJI M100 設(shè)備主機(jī)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)兩部分共同組成。其中，DJI M100設(shè)備主機(jī)負(fù)責(zé)記錄無(wú)人機(jī)飛行器運(yùn)動(dòng)軌跡的分布形式，可以根據(jù)待測(cè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的排列狀態(tài)，制定后續(xù)的跟蹤執(zhí)行指令；執(zhí)行結(jié)構(gòu)則包含GPS 元件、IT2 操作元件、FLC 元件等多個(gè)組成部分，能夠在確定無(wú)人機(jī)飛行器與待測(cè)目標(biāo)對(duì)象之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的同時(shí)，按照深度學(xué)習(xí)算法的約束條件調(diào)節(jié)已獲取數(shù)據(jù)信息參量的存儲(chǔ)形式，從而緩解DJI M100 設(shè)備主機(jī)所面臨的指令運(yùn)行壓力[5-6]。具體的無(wú)人機(jī)操縱平臺(tái)作用模式如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)操縱平臺(tái)的作用模式

隨著無(wú)人機(jī)待測(cè)目標(biāo)對(duì)象數(shù)量的增多，DJI M100 設(shè)備主機(jī)所承擔(dān)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力也在不斷增大，但由于深度學(xué)習(xí)算法約束條件的存在，GPS 元件、IT2 操作元件、FLC 元件對(duì)于無(wú)人機(jī)飛行器的控制能力能夠始終保持穩(wěn)定，這也是系統(tǒng)主機(jī)最終所運(yùn)行跟蹤指令不會(huì)脫離待測(cè)目標(biāo)對(duì)象而獨(dú)立存在的主要原因。

1.2 核心管控電路

核心管控電路（如圖2 所示）可以為無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)提供動(dòng)力支持，能夠根據(jù)電阻之間的數(shù)值配比關(guān)系，協(xié)調(diào)下級(jí)電感之間的連接關(guān)系，從而使無(wú)人機(jī)飛行器保持相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)[7]。

圖2 核心管控電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

信號(hào)觸發(fā)器元件同時(shí)管控電阻R1、R2、R3、R4。其中，電阻R1與R3的阻值水平相對(duì)較高，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)飛行器的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速率[8]；電阻R2、R4接受CT0 裝置的直接控制，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電感L1、L2、L3兩端的負(fù)載電壓，可以調(diào)節(jié)待測(cè)目標(biāo)與無(wú)人機(jī)飛行器的間隔距離，從而使得系統(tǒng)運(yùn)行主機(jī)能夠制定更加符合實(shí)際應(yīng)用需求的跟蹤指令執(zhí)行程序。

1.3 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理模塊

在無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理模塊負(fù)責(zé)制定待執(zhí)行程序指令，能夠利用數(shù)據(jù)信息文件與應(yīng)用設(shè)備之間的反饋關(guān)系，將待執(zhí)行程序指令傳輸給既定處理主機(jī)。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理模塊的應(yīng)用設(shè)備元件包括圖像提取主機(jī)、數(shù)據(jù)信息處理主機(jī)與飛行器控制主機(jī)[9-10]。其中，圖像提取主機(jī)負(fù)責(zé)跟蹤無(wú)人機(jī)目標(biāo)對(duì)象，數(shù)據(jù)信息處理主機(jī)負(fù)責(zé)制定多目標(biāo)跟蹤指令，無(wú)人飛行器控制主機(jī)負(fù)責(zé)管控?zé)o人機(jī)飛行器的實(shí)際行進(jìn)方向。完整的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理模塊連接結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的框架結(jié)構(gòu)

對(duì)于無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)而言，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理模塊的連接行為受到核心管控電路的直接調(diào)節(jié)。

2 目標(biāo)跟蹤方法

在各級(jí)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)的支持下，搭建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)特征提取表達(dá)式，求解無(wú)人機(jī)多目標(biāo)對(duì)象的方向跟蹤向量，將二者結(jié)合，完成基于深度學(xué)習(xí)的無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)

深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)w行器設(shè)備所接收到的數(shù)據(jù)信息參量反饋給系統(tǒng)處理主機(jī)，并可以在過(guò)渡層節(jié)點(diǎn)的作用下，更改已錄入信息的傳輸格式，從而使得系統(tǒng)主機(jī)所制定的跟蹤執(zhí)行指令能夠完全符合實(shí)際應(yīng)用需求[11-12]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，輸入層節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)負(fù)載于無(wú)人機(jī)飛行器之上的數(shù)據(jù)信息錄入元件，由于目標(biāo)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)形式具有多樣化的特點(diǎn)，所以輸入層節(jié)點(diǎn)必須具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)能力；過(guò)渡層節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將所采集到的無(wú)人機(jī)目標(biāo)對(duì)象信息傳輸至輸出層節(jié)點(diǎn)；輸出層節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)處理主機(jī)，負(fù)責(zé)將多目標(biāo)跟蹤指令反饋給其他硬件應(yīng)用設(shè)備。

為使深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能力得到保障，過(guò)渡層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)隨著數(shù)據(jù)信息參量的累積而不斷增大。

2.2 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)特征

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)特征即為無(wú)人機(jī)待測(cè)目標(biāo)對(duì)象的跟蹤處理特征，在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)框架的作用下，不同目標(biāo)對(duì)象所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息參量也有所不同。在無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，為使系統(tǒng)主機(jī)能夠?qū)Υ郎y(cè)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確定位，在提取目標(biāo)節(jié)點(diǎn)特征之前，必須對(duì)所得數(shù)據(jù)信息參量進(jìn)行重排處理[13-14]。設(shè)δ表示待測(cè)目標(biāo)對(duì)象排列系數(shù)的最小取值，Aδ表示與系數(shù)δ匹配的目標(biāo)對(duì)象定義參量，表示目標(biāo)對(duì)象定義參量的平均取值，聯(lián)立上述物理量，基于深度學(xué)習(xí)的無(wú)人機(jī)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)特征提取模型為：

式中，f表示無(wú)人機(jī)目標(biāo)對(duì)象提取權(quán)值，β表示目標(biāo)對(duì)象節(jié)點(diǎn)編碼系數(shù)，ΔS表示無(wú)人機(jī)待測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)的單位累積量。由于系統(tǒng)主機(jī)的運(yùn)行速率不可能為零，所以系數(shù)ΔS的取值必須大于自然數(shù)“1”。

2.3 方向跟蹤向量

方向跟蹤向量決定了系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于無(wú)人機(jī)目標(biāo)對(duì)象的處理能力，在已知目標(biāo)節(jié)點(diǎn)特征表達(dá)式的前提下，若方向跟蹤向量的取值大于零，則表示目標(biāo)對(duì)象的行進(jìn)方向?yàn)檎较?；若方向跟蹤向量的取值小于零，則表示目標(biāo)對(duì)象的行進(jìn)方向?yàn)樨?fù)方向[15-16]。在求解方向跟蹤向量時(shí)，需掌握無(wú)人機(jī)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定義系數(shù)的具體取值。設(shè)v1、v2、…、vn表示n個(gè)不同的無(wú)人機(jī)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)定義系數(shù)，b1、b2、…、bn分別表示與v1、v2、…、vn相對(duì)應(yīng)的無(wú)人機(jī)目標(biāo)對(duì)象方向度量系數(shù)，聯(lián)立式（1），可將無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)所遵循的方向跟蹤向量求解表達(dá)式定義為：

其中，λ表示無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)距離系數(shù)，?表示運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向角度系數(shù)。在上述系數(shù)指標(biāo)的支持下，完成跟蹤系統(tǒng)的軟件方法設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

選擇A、B 兩個(gè)對(duì)象作為跟蹤目標(biāo)（實(shí)驗(yàn)原理如圖5 所示），分別利用基于深度學(xué)習(xí)的多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)組）、基于地空信息融合的控制系統(tǒng)（對(duì)照組）對(duì)所選目標(biāo)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行流程如下：

步驟一：選擇Inspire 1 型號(hào)的無(wú)人機(jī)飛行器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象；

步驟二：利用實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)控制所選無(wú)人機(jī)飛行器；

步驟三：調(diào)節(jié)遙控裝置，使無(wú)人機(jī)設(shè)備能夠準(zhǔn)確定位目標(biāo)對(duì)象A、目標(biāo)對(duì)象B 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)組變量；

步驟四：利用對(duì)照組系統(tǒng)控制所選無(wú)人機(jī)飛行器；

步驟五：重復(fù)步驟三，將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)照組變量。

無(wú)人機(jī)飛行器所采集到目標(biāo)對(duì)象像素?cái)?shù)值與預(yù)設(shè)像素指標(biāo)之間的差值，可以反映出系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于待測(cè)目標(biāo)的跟蹤準(zhǔn)確性，通常情況下，差值水平越大，系統(tǒng)主機(jī)準(zhǔn)確跟蹤無(wú)人機(jī)目標(biāo)對(duì)象的能力也就越強(qiáng)。

表1為本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的目標(biāo)對(duì)象像素?cái)?shù)值結(jié)果。

表1 目標(biāo)對(duì)象A的像素?cái)?shù)值

分析表1 可知，對(duì)于目標(biāo)對(duì)象A 而言，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)設(shè)像素?cái)?shù)值始終等于208 pix；實(shí)驗(yàn)組像素?cái)?shù)值在第600次實(shí)驗(yàn)取值水平最大，達(dá)到了207 pix，與預(yù)設(shè)像素?cái)?shù)值之間的差值為1 pix；對(duì)照組像素?cái)?shù)值在第200次實(shí)驗(yàn)取值水平最大，達(dá)到了191 pix，與預(yù)設(shè)像素?cái)?shù)值之間的差值為17 pix，低于實(shí)驗(yàn)組差值水平。

分析表2可知，對(duì)于目標(biāo)對(duì)象B而言，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)設(shè)像素?cái)?shù)值始終等于204 pix；實(shí)驗(yàn)組像素?cái)?shù)值在500 次和600 次實(shí)驗(yàn)取值水平最大，達(dá)到了204 pix，與預(yù)設(shè)像素?cái)?shù)值達(dá)到一致；對(duì)照組像素?cái)?shù)值在第300次實(shí)驗(yàn)取值水平最大，達(dá)到了183 pix，與預(yù)設(shè)像素?cái)?shù)值之間的差值為21 pix，也低于實(shí)驗(yàn)組差值水平。

表2 目標(biāo)對(duì)象B的像素?cái)?shù)值

綜上可知，在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用下，系統(tǒng)主機(jī)所采集到的無(wú)人機(jī)目標(biāo)對(duì)象像素?cái)?shù)值水平明顯增大，實(shí)用性能更好，說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)更符合無(wú)人機(jī)捕獲待測(cè)目標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

新型無(wú)人機(jī)多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)遵循深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，完善無(wú)人機(jī)操縱平臺(tái)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)處理模塊等多個(gè)硬件結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系，又利用目標(biāo)節(jié)點(diǎn)特征取值結(jié)果，求解方向跟蹤向量的具體數(shù)值。在實(shí)用性方面，深度學(xué)習(xí)型多目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可使無(wú)人機(jī)目標(biāo)像素的數(shù)值水平更好貼合預(yù)設(shè)像素指標(biāo)，與準(zhǔn)確跟蹤無(wú)人機(jī)待測(cè)目標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用需求相符合。