一种无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统。

背景技术

光电任务载荷是最常见的一种无人机任务载荷，利用可见光和红外传感器，无人机可实现对视觉目标的感知，结合机上智能任务处理终端，无人机可实现自主OODA(感知-判断-决策-执行)环。随着深度学习算法及AI处理芯片技术的不断发展，无人机智能化程度不断提升，但对其验证手段明显不足。通常无人机系统功能性能的验证方式包括仿真、地面试验和飞行试验等，当验证的系统造价昂贵、试验危险性大或需要很长时间才能了解参数变化带来的影响时，仿真是一种非常有效的验证手段。无人机仿真主要包括半物理仿真和全数字仿真，目前在无人机视觉目标跟踪仿真领域，主要采用全数字仿真方法，全数字仿真存在两个缺点，一是其结果受飞控、任控、光电传感器、运动目标以及环境场景等仿真模型的准确度影响较大，仿真模型准确度越高，相应开发成本就越高；二是受技术成熟度限制，视景仿真逼真度不够，通过视景仿真环境采集的图像目标数据与实际光电传感器数据存在较大差异，影响视觉目标跟踪算法训练与评估的准确性。

发明内容

本发明的目的是：提供了一种无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统。本发明可实现无人机视觉目标训练图像数据的采集并用于目标识别算法的学习与训练，同时为无人机视觉目标跟踪提供半物理验证环境。。

本发明的技术方案是：一种无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统，包括仿真控制系统、无人机飞行模拟系统、无人机任务模拟系统、环境仿真系统；

仿真控制系统的作用是：实现对仿真系统的总体控制，包括无人机飞行模拟系统运动控制、无人机任务模拟系统的数据采集与存储、环境仿真系统的灯光烟雾效果的控制；

无人机飞行模拟系统的作用是：接收仿真控制系统发出的运动轨迹信息，实现对无人机航线飞行的二维运动模拟；

无人机任务模拟系统的作用是：采集环境仿真系统的图像信息，实现目标识别的深度学习算法训练；加载目标识别算法和在线任务重规划算法，实现对环境仿真系统内的目标进行识别与跟踪，并生成跟踪运动轨迹；

环境仿真系统，包括沙盘和环境控制设备(灯光、烟雾)；沙盘提供环境目标的缩比实物，灯光和烟雾能手动调节控制。

前述的无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统中，所述的仿真控制系统的工作通过上位机加载仿真控制软件实现；所述的总体控制包括数据采集、数据存储、数据转发和远程控制。

前述的无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统中，所述的无人机飞行模拟系统，由可进行二维运动的扫描架和底部支架组成；其通过控制X轴和Y轴的运动实现对无人机在某一固定高度下的飞行模拟。

前述的无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统中，所述的扫描架，采用工字形框架结构，采用伺服电机进行运动控制，采用双电机双滑轨同步传送；同时扫描架的支撑部位采用多孔调节结构，以调节扫描架的高度，从而模拟不同的飞行高度。

前述的无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统中，所述的无人机任务模拟系统，由光电任务设备和任务处理终端组成；光电任务设备实现目标图像信息采集和目标跟踪，任务处理终端加载任务处理算法，输出光电任务设备伺服控制数据和扫描架二维运动控制数据。

前述的无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统中，所述的任务处理终端与光电任务设备连通，接收光电任务设备采集的沙盘目标图像数据，进行图像目标检测、识别与定位运算，并解算出目标位置信息与速度信息；根据图像目标检测、识别与定位运算，生成光电任务设备控制数据；根据目标位置信息与速度信息，运行在线任务重规划算法，生成扫描架二维运动轨迹控制数据。

前述的无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统中，环境仿真系统，由沙盘和环境控制设备组成，沙盘结构为圆形，沙盘四周设置了一圈挡板，挡板上绘制延伸背景，与沙盘环境融合，沙盘挡板上方设置了一圈遮光布。

前述的无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统中，沙盘内模型按照与实物1:100的缩比尺寸制作，沙盘内的环境目标可快速安装和拆解。

本发明的优点是：在无人机视觉目标跟踪仿真领域，目前以全数字仿真为主，本发明采用半物理仿真系统，其优点在于，相较于全数字仿真，本发明的仿真系统采用实际装机设备与系统，而不是系统数字模型，因此其仿真评估效果更准确；本发明的仿真系统采用缩比实物模型作为环境目标，而不是视景软件的数字目标模型，因此其采集的图像更逼真；本发明的系统设备部分采用无人机实物，相比数字模型构建的全数字仿真系统，能大幅降低仿真成本。

此外，本发明作为一种仿真系统，除实现对无人机视觉目标跟踪算法的仿真验证与评估外，还可用于采集半实物环境下目标图像数据，作为无人机视觉目标跟踪深度学习算法的训练样本库，相较于无人机飞行采集图像数据的方式，能大幅降低经济成本、时间成本以及试飞风险。

附图说明

图1无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统构成框图；

图2扫描架结构示意图；

图3沙盘效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。一种无人机视觉目标跟踪半物理仿真系统，构成如图1-3所示，由仿真控制系统、无人机飞行模拟系统、无人机任务模拟系统、环境仿真系统四个部分组成。

仿真控制系统由伺服电机控制器、控制计算机、控制软件组成。

无人机飞行模拟系统由可进行二维运动的扫描架和底部支架组成。

无人机任务模拟系统由光电任务设备和任务处理终端组成。

环境仿真系统由沙盘和环境控制设备组成。

仿真控制系统实现对仿真系统的总体控制，包括无人机飞行模拟系统运动控制、无人机任务模拟系统的数据采集与存储、环境仿真系统灯光烟雾的效果控制。

无人机飞行模拟系统接收仿真控制系统发出的运动轨迹信息，实现对无人机航线飞行的二维运动模拟，无人机飞行模拟系统由可进行二维运动的扫描架模拟无人机在二维平面的飞行，由上位机软件对其进行运动控制，扫描架采用工字形框架结构，其结构外形如图2所示，扫描架采用伺服电机进行运动控制，采用双电机双滑轨同步传送，同时扫描架的支撑部位采用多孔调节结构，可以调节扫描架的高度，从而模拟不同的飞行高度。

无人机任务模拟系统的光电任务设备实现目标图像信息采集和目标跟踪，任务处理终端加载任务处理算法，输出光电任务设备伺服控制数据和扫描架二维运动控制数据。无人机任务模拟系统可采集环境仿真系统的图像信息，用于车辆目标图像识别的深度学习算法训练，可加载车辆目标图像识别算法和在线任务重规划算法，用于对环境仿真系统内的目标进行识别与跟踪，并生成跟踪运动轨迹，通过仿真控制系统转发至无人机飞行模拟系统执行。

环境仿真系统的沙盘提供汽车、楼房、树木等环境目标的缩比实物，灯光和烟雾可手动调节控制。如图3所示，沙盘结构为圆形，沙盘四周设置了一圈挡板，挡板上绘制延伸背景，与沙盘环境融合，沙盘挡板上方设置了一圈遮光布,沙盘内模型按照与实物1:100的缩比尺寸制作，沙盘内的汽车模型支持固定轨道行驶和遥控行驶两种模式，楼房和树木模型可快速安装和拆解。沙盘顶部安装了多级可控日光灯，实现亮度调节，可模拟日光和冷月光，内部装有大功率烟雾器，可喷射油烟，模拟大雾阴霾天气。

实施算法仿真评估时，通过仿真控制系统的控制软件，控制汽车模型在沙盘内运动，根据需要远程控制灯光和喷雾效果；无人机任务模拟系统的光电任务设备对汽车模型进行图像采集，并发送至任务处理终端；任务处理终端通过加载的图像目标跟踪算法，生成光电伺服跟踪信号并发送至光电任务设备控制其伺服运动，使汽车模型目标保持在光电视场中心，同时任务处理终端通过加载的在线任务重规划算法，生成跟踪运动轨迹；无人机任务模拟系统将跟踪运动轨迹发送至仿真控制系统的伺服电机控制器，伺服电机控制器将跟踪运动轨迹转换为X轴伺服电机和Y轴伺服电机的控制信号，并发送至无人机飞行模拟系统的二维扫描架，模拟无人机对汽车目标的飞行跟踪。仿真控制系统的控制软件记录全程数据，给出图像目标跟踪算法与在线任务重规划算法的评估结果。

实施训练数据采集时，通过仿真控制系统的控制软件，控制汽车模型在沙盘内运动，根据需要远程控制灯光和喷雾效果；通过仿真控制系统的控制软件，控制任务模拟系统的光电任务设备伺服运动，使汽车模型目标保持在光电视场内；光电任务设备采集汽车模型的运动图像，并发送至仿真控制系统进行存储，经处理后用于无人机视觉目标跟踪深度学习算法的训练样本库。