一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法，包括步驟(1)從控制角度出發(fā)，通過綜合考慮濾波特性和各運動分量間關(guān)系，在控制器設(shè)計過程中把外回路主要由比例積分環(huán)節(jié)構(gòu)成，且積分環(huán)節(jié)為多個；步驟(2)每個積分環(huán)節(jié)需設(shè)計為內(nèi)環(huán)，形成內(nèi)部負(fù)反饋，以此提升控制內(nèi)部過程變量的估計精度，這樣可通過反向微分單獨獲得每個控制過程變量；步驟(3)在設(shè)計控制器過程中，需保證控制器的時域穩(wěn)定性，滿足李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)；步驟(4)從頻域角度分析濾波器的特性，響應(yīng)帶寬，保證能有效濾波；步驟(5)將過程變量輸出，作為目標(biāo)運動信息的高階估計。該方法依靠濾波降低了輸入位置信號的噪聲，且不基于目標(biāo)的運動模型，與控制易于結(jié)合，計算簡單，容易實現(xiàn)。
【專利說明】
一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于目標(biāo)跟蹤與信息融合領(lǐng)域，具體的涉及一種多階目標(biāo)運動信息的估計 方法，主要用于從控制角度對運動目標(biāo)的多階運動信息進(jìn)行估計。
【背景技術(shù)】
[0002] 光電、雷達(dá)等目標(biāo)跟蹤設(shè)備在對目標(biāo)跟蹤過程中，要實現(xiàn)目標(biāo)的高精度跟蹤，僅僅 依靠能直接觀測的目標(biāo)位置信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而需要利用觀測位置對目標(biāo)運動高階信息，包 括目標(biāo)速度、加速度、加加速度等信息進(jìn)行估計，以此獲取對運動目標(biāo)軌跡更精確地描述， 從而實現(xiàn)高精度跟蹤。
[0003] 傳統(tǒng)的目標(biāo)運動信息融合主要有兩種方法：一種是微分方法，采用直接對測量的 位置信息進(jìn)行微分，獲取目標(biāo)運動速度，再次微分得到加速度;另一種是基于目標(biāo)運動模型 的估計，主要利用卡爾曼濾波器進(jìn)行預(yù)測濾波，通過狀態(tài)方程獲取運動高階信息。但是，第 一種方法中微分會放大噪聲，獲取到的速度、加速度信息信噪比大幅降低，大多數(shù)情況下該 方法只能微分一次到速度，若再微分得到的加速度則淹沒于噪聲中，無法使用。第二種方法 從信號處理角度進(jìn)行分析，基于卡爾曼預(yù)測濾波方法能較為有效的獲取目標(biāo)運動信息，但 是存在計算量大，且依靠先驗，對初始參數(shù)敏感等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對微分估計方法的噪聲大和模型估計方法的計算量大等問題，本方法從全新的 控制角度分析數(shù)據(jù)融合濾波問題，其目的是提供一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法。本方 法利用控制過程中的積分單元，逐級嵌套構(gòu)成一個高階濾波控制器，控制過程中通過積分 方式得到目標(biāo)運動的速度、加速度，甚至更高階的目標(biāo)運動分量。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法，該方法步驟如下：
[0006] 步驟（1):從控制角度出發(fā)，通過綜合考慮濾波特性和各運動分量間關(guān)系，其中位 置、速度、加速度之間為逐級微分關(guān)系，反之則為積分環(huán)節(jié)，在控制器設(shè)計過程中外回路主 要由比例積分環(huán)節(jié)構(gòu)成，且積分環(huán)節(jié)為多個；
[0007] 步驟(2):每個積分環(huán)節(jié)需設(shè)計為內(nèi)環(huán)，形成內(nèi)部負(fù)反饋，以此提升控制內(nèi)部過程 變量的估計精度，這樣可通過反向微分單獨獲得每個控制過程變量；
[0008] 步驟(3):在設(shè)計控制器過程中，需保證控制器的時域穩(wěn)定性，滿足李雅普諾夫穩(wěn) 定性判據(jù)；
[0009] 步驟(4):從頻域角度分析濾波器的特性，響應(yīng)帶寬，保證能有效濾波；
[0010] 步驟(5):將過程變量輸出，作為目標(biāo)運動信息的高階估計。
[0011] 其中，步驟（1)中來源于控制中的思想，針對輸入目標(biāo)信息設(shè)計一個濾波器，該濾 波器利用控制環(huán)節(jié)中的積分環(huán)節(jié)和比例反饋形成閉環(huán)單元，其中每個閉環(huán)單元的輸出被稱 為過程狀態(tài)變量，該過程狀態(tài)變量通過積分單元反向與各運動分量進(jìn)行--對應(yīng)，包括位 置、速度和加速度。此種方法在設(shè)計時對于各濾波參數(shù)具有明確的指導(dǎo)，先從整體上設(shè)計濾 波器，確定濾波階數(shù)和濾波參數(shù)。
[0012] 其中，步驟(2)中每個內(nèi)回路的開環(huán)為一個積分環(huán)節(jié)，采用比例反饋的形式構(gòu)成內(nèi) 閉環(huán)回路，內(nèi)閉環(huán)回路可提升控制內(nèi)部過程狀態(tài)變量的估計精度。當(dāng)濾波器的整體階數(shù)和 參數(shù)確定后，則需要對積分單元進(jìn)行離散處理，然后針對各閉環(huán)回路單獨一步一步進(jìn)行計 算，獲取過程狀態(tài)變量，而不是整體上的濾波處理再積分。
[0013] 其中，步驟(3)中在設(shè)計過程中保證控制器的時域穩(wěn)定，也可通過勞斯穩(wěn)定性判據(jù) 進(jìn)行判定。
[0014] 其中，步驟(4)中對濾波特性的要求，需保證濾波有效，在整體濾波器設(shè)計時利用 其頻率伯德圖對其濾波特性進(jìn)行選擇，針對不同的噪聲特性設(shè)計不同的濾波性能。
[0015] 本發(fā)明的原理在于：
[0016] 從控制角度看濾波問題則是設(shè)計一個控制器作為濾波器，例如常見的低通濾波器 或高通濾波器，若在設(shè)計控制器過程中綜合考慮濾波特性和各運動分量間關(guān)系（位置、速 度、加速度之間為逐級微分關(guān)系，反之則為積分環(huán)節(jié)），則可在濾波器中以積分環(huán)節(jié)為基本 單元設(shè)計，這在控制器設(shè)計過程中是比較容易實現(xiàn)的。從數(shù)據(jù)物理含義分析，濾波器輸入為 位置信息，則輸出數(shù)據(jù)的物理含義依舊為位置信息，但是由于濾波器過程中存在積分環(huán)節(jié)， 從輸出的估計位置返回看控制器中間輸出變量則依次為速度、加速度，或更高階信息。該方 法依靠濾波降低了輸入位置信號的噪聲，且不基于目標(biāo)的運動模型，與控制易于結(jié)合，計算 簡單，容易實現(xiàn)。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：
[0018] (1)同微分估計方法相比，本發(fā)明該方法利用濾波過程降低了位置估計噪聲，從而 降低整個高階估計的噪聲，估計輸出更接近真實值；
[0019] (2)相對基于運動模型的卡爾曼預(yù)測估計方法，本發(fā)明不基于目標(biāo)的運動模型，降 低了卡爾曼濾波中擴張狀態(tài)觀測器的估計誤差，避開了依靠先驗和對初始參數(shù)敏感，結(jié)合 控制降低了計算量，提高了算法實時性；
[0020] (3)相對目前的狀態(tài)估計方法來說，本發(fā)明降低了估計誤差，實現(xiàn)簡單，結(jié)合控制 具有很好的結(jié)合性和擴展性。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發(fā)明的多階目標(biāo)運動信息估計的控制器設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖2是本發(fā)明的三階目標(biāo)運動信息估計的控制器設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖3是本發(fā)明的一設(shè)計實例的伯德圖。
[0024]圖4是本發(fā)明的該設(shè)計實例的加速度估計與微分加速度的數(shù)據(jù)對比圖。
【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細(xì)說明。
[0026]如圖1所示是本發(fā)明的多階目標(biāo)運動信息估計的控制器設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，這是該方法 的通用控制框架，其控制器數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
[0027]
[0028] 其中，Θ為位置輸入，0e為濾波后的位置估計輸出，n為估計階數(shù)，kn為比例系數(shù)，圖I 中為控制過程的中間輸出變量，也就是高階估計輸出。
[0029]下面以三階目標(biāo)運動信息估計為例進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0030] 步驟(1):如圖2所示，從控制角度出發(fā)，在控制器設(shè)計過程中考慮外回路主要由比 例積分環(huán)節(jié)構(gòu)成，且積分環(huán)節(jié)為3個，實現(xiàn)對位置、速度、加速度、加加速度信息的估計，其控 制輸出表達(dá)式如下；
[0031]
[0032]其中，Θ為位置輸入，0e為濾波后的位置估計輸出，kik2為內(nèi)環(huán)負(fù)反饋比例系數(shù)，k 3 為外環(huán)比例系數(shù)，圖2中&為速度估計，&為加速度估計，為加加速度估計。
[0033]步驟(2):每個積分環(huán)節(jié)需設(shè)計為內(nèi)環(huán)，形成內(nèi)部負(fù)反饋，以此提升控制內(nèi)部過程 變量的估計精度，這樣可通過反向微分單獨獲得每個控制過程變量；
[0034]步驟(3):在設(shè)計控制器過程中，需保證控制器的時域穩(wěn)定性，滿足李雅普諾夫穩(wěn) 定性判據(jù)。
[0035] 步驟(4):從頻域角度分析濾波器的特性，響應(yīng)帶寬，保證能有效濾波。如圖3所示 為一濾波特性設(shè)計伯德圖，其中：Iu = 126; k2 = 3021; k3 = 35530;其為一低通濾波器，可有效 濾除高頻部分噪聲數(shù)據(jù)。
[0036] 步驟(5):將過程變量輸出，作為目標(biāo)運動信息的高階估計。如圖4所示為步驟(4) 所設(shè)計的濾波器所得的估計加速度和微分加速度進(jìn)行的效果對比，可以明顯看出估計的加 速度的噪聲相比微分加速度大大降低，能有效濾除高頻噪聲，效果較好。
【主權(quán)項】
1. 一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法，其特征在于:該方法步驟如下： 步驟（1):從控制角度出發(fā)，通過綜合考慮濾波特性和各運動分量間關(guān)系，其中位置、速 度、加速度之間為逐級微分關(guān)系，反之則為積分環(huán)節(jié)，在控制器設(shè)計過程中外回路主要由比 例積分環(huán)節(jié)構(gòu)成，且積分環(huán)節(jié)為多個； 步驟(2):每個積分環(huán)節(jié)需設(shè)計為內(nèi)環(huán)，形成內(nèi)部負(fù)反饋，以此提升控制內(nèi)部過程變量 的估計精度，這樣可通過反向微分單獨獲得每個控制過程變量； 步驟(3):在設(shè)計控制器過程中，需保證控制器的時域穩(wěn)定性，滿足李雅普諾夫穩(wěn)定性 判據(jù)； 步驟(4):從頻域角度分析濾波器的特性，響應(yīng)帶寬，保證能有效濾波； 步驟(5):將過程變量輸出，作為目標(biāo)運動信息的高階估計。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法，其特征在于：步驟（1)中 來源于控制中的思想，利用控制環(huán)節(jié)中的積分環(huán)節(jié)，與各運動分量進(jìn)行一一對應(yīng)，各運動分 量包括位置、速度和加速度，在控制器設(shè)計中加入多個積分環(huán)節(jié)進(jìn)行控制器設(shè)計。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法，其特征在于：步驟(2)中 每個積分環(huán)節(jié)形成內(nèi)回路，加上比例反饋，以此提升控制內(nèi)部過程變量的估計精度，這樣可 通過反向微分單獨獲得每個控制過程變量。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法，其特征在于：步驟(3)中 在設(shè)計過程中保證控制器的時域穩(wěn)定。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多階目標(biāo)運動信息的估計方法，其特征在于：步驟(4)中 對濾波特性的要求，需保證濾波有效。
【文檔編號】G05B17/02GK105843079SQ201610378103
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】鄧超, 曹政, 劉瓊, 毛耀, 任戈
【申請人】中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所