快速相机移动下的目标跟踪解决方案

### 快速相机移动下的目标跟踪解决方案 #### 1. 引言 无人机（UAV）是用于探测和跟踪地面物体的非常有用的平台。基于图像处理方法，有许多解决目标跟踪问题的方案。然而，无人机的行为受天气和类型的影响，其中一个问题可能是快速的风向变化和阵风。这可能导致被跟踪的物体从视野中消失，主要有三个原因： - 物体移动速度比跟踪摄像头快。 - 模式识别算法出现故障，无法识别物体。 - 外部干扰改变了相机的位置，使物体超出了视野范围。 本文专门研究第三种情况。在这种情况下，由于物体从画面中消失，无法使用图像处理方法。假设相机安装在直升机下方，被跟踪的物体在地面上移动，且物体在平坦表面上移动。快速的阵风可能会导致物体从通过通信系统传输的画面中消失。直升机的位置决定了观察地面的部分，因此控制算法的第一步是将直升机恢复到水平位置，然后通过开发的控制算法将相机设置到由最后物体位置确定的方向。为了便于说明，本文仅关注二维空间。 #### 2. 相机移动校正 算法的主要元素基于直升机、相机和被跟踪物体位置之间的基本几何关系。只有当模式识别算法给出物体在画面中的信息时，才计算当前物体的位置。当干扰导致相机转向完全不同的方向时，会利用这个当前物体位置。 以下是一些假设的术语： | 术语 | 含义 | | ---- | ---- | | $\alpha_h$ | 直升机偏离垂直位置的角度 | | $\alpha_k$ | 相机偏离垂直位置的角度（相机指向地面时为 0；顺时针角度 $\alpha_k > 0$，逆时针角度 $\alpha_k < 0$，最大值为 90°） | | $x$ | 表示直升机和物体与地面在水平方向上位置的轴 | | $y$ | 表示直升机和物体与地面在垂直方向上位置的轴 | | $y_0 = 0$ | 表示物体始终在地面上 | 物体位置的计算基于测距仪数据（距离 $d$）、GPS 和 IMU 数据 $(x_{k1}, y_{k1}, \alpha_{k1})$： \[x_0 = d \cdot \sin(\alpha_{k1}) + x_{k1} \text{ 或 } x_0 = (d^2 - y_{k1}^2)^{0.5} + x_{k1}\] 当发生干扰时，物体从画面中消失。此时直升机控制系统将直升机转向接近水平的位置，然后测量 $x_{k2}, y_{k2}, \alpha_{k2}$。接下来计算校正角度，直升机必须旋转这个角度。所需的相机倾斜角度 $\alpha_{kset}$ 基于物体和相机的位置计算： \[\alpha_{kset} = \arctan\left(\frac{x_0 - x_{k2}}{y_{k2}}\right)\] 旋转补偿角度 $\alpha_{rot}$ 为： \[\alpha_{rot} = \alpha_{kset} - \alpha_{k2}\] 需要注意角度的符号，它取决于物体相对于相机位置的位置。 mermaid 流程图如下： ```mermaid graph LR A[物体在画面中] --> B[计算物体位置] B --> C{发生干扰?} C -- 是 --> D[直升机恢复水平位置] D --> E[测量新的相机参数] E --> F[计算校正角度] F --> G[旋转相机] C -- 否 --> B ``` #### 3. 跟踪算法系统建模 为了检查所开发算