魏高樂，高 進，牛和明，陳朝暉

(北京控制工程研究所，北京 100190)

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交會對接成像軟件的多目標跟蹤改進*

魏高樂，高 進，牛和明，陳朝暉

(北京控制工程研究所，北京 100190)

介紹交會對接成像敏感器的工作原理以及由單組條帶預判窗口跟蹤模式的單一目標敏感器組成的交會對接測量系統(tǒng).從敏感器嵌入式軟件的層面，提出多目標窗口計算、多目標條帶預判、多目標匹配計算和多目標測量結果處理等4項改進方法，在硬件系統(tǒng)完全不變的情況下，改善多目標跟蹤交會對接敏感器性能.該項改進將單機系統(tǒng)提升為多機熱備份系統(tǒng)，提高系統(tǒng)安全性.實現(xiàn)不同目標器之間的自主跟蹤切換，優(yōu)化交會對接流程.此外，變不同敏感器之間切換為敏感器處理對象切換，提升交會對接過程的可靠性.改進后的算法已在我國交會對接各重點型號試驗中順利應用.

嵌入式軟件；交會對接；多目標；圖像處理；敏感器

0 引 言

中國在空間交會對接技術方面發(fā)展突飛猛進，不僅完全掌握了交會對接技術，而且開展了所有交會對接測量設備的自主研發(fā)與應用[1-2].在對接過程中接近靠攏段，追蹤飛行器利用相對位置、角度測量敏感器精確測量兩個飛行器間的距離、相對速度和姿態(tài)，同時啟動小發(fā)動機進行機動，使之沿對接走廊向目標最后逼近[3-4].其中所使用的測量敏感器即為交會對接光學成像敏感器，作為在此階段測量兩個飛行器相對位置、姿態(tài)的唯一敏感器，是任務成功的關鍵.

交會對接光學成像敏感器由安裝在追蹤飛行器的相機和安裝在目標飛行器的目標標志器組成，其中每組目標標志器由若干個目標燈或角反射器依據(jù)協(xié)議布局構成.敏感器的任務是在對接過程中高頻成像，通過實時對圖像上各光點位置計算目標與相機的相對位置、角度關系.

為保證敏感器在整個接近靠攏段內(nèi)測量結果的可靠穩(wěn)定和數(shù)據(jù)有效性，相機和目標均由多套組成，互為備份，如圖1所示.目標數(shù)量為N，成像敏感器數(shù)量為M，其中M=N×n，n=1，2，3……，即每個目標有一個或若干個敏感器光學探頭對應成像、識別、計算.

圖1 交會對接成像敏感器構成Fig.1 Constitution of RVD sensor

如果目標光點或布局過大會造成相機近距離內(nèi)無法完整成像，如果過小又會造成遠距離照片無法清晰成像.鑒于此，目標航天器的對接面上通常安裝光點或布局大小不同的N組目標，如圖2以N=3為例所示.3組目標分別在不同的相對距離區(qū)間下給予敏感器有效的測量圖像，稱為遠場、近場、超近場目標，各目標成像敏感器則稱為遠場、近場、超近場敏感器.

多組敏感器在不同相對距離的有效性如圖3所示.為確保交會對接過程始終能夠輸出有效測量數(shù)據(jù)，遠場與近場、近場與超近場敏感器之間各存在一個有效區(qū)間重疊區(qū)域.未進入重疊區(qū)域時，只有一個目標的成像敏感器有數(shù)據(jù)輸出.當相對距離進入重疊區(qū)域后，相對近距離的敏感器將能輸出測量數(shù)據(jù).再進一步靠近而離開重疊區(qū)域后，相對遠距離的敏感器不再可用，以此實現(xiàn)各個不同敏感器的切換.

圖2 3組大小不同的目標光點示意圖Fig.2 Illustration of spots in 3 targets with different size

圖3 各組目標的有效距離區(qū)間Fig.3 Illustration of working zone for different targets

1 單組目標條帶預判算法

1.1 窗口跟蹤原理

為提升敏感器數(shù)據(jù)更新率、降低圖像搜索時長，系統(tǒng)引入窗口跟蹤策略.嵌入式軟件每次成功計算后記錄每個光點在圖像上的坐標位置，對下一周期新圖像僅在以各光點所記錄位置為中心的圖像小窗口內(nèi)進行搜點操作.縮小所處理圖像像素個數(shù)，降低光點搜索耗時.

1.2 條帶及偏移量算法

為減少探頭拍圖時間，成像敏感器探頭能夠實現(xiàn)針對特定行區(qū)間的拍圖操作.嵌入式軟件通過在敏感器探頭每次拍圖前，指定所需條帶的數(shù)量以及每個條帶的上下限行號，實時控制下一周期圖像的條帶情況.完整全圖成像也可視為一個特別的條帶圖.

嵌入式軟件通過光點預判搜索窗口預設相機探頭需要成像的條帶，同時計算每條帶的偏移量.如圖4 所示，圖4(a)為完整相機鏡頭視場內(nèi)的預判目標點的n個搜索窗口分布.圖4(b)為需要拍圖的N個成像條帶及其之間的間隔.

圖4 跟蹤狀態(tài)下的圖像示意Fig.4 Illustration of tracking image

再通過所記錄的每個條帶對應的寬度和偏移量，將圖4(c)恢復為圖4(b)，從而計算每個光點的真實位置.

1.3 條帶預判跟蹤流程

具備條帶預判跟蹤功能的交會對接敏感器軟件工作流程如圖5所示.敏感器通過一次全圖搜索計算成功后，即可進入并始終維持在條帶窗口跟蹤模式.實驗結果表明：條帶預判跟蹤流程比全圖捕獲流程耗時短3個數(shù)量級，這是高頻實時更新計算結果、交會對接任務成功的關鍵.

圖5 交會對接成像敏感器軟件流程Fig.5 Flow chart of the software for RVD image sensor

結合圖3可見，交會對接相對遠距離時只有遠場敏感器能正常工作.由于遠距離圖像光點位置變化小，遠場敏感器能在靠攏運行動態(tài)過程中完成全圖捕獲后順利切換至高頻跟蹤模式.而近場、超近場敏感器則在遠距離無法成功計算，始終工作在低頻更新的全圖搜索模式，直到進入有效區(qū)域后才能首次計算成功.與遠場敏感器全圖捕獲工況不同，近距離圖像動態(tài)變化較大.為避免切換到跟蹤模式后，因全圖計算時間過長而出現(xiàn)目標光點已不在窗口內(nèi)從而無法跟蹤的現(xiàn)象，交會對接過程在多套敏感器有效區(qū)間重疊區(qū)域特定設計了一定時間的“相對停泊”.為近場、超近場敏感器提供靜態(tài)工況，使其能在靜態(tài)圖像狀態(tài)下完成從全圖模式到跟蹤模式的切換.

2 跟蹤軟件的多目標改進

2.1 多目標光點窗口預測

為使近場、超近場目標跳過全圖搜索，直接跟蹤識別，敏感器嵌入式軟件對光點預測窗口算法進行改進：成功運算后不簡單記錄每個有效光點位置，而是依照計算結果反推每套目標的所有光點在圖像上的理論位置，作為下一個周期的跟蹤窗口中心.

計算跟蹤窗口過程如圖6所示，遠距離未識別出近場、超近場兩套目標，軟件通過對遠場目標的識別、計算獲取相對位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，反推所有3套目標在成像面上的理論位置如圖6(b)所示.并以此開辟所有光點的搜索窗口.

圖6 確認跟蹤窗口過程Fig.6 Calculation process of track windows

2.2 多目標條帶計算與優(yōu)化

如果某組目標部分光點理論位置不在圖像視場內(nèi)，導致其理論上無法匹配計算，則舍棄該目標所有光點窗口.針對所有理論上能夠實現(xiàn)匹配計算的目標器光點窗口，計算條帶和偏移量.

拍攝條帶圖是為保證探頭能在短時間內(nèi)完成目標圖和背景圖的兩次拍攝[5].相對于單組目標，多組目標同步計算條帶勢必增大條帶的寬度.當寬度超過探頭所能實現(xiàn)的上限時，則舍棄光點面積最大的遠場目標所有窗口，重新計算新條帶.如果不包含遠場目標的條帶寬度仍然超過限度，則舍棄近場窗口，僅保留超近場窗口計算條帶.如圖7所示.從而保證對接靠近過程中，條帶的動態(tài)合理分布和各組目標的優(yōu)化切換.

2.3 多目標同步匹配

敏感器軟件通過向探頭發(fā)送多目標條帶參數(shù)信息，實現(xiàn)多目標條帶圖像的拍攝，再針對多目標條帶開展多目標同步匹配操作.基于條帶參數(shù)信息，將圖像中具備所有目標標志器各進行一次搜圖、匹配、計算操作，如圖8所示.

2.4 多目標測量結果擇優(yōu)輸出

通過多目標匹配計算流程，每個周期最多能得到3組不同目標的位姿結果.軟件對測量結果進行處理，擇優(yōu)輸出.根據(jù)圖3有效區(qū)間分配，計算結果處理如下：

1)如果只有一組目標完成計算，則輸出該組目標結果；

2)如果有包括近場目標在內(nèi)的兩組目標完成計算，則輸出這兩組結果；

3)由于遠場與超近場目標器沒有有效區(qū)間重合區(qū)域，如果3組目標都完成計算，則先認定作用區(qū)間居中的近場目標結果為有效數(shù)據(jù)進行輸出，同時利用該數(shù)據(jù)對遠場和超近場兩組結果進行仲裁，認定與近場結果相近的數(shù)據(jù)同為有效結果進行輸出；

4)如果近場目標未輸出有效結果，而超近場和遠場均完成了計算，則認為兩個計算結果均為無效，不予以輸出.

擇優(yōu)處理過程如圖9所示.

圖8 多目標匹配計算流程Fig.8 Flowchart of multi-target calculation

圖9 多目標結果擇優(yōu)輸出Fig.9 Optimization of the results by multi-target

3 多目標改進跟蹤流程

在單目標算法的基礎上，新增多目標窗口計算、多目標條帶預判、多目標匹配計算和多目標測量結果處理等4個改進措施，形成可同時對視場內(nèi)所有目標同步識別計算的多目標跟蹤算法，如圖10所示.

圖10 多目標跟蹤的軟件流程Fig.10 Flowchart of multi-target tracing software

實驗結果表明針對嵌入式軟件進行多目標跟蹤改進后，交會對接成像敏感器可實現(xiàn)針對有效光點所在條帶的單獨積分成像，且由于窗口合理刪減，雜光干擾得到有效抑制，軟件可刪去文獻[6]的圖像閾值計算和文獻[7-8]的光點分組篩選流程，有效降低計算耗時.針對大量圖像實驗結果如表1所示.

敏感器通過各項針對軟件的改進后，不再具備目標特定屬性，只要相機視場內(nèi)有對應的目標成像，本體航天器上的所有敏感器都能同時作為遠場、近場、超近場敏感器.特別是條帶配置算法使交會對接靠近過程中，每個敏感器的目標條帶自動從遠場逐步向近場、超近場切換.避免了單目標系統(tǒng)下，遠距離時的近場、超近場敏感器和近距離時的遠場敏感器的閑置浪費.在硬件不變前提下，整個交會對接過程都實現(xiàn)了多機熱備份，提升了交會對接成像測量系統(tǒng)的可靠性.

表1 大量圖像試驗結果及耗時數(shù)據(jù)Tab.1 Results and time consumption of a large number of image processes

每組目標的光點窗口和條帶分布不再依據(jù)本組目標的歷史數(shù)據(jù).僅需任何一套目標成功計算，即可使所有目標直接進入跟蹤模式，使近場、超近場目標器進入有效量程后直接實現(xiàn)高頻跟蹤.避免了每組目標獨立全圖搜索過程，使交會對接無需再設置安全區(qū)間停泊點，優(yōu)化了任務流程.

兩組目標器有效范圍的重合區(qū)間，作為單目標系統(tǒng)不同敏感器正常工作的切換點是安全性最薄弱環(huán)節(jié).而多目標系統(tǒng)僅切換圖像條帶而不切換敏感器本身，在重合區(qū)間每套敏感器都能同時實現(xiàn)兩套目標跟蹤計算，拓展了原有的安全瓶頸.

4 結 論

針對交會對接多目標配置和停泊點切換設置特性，在單一目標條帶預判跟蹤算法基礎上，設計多目標窗口計算、多目標條帶預判、多目標匹配計算和多目標測量結果處理等4項針對敏感器嵌入式軟件的改進措施，實現(xiàn)了多目標跟蹤的交會對接敏感器.實驗結果表明，該改進算法在系統(tǒng)硬件配置不變的前提下，將單機系統(tǒng)提升為多機熱備份系統(tǒng)，提高了安全性.同時改變了原有停泊點切換目標的設計理念，實現(xiàn)了相對近場目標器的直接跟蹤切換，優(yōu)化了整個交會對接任務流程.變不同敏感器之間切換為每個敏感器內(nèi)部的處理對象變化，提升了交會對接過程的可靠性.

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Improvement of Track Software for Multi-Target Image inRendezvous and Docking

WEI Gaole, GAO Jin, NIU Heming, CHEN Zhaohui

(BeijingInstituteofControlEngineering，Beijing100190，China)

The principle of rendezvous and docking image (RVD) sensor is introduced. The measure system of one-target RVD image sensor with image track windows is presented. Without any change in the hardware of the sensor, four improvements of embedded software are brought to multi-target RVD image sensor, such as multi-target calculating track windows, multi-target prediction of image row windows, multi-target image match and multi-target results optimization. The safety level ascends when the measure system becomes multi-spare mode. The automatic switch within different targets improves the process of RVD. The independence level is greatly improved while the switch of different camera is replaced by different spots in images from one camera. The improvements are already used in many missions of RVD in China.

embedded software; RVD; multi-target; image process; sensor

*國防基礎科研資助項目(JCKY2016203B006).

2016-12-05

V445.8;TP391.41

A

1674-1579(2017)02-0073-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.02.012

魏高樂(1985—)，男，工程師，研究方向為星(船)載嵌入式軟件、模式識別；高 進(1972—)，男，研究員，研究方向為星(船)載嵌入式軟件；牛和明(1983—)，男，工程師，研究方向為嵌入式軟件測試、圖像處理；陳朝暉(1969—)，男，研究員，研究方向為星(船)載嵌入式軟件.