13、移动目标跟踪技术详解

移动目标跟踪技术详解

1. 引言

在路径规划领域，由于存在多种不同的场景，很难构建一种能在所有情况下都优于其他算法的独特路径规划算法。在路径规划问题中，有许多启发式方法和变体可供选择。理解所考虑的操作场景类型以及引入的假设，对于设计路径规划算法至关重要。本文聚焦于固定翼无人机对移动地面目标的跟踪问题。

2. 移动目标跟踪问题描述

考虑一架配备视觉传感器的固定翼无人机，其任务是将移动的地面目标保持在相机的视野范围内，如图 1 所示。为了最大化相机的视野，无人机应尽可能保持较高的 z 轴高度，并使无人机与目标在 x - y 轴上的平面距离尽可能接近。然而，每架无人机都有其所能达到的最大高度，并且视觉传感器的性能（如相机分辨率）和天气条件（如云）也会限制可能的最大高度。在这些限制条件下，无人机在 z 方向的最佳选择是最大允许高度，此时目标跟踪问题就转化为二维空间（即 x - y 平面）的问题。

3. 无人机与移动目标建模

3.1 无人机模型

简化的恒定高度下的飞机动力学方程如下：
(\dot{x}_a = v_x)
(\dot{y}_a = v_y)
(\dot{v}_x = u_x)
(\dot{v}_y = u_y)
其中，(x_a) 和 (y_a) 是飞机位置在全局坐标系中的 x 和 y 坐标（单位：米），(v_x) 和 (v_y) 是飞机在 x 和 y 方向的速度（单位：米/秒），(u_x) 和 (u_y) 分别是控制输入（单位：牛顿）。所有量都用全局坐标 x 和 y 表示，如图 2 所示。在状态空间形式下，有：
(\dot{x}_a = \beg