探究两栖坦克目标自动跟踪系统设计和研究

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1、东南大学博士学位论文两栖坦克目标自动跟踪系统设计和研究姓名：王蕾申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：宋文忠20050801。。。，，。。，。，，，，。，。，，。，，。。，，，』L，，茎。。。。。。，。。。。。。，。。，，，，。，一蜒豆i≥翩曼曼曼舅舅曼曼曼曼量曼曼曼曼鲁皇曼曼曼蔓曼皇曼詈曼篁皇曼曼篁皇皇皇曼岛—

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5、曼詈詈詈量詈曼曼曼詈富詈曼曼鼍阜、o∥摘要使用两栖装甲部队担任突击抢滩任务，是登陆作战中较为实用有效的作战形式之一。但现役两栖坦克在海上航行时无法完成精确的

6、目标跟踪和射击任务。为了提高两栖坦克海上行进间的射击命中率，我们对两栖坦克目标自动跟踪系统中的关键技术进行了研究，包括目标自动识别、滤波和预测、跟踪控制等。本课题为某部门的预研项目“提高两栖坦克海上射击命中率的研究”中的一部分，要求海上行驶的坦克对岸上目标如碉堡、坦克等进行有效的跟踪和射击。本论文的工作从以下几个方面展开：目标自动识别方法、状态滤波和预测方法、跟踪控制策略以及目标自动跟踪系统半实物仿真平台的建立等。研究的重点包括：采用滤波法进行海浪模型的建立、复杂背景下的机动目标识别方法研究、基于有限记忆

7、模型的滤波和预测方法的研究、利用滤波预测结果进行广义预测跟踪控制器的设计、目标自动跟踪系统半实物仿真平台的研究和设计、虚拟场景下的摄像机标定技术研究等。本论文的主要内容和创新性工作包括：1研究了现有的海浪建模理论和方法，采用修正滤波法建立了非平稳随机海浪模型。得到了既满足测量靶谱要求，又更接近于实际海浪的模拟。从控制理论角度看，该模型便于用先进的控制理论和方法对控制系统在海浪干扰情况下的控制器的设计。从工程角度看，浚模型简单、易于在线运算。在此基础上，建立了海上坦克的运动模型，具有结构简单，物理意义明确的

8、特点，为海上坦克瞄准、射击问题的进一步研究奠定了基础。2针对海上行进间坦克对目标的观瞄可能会受海浪遮挡的情况，以及战场目标所处的背景较复杂和机动性较强等特点，提出了灰度模板和特征模板相结合的匹配识别方法。该方法综合了灰度模板匹配识剐方法的定位精度高和特征模板匹配识别方法鲁棒性强的优点，并且采用了粗精模板和SSDA搜索策略提高了识别算法的实时性。通过半实物仿真实验证明了该识别方法的有效性。3针对战场上目标机动性能高而又未知其运动规律的特点，提出了基于有限记忆模型的滤波和预测方法。该方法不依赖于目标系统的输入

9、输出特性，而仅根据目标运动轨迹进行建模，特别适合于机械运动目标的滤波和预测。为了能够采用现有的一些滤波方法如Kalman滤波方法，对有限记忆模型和状态空间模型进行了形式上的统一，在模型转换过程中，同时也引入了模型误差。为此，我们提出了采用动态最小二乘辨识方法对有限记忆模型进行在线辨识，然后在此基础上设计了线性最优滤波器和预测器。仿真实验证明基于动态最小二乘辨识的有限记忆模型滤波和预测方法具有良好的滤波效果，并且多步预测误差均值和方差较其他方法要小得多。◎4针对两栖坦克目标跟踪系统中跟踪控制系统的特点，分别

10、采用了带死区的PID控制、模糊神经网络控制、广义预测控制三种控制策略，并通过仿真实验进行了比较研究，从跟踪误差、超调量及跟踪稳定时间等性能指标进行了评估，结果表明广义预测控制的综合控制效果最好。分析其原因在于，带死区的PID控制器是根据当前时刻的跟踪误差、跟踪误差累计量及跟踪误差变化进行设计的。模糊神经网络控制器仅利用了当前时刻跟踪误差及跟踪误差变化，再加上专家经验获得的。他们对系统的信息利用只是限于当前时刻及过去时刻。而广义预测控制充分利用了跟踪系统的信息，除了利用目标运动状态实时滤波信息外，还利用了目

11、标运动状态未来时刻的预测信息，这给跟踪性能的提高带来了明显的效果。并且预测控制的思想是有限时域的滚动优化加上实时校正，这也正符合了人眼跟踪目标的智能。5基于三维虚拟目标场景建立了目标自动跟踪半实物仿真系统。该仿真系统以三维虚拟目标场景为目标系统，跟踪摄像头采用CCD摄像头，利用图像采集卡完成对图像电信号的数字化并将采集到的图像实时地送给跟踪计算机，跟踪摄像头对目标的跟踪运动由计算机软件来实现，图像处理、目标识别和跟踪等由跟踪计算机完成。该仿真系统基本满足两栖坦克目标跟踪试验需要，具有一定的实用价值，较全数

12、字目标自动跟踪仿真系统在真实性上更进了一步，并且大大降低了试验成本，缩短了开发周期。6对虚拟环境下的摄像机标定技术进行了研究。在一般的摄像机标定中涉及到的坐标系包括像平面坐标系、摄像机坐标系、世界坐标系。在本系统中由于采用了虚拟目标系统，给摄像机的标定增加了新的内容，除了上面提到的坐标系外又增加了显示设备坐标系，虚拟环境仿真系统坐标系。本文通过设定目标跟踪摄像机和虚拟环境仿真系统摄像机的位置，和对摄像机外部参数进行预标定，简化