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一种基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,实现步骤如下:利用生成的预测网络和更新网络的训练集,分别训练用于从目标历史位置向量中学习运动方式来预测目标位置向量的预测网络,以及用于通过从量测中学习噪声特性来更新目标位置向量的更新网络。利用训练好的预测网络预测目标的位置向量;利用全局最近邻GNN算法,为待跟踪目标分配对应量测;利用训练好的更新网络从量测中更新目标位置向量。本发明通过两种网络分别预测和更新目标的位置,摆脱了模型和噪声先验的限制,使得本发明在跟踪多目标时自适应处理多种运动方式的同时提高了跟踪精度。
A multi-target adaptive tracking method based on prediction network and update network The implementation steps are as follows : using the generated training sets of the prediction network and the update network, respectively train the prediction network for predicting the target position vector by learning the motion pattern from the target historical position vector, and the update network for learning the noise characteristics from the measurements. Update the target position vector Use the trained prediction network to predict the position vector of the target; the global nearest neighbor GNN algorithm is used to assign corresponding measurements to the target to be tracked; updating the target position vector from the measurements using the trained update network. The invention predicts and updates the position of the target through two networks respectively, getting rid of the limitation of the model and the noise prior, so that the invention improves the tracking accuracy while adaptively processing multiple movement modes when tracking multiple targets.
| 主分类号 |
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| IPC分类号 | |
| CPC分类号 |
| 国民经济行业分类 | 制造业 信息传输、软件和信息技术服务业 |
| 国民经济行业(主) | 制造业 |
| 新兴产业分类 | 互联网与云计算、大数据服务 |
| 知识密集型分类 | 信息通信技术制造业 信息通信技术服务业 新装备制造业 |
| 学科分类 | 工程 |
| 清洁能源产业分类 | 风能产业 |
| 数字经济核心产业分类 | 数字产品制造业 数字技术应用业 数字要素驱动业 |
| 代理机构 | 陕西电子工业专利中心 61205 |
| 代理人 | 田文英; 王品华 |
| 申请语言 | 汉语 |
| 审查员 | 田俊峰 |
1.一种基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,其特征在于,构建用于从目标历史位置向量中学习运动方式来预测目标位置向量的预测网络,构建用于通过从量测中学习噪声特性来更新目标位置向量的更新网络,结合全局最近邻GNN数据关联算法实现多目标自适应跟踪;该方法的具体步骤如下:
步骤1,构建预测网络:
搭建一个深度长短时记忆DLSTM子网络与全连接子网络FCN串联组成的预测网络,将预测网络的DLSTM子网络中深度设置为2,输入维度设置为2,输入时间步长设置为10,隐藏层维度设置为64;将FCN的输入维度设置为64,输出维度设置为2;
步骤2,构建更新网络:
搭建一个结构与预测网络相同的更新网络;将更新网络中的DLSTM子网络的深度设置为3,输入维度设置为2,输入时间步长设置为20,隐藏层的维度设置为128;将FCN的输入维度设置为128,输出维度设置为2;
步骤3,生成预测网络的训练集:
步骤3.1,在[‑2000,2000]m×[‑2000,2000]m的低空平面场景中,随机选取每种运动方式中至少128个以该方式移动的目标,以雷达扫描跟踪场景的周期时间为采样间隔,对跟踪时长进行均匀采样,得到多个采样时刻;
步骤3.2,利用状态转移方程,将每个目标的状态向量由上一采样时刻转移至下一采样时刻,转移m次后得到该目标所有采样时刻的状态向量,其中,m的取值由每个待跟踪目标的跟踪时长确定;
步骤3.3,从每个目标在每个采样时刻的状态向量中提取的x轴坐标值和y轴坐标值组成一个位置向量,将每个目标所有采样时刻的位置向量组成该目标的位置序列;
步骤3.4,将每个目标的位置序列划分为n‑9条子序列,将前后相邻的两条子序列组成一对训练样本,前一条子序列作为输入序列,后一条子序列作为标签序列,将所有训练样本组成预测网络的训练集,其中,n表示位置序列的长度,n=m+1;
步骤4,生成更新网络的训练集:
步骤4.1,利用观测方程,计算每个目标每个采样时刻的带噪声量测向量,将每个目标在所有采样时刻的带噪声量测向量组成该目标的量测序列;
步骤4.2,将每个目标的量测序列和位置序列分别划分为n′‑19条子序列,将同一起点时刻的量测子序列和位置子序列组成一对训练样本,将量测子序列作为输入序列,位置子序列作为标签序列,将所有训练样本组成更新网络的训练集,其中,n′表示量测序列的长度,取值与n相等;
步骤5,训练预测网络:
将预测网络的训练集输入到预测网络中,利用Adam优化算法和模拟退火算法,迭代更新预测网络中的参数,直至损失函数收敛为止,得到训练好的预测网络;
步骤6,训练更新网络:
将更新网络的训练集输入到更新网络中,利用Adam优化算法和模拟退火算法,迭代更新网络中的参数,直至损失函数收敛为止,得到训练好的更新网络;
步骤7,利用预测网络和更新网络对场景中的多个目标进行跟踪:
步骤7.1,将雷达两个扫描周期的时间内连续观测到的目标作为待跟踪目标;
步骤7.2,将每个待跟踪目标从初始采样时刻到当前采样时刻之间的位置向量组成一个序列,将归一化后每个目标的位置序列,分别输入到训练好的预测网络中,将输出的每个序列中最后一个向量作为该目标在当前采样时刻的预测位置向量;
步骤7.3,利用欧氏距离的计算公式,计算每个待跟踪目标在当前采样时刻的预测位置向量与每个带噪声量测向量之间的欧氏距离,作为该跟踪目标与该量测二者之间关联的代价,利用全局最近邻GNN数据关联算法,为每个目标分配一个关联量测向量;
步骤7.4,将每个待跟踪目标从初始采样时刻到当前采样时刻之间的所有关联量测向量组成一个序列,将归一化后的每个待跟踪目标的量测序列,分别输入到训练好的更新网络中,将输出的每个序列中最后一个向量作为该目标在当前采样时刻的更新位置向量;
步骤7.5,判断当前跟踪的采样时刻是否为最后一个采样时刻,若是,则执行步骤8,否则,执行步骤7.2;
步骤8,合成轨迹:
根据每个更新位置向量确定待跟踪目标在每个时刻的位置,将每个待跟踪目标在所有采样时刻的位置连起来得到该目标的跟踪轨迹。
2.根据权利要求1所述的基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,其特征在于:步骤3.2中所述的状态转移方程如下:其中,
表示第l个目标在第k个采样时刻的状态向量,k=1,2,...,n,
表示第l个目标在k‑1个采样时刻的状态转移矩阵,
表示第l个目标在第k‑1个采样时刻的状态向量,
表示第l个目标由第k‑1个采样时刻转移至第k个采样时刻的过程中的噪声向量。
3.根据权利要求1所述的基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,其特征在于:步骤3.2中所述的状态向量包含的参数依次为:目标的x轴坐标值、目标沿x轴方向的移动速度、目标的y轴坐标值、目标沿y轴方向的移动速度、目标的转动角速度、目标在x轴方向的加速度、目标在y轴方向的加速度。
4.根据权利要求1所述的基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,其特征在于:步骤3.4中所述将每个目标的位置序列划分为n‑9条子序列指的是,以每条位置序列中的每个时刻为起点,每10个时刻为一个划分步长,以滑动的形式将每个目标的位置序列划分为n‑9条子序列。
5.根据权利要求1所述的基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,其特征在于:步骤4.1中所述的观测方程如下:其中,
表示第l个目标在第k个采样时刻的带噪声量测向量,Hk表示状态向量由状态空间映射到观测空间的转换矩阵,
表示第l个目标在第k个采样时刻由状态向量转换为量测向量过程中的噪声向量。
6.根据权利要求1所述的基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,其特征在于:步骤4.2中所述将每个目标的量测序列和位置序列分别划分为n′‑19条子序列指的是,以每条序列中的每个时刻为起点,每20个采样时刻为一个划分步长,以滑动的形式将每个目标的位置序列和量测序列分别划分为n′‑19条子序列。
7.根据权利要求1所述的基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,其特征在于:步骤5中所述的损失函数如下:其中,M表示预测网络的训练集中训练样本的总数,
表示第ip个训练样本的输入序列中包含的向量总数,
表示第ip个训练样本的标签序列中的第r个向量,
表示第ip个训练样本的输入序列经预测网络输出序列中的第r个向量,||·||2表示求二范数。
8.根据权利要求1所述的基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,其特征在于:步骤6中所述的损失函数如下:其中,M′表示更新网络的训练集中训练样本的总数,
表示第iu个训练样本中输入序列所包含的向量总数,
表示第iu个训练样本中标签序列中的第r′个向量,
表示第iu个训练样本中的输入序列经更新网络输出序列中的第r′个向量。
9.根据权利要求1所述的基于预测网络和更新网络的多目标自适应跟踪方法,其特征在于:步骤7.3中所述的欧氏距离的计算公式如下:其中,xp表示第p个目标在当前采样时刻的位置向量,zq表示当前采样时刻的第q个带噪声量测向量,D表示状态向量和带噪声量测向量的维度,xp(d)表示xp中第d维的数值,zq(d)表示zq中第d维的数值。
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