主要内容

多目标跟踪导论

背景

跟踪对于自主系统的引导、导航和控制是必不可少的。跟踪系统估计目标(目标数量及其状态),并通过检测(运动学参数和属性)和随时间跟踪这些目标来评估感兴趣区域的态势环境。最简单的跟踪系统是无杂波环境下的单目标跟踪(STT)系统,它假设感兴趣的区域中只有一个目标。STT不需要数据分配或关联,因为对独立目标的检测可以直接提供给用于估计目标状态的估计器或过滤器。

现代跟踪系统通常包括多目标跟踪(MTT)系统,其中一个或多个传感器对多个目标产生多个探测,并使用一个或多个跟踪来估计这些目标的状态。MTT必须将检测分配给轨道,然后才能将检测用于更新轨道。MTT分配问题具有挑战性,因为以下几个因素:

  • 目标或检测分布——如果目标是稀疏分布的,那么将目标与其对应的检测相关联是相对容易的。然而,如果目标或检测是密集分布的,分配就会变得模糊,因为将目标分配给一个检测或附近的检测几乎不会对成本产生任何影响。

  • 被发现的概率(Pd)的传感器-Pd描述如果目标在传感器的视场内,传感器检测到目标的概率。如果Pd的值较小,则在传感器扫描期间,真实目标可能不会产生任何检测。因此,真实目标所代表的轨道可能会窃取其他轨道的检测。

  • 传感器分辨率-传感器分辨率决定了传感器区分两个目标探测的能力。如果传感器分辨率很低,那么两个接近的目标可能只会产生一次探测。这违反了通常的假设,即每个检测只能分配给一个轨道,并导致轨道之间无法解决的分配冲突。

  • 传感器的杂波或误报率-误报引入了额外的可能分配,因此增加了数据分配的复杂性。

  • 目标和检测数量-可能分配的数量随着目标和检测数量的增加而呈指数增长。因此,获得最优分配需要更多的计算。

MTT系统的要素

跟踪系统要素

该图给出了一个简单递归MTT系统的功能元素的结构表示[1].在实际应用程序中,这些元素的功能可能有相当大的重叠。但是,这种表示方式提供了一种方便的分区方式来介绍MTT系统中的典型功能。

为了解释这个图,假设跟踪器保持了先前扫描的确认或暂定轨迹。现在,系统考虑是否根据传感器接收到的任何新检测来更新轨道。将检测分配给相应的轨道:

  1. 内部滤波器(如卡尔曼滤波器)预测从上一步到当前一步的确认或试探性轨迹。

  2. 跟踪器使用预测估计值和协方差在预测轨迹周围形成验证门。

  3. 落在轨道门内的探测被认为是分配到轨道的候选。

  4. 分配算法(基于特定的跟踪器,如GNN或TOMHT)确定跟踪到检测的关联。

  5. 跟踪器根据分配执行跟踪维护,包括初始化、确认、删除:

    • 未指定的观测可以启动新的试探性轨道。

    • 如果试轨的质量满足确认标准,试轨即被确认。

    • 低质量的音轨将根据删除标准进行删除。

  6. 新的轨迹集(暂定和确认)被预测到下一个扫描步骤,以形成验证门。

检测

检测是一个集合术语,用于指报告输出中包括的所有观测或测量量(参见objectDetection例如)来自传感器。一般来说,观测结果可能包含测量的运动学量(如距离、视线和距离率)和测量的属性(如目标类型、识别号和形状)。检测还应包含获得测量的时间。

对于点目标跟踪,从单个传感器扫描接收到的检测最多可以包含来自每个目标的一个观测值。这个假设极大地简化了分配问题。一个传感器可以对其视野内的目标产生零检测,因为检测的概率,Pd,每个传感器的值通常小于1。此外,每个传感器都可以产生与真实目标不对应的假警报检测。

高分辨率传感器可能会对每个目标产生多个检测,这需要将检测划分为一个有代表性的检测,然后再馈送到基于分配的跟踪器(例如trackerGNNtrackerJPDA,trackerTOMHT).看到基于雷达和摄像头的公路车辆扩展目标跟踪欲知详情。

门控和分配

有关门控和分配的详细信息,请参见跟踪系统分配方法导论“,,全面介绍了分配方法。本节只涉及三个基于分配的跟踪器中使用的门控和分配的基础知识,trackerGNNtrackerJPDA,trackerTOMHT

门控是一种筛选机制,用于确定哪些检测是更新现有轨道的有效候选。门控的目的是减少轨道到探测分配中不必要的计算。利用预测状态及其相关协方差形成预测航迹的验证门,使得具有高关联概率的检测落在航迹的验证门内。只有轨道门内的探测被认为是与轨道一起分配的。

在门控之后,分配函数确定要进行哪些跟踪到检测的分配。在工具箱中的三个跟踪器中使用了三种分配方法:

  • trackerGNN—全局最近数据关联。基于似然理论,GNN方法的目标是最小化考虑所有跟踪到检测分配的总体距离函数。

  • trackerJPDA-联合概率数据关联。JPDA方法采用软赋值,使得在航迹验证门内的检测都可以根据它们的关联概率对航迹做出加权贡献。

  • trackerTOMHT-面向轨迹的多假设跟踪。与GNN和JPDA不同,MHT是一种延迟决策方法,允许将困难的数据关联情况推迟到接收到更多信息为止。

决定使用哪个跟踪器取决于目标的类型和可用的计算资源:

  • GNN算法是最简单的。该方法计算成本低,对于稀疏分布的目标跟踪性能较好。

  • JPDA算法计算成本较高,但也适用于大间距目标。它通常在杂波环境中比GNN表现更好。

  • TOMHT跟踪器需要大量的计算资源,通常是三种跟踪器中性能最好的,特别是对分布密集的目标。

有关详细信息,请参见模糊状态下跟踪紧密间隔目标这三个跟踪器的比较示例。

跟踪维护

航迹维护是指航迹发起、确认、删除功能。

跟踪起始.当检测没有分配给一个现有的轨道时,可能需要创建一个新的轨道:

  • GNN方法在未分配到现有轨道的观测数据上启动新的暂定轨道。

  • JPDA方法在分配概率低于指定阈值的观测上启动新的试探性轨道。

  • MHT方法在与现有航迹的距离大于指定阈值的观测数据上启动新的试探性航迹。跟踪器使用后续数据来确定这些新启动的跟踪中哪些是有效的。

跟踪确认.一旦形成了一个暂定轨道,就会有一个确认逻辑来标识轨道的状态。工具箱中使用了三个轨迹确认逻辑:

  • 历史逻辑:如果一条航迹至少被分配给一次检测,则该航迹被确认最近的更新N更新。可以设置的具体值而且NtrackerGNN而且trackerJPDA使用这个逻辑。

  • 轨迹得分逻辑:轨迹得分高于设定的阈值,则轨迹被确认。轨道分数越高,意味着轨道更有可能是有效的。分数是轨道来自真实目标的概率与轨道是假的概率之比。trackerGNN而且trackerTOMHT使用这个逻辑。

  • 积分逻辑:轨道存在的积分概率大于阈值,则确认轨道。trackerJPDA使用这个逻辑。

记录删除.如果在一段合理的时间内没有更新音轨,则删除音轨。删除音轨的条件与确认音轨的条件类似:

  • 历史逻辑:如果一个轨道至少没有被分配给检测,那么这个轨道将被删除P最近的时间R更新。

  • 音轨评分逻辑:音轨评分低于最高评分阈值后,删除音轨。

  • 集成逻辑:轨道存在的集成概率低于阈值时,删除轨道。

有关详细信息,请参见履带逻辑概论的例子。

过滤

跟踪滤波器的主要功能有:

  1. 预测轨道到当前时间。

  2. 计算从预测轨道到检测的距离以及相关的门控和分配的可能性。

  3. 使用指定的检测来修正预测轨迹。

传感器融合和跟踪工具箱™提供多个跟踪过滤器,可用于三个基于任务的跟踪器(trackerGNNtrackerJPDA,trackerTOMHT).有关这些过滤器的全面介绍,请参见估计滤波器简介

跟踪指标

传感器融合和跟踪工具箱提供工具来分析跟踪性能,如果真相是已知的:

  • 你可以使用trackAssignmentMetrics评估轨道布置和维护的绩效。trackAssignmentMetrics提供诸如轨道交换的数量、发散步骤的数量和冗余分配的数量等索引。

  • 你可以使用trackErrorMetrics评估跟踪的准确性。trackErrorMetrics提供多个均方根(RMS)误差值,以数值方式说明跟踪器的精度性能。

  • 你可以使用trackOSPAMetric计算最优子模式分配度量。trackErrorMetrics提供三个标量错误组件-定位错误、标签错误和基数错误,以评估跟踪性能。

Non-Assignment-Based追踪器

trackerGNNtrackerJPDA,trackerTOMHT是基于分配的跟踪器,这意味着需要进行跟踪到检测的分配。工具箱还提供了一个基于随机有限集(RFS)的跟踪器,trackerPHD.您可以使用它的支持特性金宝appggiwphd跟踪扩展对象和gmphd同时跟踪扩展对象和点目标。

另请参阅

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参考文献

[1]布莱克曼,S.和R.波波利。现代跟踪系统的设计与分析。Artech House雷达图书馆,波士顿,1999。

Musicki, D.和R. Evans。联合综合概率数据协会:JIPDAIEEE航空航天与电子系统汇刊。卷40,第3期,2004年,第1093 -1099页。

[3]韦特曼,j.r. ..多假设跟踪的计算高效版本的逐步描述。在国际光学与光子学学会,卷1698,第228 - 301页,1992。