A tracking framework for a dynamic non- stationary environment

• Main Author: Ståhl, Sebastian
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) 2020
• Subjects: Object detection; tracking; geolocation; UAV; Yolov3; KCF.; Objektdetektering; spårning; lokalisering; drönare; Computer and Information Sciences; Data- och informationsvetenskap
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-288955

As the use of unmanned aerial vehicles (UAVs) increases in popularity across the globe, their fields of application are constantly growing. This thesis researches the possibility of using a UAV to detect, track, and geolocate a target in a dynamic nonstationary environment as the seas. In this case, different projection and apparent size of the target in the captured images can lead to ambiguous assignments of coordinated. In this thesis, a framework based on a UAV, a monocular camera, a GPS receiver, and the UAV’s inertial measurement unit (IMU) is developed to perform the task of detecting, tracking and geolocating targets. An object detection model called Yolov3 was retrained to be able to detect boats in UAV footage. This model was selected due to its capabilities of detecting targets of small apparent sizes and its performance in terms of speed. A model called the kernelized correlation filter (KCF) is adopted as the visual tracking algorithm. This tracker is selected because of its performance in terms of speed and accuracy. A reinitialization of the tracker in combination with a periodic update of the tracked bounding box are implemented which resulted in improved performance of the tracker. A geolocation method is developed to continuously estimate the GPS coordinates of the target. These estimates will be used by the flight control method already developed by the stakeholder Airpelago to control the UAV. The experimental results show promising results for all models. Due to inaccurate data, the true accuracy of the geolocation method can not be determined. The average error calculated with the inaccurate data is 19.5 meters. However, an in- depth analysis of the results indicates that the true accuracy of the method is more accurate. Hence, it is assumed that the model can estimate the GPS coordinates of a target with an error significantly lower than 19.5 meters. Thus, it is concluded that it is possible to detect, track and geolocate a target in a dynamic nonstationary environment as the seas.  === Användandet av drönare ökar i popularitet över hela världen vilket bidrar till att dess tillämpningsområden växer. I denna avhandling undersöks möjligheten att använda en drönare för att detektera, spåra och lokalisera ett mål i en dynamisk icke- stationär miljö som havet. Målets varierande position och storlek i bilderna leda till tvetydiga uppgifter. I denna avhandlingen utvecklas ett ramverk baserat på en drönare, en monokulär kamera, en GPS- mottagare och drönares IMU sensor för att utföra detektering, spårning samt lokalisering av målet. En objektdetekteringsmodell vid namn Yolov3 tränades för att kunna detektera båtar i bilder tagna från en drönare. Denna modell valdes på grund av dess förmåga att upptäcka små mål och dess prestanda vad gäller hastighet. En modell vars förkortning är KCF används som den visuella spårningsalgoritmen. Denna algoritm valdes på grund av dess prestanda när det gäller hastighet och precision. En återinitialisering av spårningsalgoritmen i kombination med en periodisk uppdatering av den spårade avgränsningsrutan implementeras vilket förbättrar trackerens prestanda. En lokaliseringsmetod utvecklas för att kontinuerligt uppskatta GPS- koordinaterna av målet. Dessa uppskattningar kommer att användas av en flygkontrollmetod som redan utvecklats av Airpelago för att styra drönaren. De experimentella resultaten visar lovande resultat för alla modeller. På grund av opålitlig data kan inte lokaliseringsmetodens precision fastställas med säkerhet. En djupgående analys av resultaten indikerar emellertid att metodens noggrannhet är mer exakt än det genomsnittliga felet beräknat med opålitliga data, som är 19.5 meter. Därför antas det att modellen kan uppskatta GPS- koordinaterna för ett mål med ett fel som är lägre än 19.5 meter. Således dras slutsatsen att det är möjligt att upptäcka, spåra och geolocera ett mål i en dynamisk icke- stationär miljö som havet.