董振鵬，龍飛虎，周德旭

（尚良仲毅（沈陽）高新科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)領(lǐng)域也得到了飛速的發(fā)展?，F(xiàn)階段無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于民用和軍用之中，在高溫、極寒等環(huán)境下無人機(jī)也可以輔助人們開展工作。隨著無人機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，人們對(duì)無人機(jī)的性能要求也在不斷提高，特別是在無人機(jī)的續(xù)航、避障和自主跟蹤等方面。無人機(jī)是否能夠智能避障關(guān)乎著無人機(jī)的安全性能。當(dāng)前無人機(jī)大多采用超聲波避障技術(shù)或是激光雷達(dá)避障技術(shù)，這兩種避障技術(shù)受自然環(huán)境的影響較大，制約了無人機(jī)的發(fā)展。隨著機(jī)器視覺的出現(xiàn)和發(fā)展，將機(jī)器視覺應(yīng)用到無人機(jī)智能避障的呼聲不斷出現(xiàn)。本文對(duì)機(jī)器視覺在無人機(jī)智能避障上的應(yīng)用方法進(jìn)行分析，以供參考。

1 無人機(jī)避障方法

1.1 超聲波避障

當(dāng)前無人機(jī)避障大多采用超聲波避障，只要知道無人機(jī)發(fā)射的超聲波到障礙物的往返時(shí)間就能計(jì)算出測(cè)量距離，從而進(jìn)行避障。超聲波避障當(dāng)前主要應(yīng)用于無人機(jī)和汽車行業(yè)中，超聲波避障具有性價(jià)比高、較為便攜、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是超聲波避障的測(cè)量距離有限，一般只能測(cè)量5m左右的距離，并且障礙物表面的材質(zhì)對(duì)于超聲波的測(cè)量也會(huì)造成干擾[1]。

1.2 激光雷達(dá)避障

當(dāng)前無人機(jī)避障采用的另一種形式是激光雷達(dá)避障。激光雷達(dá)避障是通過發(fā)射器發(fā)射光脈沖再通過接收器接受光脈沖來進(jìn)行測(cè)距和避障。當(dāng)前激光雷達(dá)避障法常采用時(shí)間測(cè)量法和三角測(cè)量法來進(jìn)行距離測(cè)算。無人機(jī)通過激光雷達(dá)避障既避免了超聲波避障測(cè)量距離有限的缺點(diǎn)，還避免了障礙物表面材質(zhì)對(duì)測(cè)距造成干擾的問題，測(cè)量精度相對(duì)較高。但是由于激光雷達(dá)避障是通過發(fā)射光脈沖來進(jìn)行測(cè)距的，在使用的過程中容易造成光污染[2]。

1.3 機(jī)器視覺避障

機(jī)器視覺避障就是通過攝像機(jī)對(duì)障礙物進(jìn)行拍攝，并通過智能計(jì)算來對(duì)拍攝到圖片進(jìn)行對(duì)比識(shí)別的方式進(jìn)行距離測(cè)算，從而進(jìn)行避障。相比于超聲波避障和激光雷達(dá)避障，機(jī)器視覺避障能夠自主地進(jìn)行光源信息的接收，從而獲得更大的信息量。但這也對(duì)無人機(jī)的硬件處理器的處理能力提出了更高的要求。

2 機(jī)器視覺避障

2.1 攝像機(jī)成像原理

攝像機(jī)的成像原理是通過鏡頭將物體拍下來，再通過圖像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字圖像，然后通過圖像處理器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字圖像進(jìn)行儲(chǔ)存。攝像機(jī)成像的原理如圖1所示。

圖1 攝像機(jī)成像原理

2.2 圖像處理

對(duì)于圖像處理一直有一種共識(shí)，就是圖像在獲取、轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)倪^程中極有可能會(huì)被外界環(huán)境所污染，導(dǎo)致圖像的質(zhì)量受到損害。因此在進(jìn)行機(jī)器視覺的研究過程中就需要對(duì)攝像機(jī)拍攝到的圖像進(jìn)行預(yù)先處理，并且要對(duì)閥值進(jìn)行一定的切割，同時(shí)還要對(duì)拍攝路徑進(jìn)行跟蹤。攝像頭拍攝到的圖像不僅包含所需要的元素還存在很多無用的冗雜的信息，如果不對(duì)這些無用的信息進(jìn)行處理，就會(huì)干擾最后的避障效果。因此就需要對(duì)攝像機(jī)拍攝到的信息進(jìn)行預(yù)先處理，剔除不需要的信息。

2.3 障礙物的識(shí)別

對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別最重要的就是要及時(shí)對(duì)前方是否存在障礙物進(jìn)行檢測(cè)和判斷，同時(shí)要對(duì)選定的目標(biāo)通過軌跡描述進(jìn)行跟蹤，最后要對(duì)障礙物和無人機(jī)之間的距離進(jìn)行定位與測(cè)算。對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別中最基礎(chǔ)的就是對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)，然后是對(duì)障礙物與無人機(jī)之間的距離進(jìn)行測(cè)算[3]。

空間目標(biāo)的跟蹤是指根據(jù)具體目標(biāo)的特征來建立模版，然后再通過和系統(tǒng)中的圖像序列進(jìn)行對(duì)比搜尋，選取和建立的模版之間最相像的圖像序列的過程。通過對(duì)空間目標(biāo)的跟蹤可以確定具體目標(biāo)在圖像序列中的軌跡。當(dāng)前對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí)首先要通過搜索算法來對(duì)搜索區(qū)域進(jìn)行篩選，將跟蹤目標(biāo)的具體位置進(jìn)行大致的區(qū)分，以此來減輕進(jìn)行目標(biāo)搜索時(shí)的工作量。對(duì)空間目標(biāo)的位置進(jìn)行區(qū)分的時(shí)候往往采用以下兩種算法進(jìn)行區(qū)域篩選。第一種是通過對(duì)空間目標(biāo)大致出現(xiàn)在圖片序列的幀數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，之后根據(jù)預(yù)測(cè)的范圍尋找最優(yōu)的那一點(diǎn)，較為常用的算法有Kalman濾波及其擴(kuò)展版等。第二種算法是通過縮小空間目標(biāo)的搜索范圍來優(yōu)化所需要搜索的方向與范圍。這種算法可以優(yōu)化目標(biāo)模版與圖像序列之間的迭代過程，從而起到減小搜索范圍的效果。

對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行跟蹤主要是為了獲取無人機(jī)上面安裝的攝像頭與場(chǎng)景中障礙物之間距離，這一步即是機(jī)器視覺重要的任務(wù)之一也是最終識(shí)別障礙物的重要目標(biāo)之一。通過攝像頭拍攝前方場(chǎng)景來對(duì)障礙物與無人機(jī)之間的距離進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并通過對(duì)獲取的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算來測(cè)算障礙物與無人機(jī)之間的速度數(shù)據(jù)，為無人機(jī)通過這種機(jī)器視覺進(jìn)行智能化避障提供數(shù)據(jù)支撐[4]。

3 雙目視覺測(cè)距理論

雙目視覺測(cè)距理論是指利用視覺差來進(jìn)行距離測(cè)算。通過安裝在無人機(jī)上的兩個(gè)互相平行的攝像頭對(duì)前方場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，再利用兩個(gè)攝像頭拍攝到的畫面的差異之處也就是視覺差，通過一系列的計(jì)算測(cè)算出障礙物與無人機(jī)之間的距離。通過這種方式測(cè)算出來的數(shù)據(jù)精確度較高，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

雙目視覺測(cè)距的原理是兩個(gè)互相平行的攝像頭由于位置的不同拍攝到的畫面具有一定的差距，本質(zhì)是三角測(cè)距理論。兩個(gè)攝像頭即便拍攝同一目標(biāo)物，在成像后目標(biāo)物的像素位置也會(huì)有一定的不同之處，通過三角測(cè)距的算法就可以測(cè)算出目標(biāo)物與無人機(jī)之間的實(shí)際距離，從而能夠幫助無人機(jī)躲避障礙物。

通過雙目視覺測(cè)距法來進(jìn)行測(cè)距時(shí)要掌握兩個(gè)要點(diǎn)。首先是準(zhǔn)確識(shí)別到障礙物，即無人機(jī)上安裝的相互平行的兩個(gè)攝像頭要準(zhǔn)確掌握障礙物在圖像中呈現(xiàn)出的具體大小和方位。其次是在進(jìn)行拍攝過程中通過兩個(gè)攝像頭拍攝障礙物圖像的不同來尋求兩者之間的立體匹配點(diǎn)，獲取立體匹配點(diǎn)在后期進(jìn)行測(cè)算的時(shí)候能夠獲得更加深度的數(shù)據(jù)信息，更好幫助無人機(jī)通過機(jī)器視覺的運(yùn)用進(jìn)行智能避障。第一個(gè)要點(diǎn)是獲得第二個(gè)要點(diǎn)的基礎(chǔ)，通過第一個(gè)步驟對(duì)障礙物進(jìn)行拍攝的時(shí)候圖像中可能存在多個(gè)障礙物體，只有通過第二個(gè)步驟找尋立體匹配點(diǎn)才能更加精準(zhǔn)地對(duì)無人機(jī)所要躲避的障礙物進(jìn)行標(biāo)記，才能更好地測(cè)算障礙物與無人機(jī)之間的距離，更好地實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的智能避障[5]。

4 無人機(jī)避障的關(guān)鍵

首先是飛控。無人機(jī)的飛控是將無人機(jī)與航模區(qū)分開來的主要標(biāo)志之一，通過飛控使無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自主飛行，從而能夠更好幫助人們完成工作。其次是云臺(tái)。通過云臺(tái)可以降低無人機(jī)身上架設(shè)的攝像頭受無人機(jī)飛行產(chǎn)生的抖動(dòng)影響，能夠提高攝像頭拍攝畫面的精準(zhǔn)度和提升攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。再次是圖傳。圖傳主要考慮的是無人機(jī)和接收端的傳輸距離與傳輸?shù)馁|(zhì)量和延時(shí)程度。當(dāng)前占據(jù)消費(fèi)主流的無人機(jī)使用傳輸距離在600-800m左右的2.4GHz WiFi的圖傳。當(dāng)前市場(chǎng)上的高清圖傳價(jià)格較為昂貴，雖然高清圖傳能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸并具有更高畫質(zhì)的圖像，但是當(dāng)前使用較多的無人機(jī)還是以拍攝更加專業(yè)的航拍為主。再次是無人機(jī)的計(jì)算機(jī)視覺，無人機(jī)通過對(duì)計(jì)算機(jī)視覺的使用能夠?qū)崿F(xiàn)手勢(shì)操作，能夠?qū)崿F(xiàn)雙目視覺深度測(cè)算。但是由于當(dāng)前大部分無人機(jī)硬件設(shè)施不能滿足計(jì)算機(jī)視覺的需要，能夠完成計(jì)算機(jī)視覺的無人機(jī)類型還比較有限。最后是避障。如上文所說無人機(jī)通常采用超聲波和雷達(dá)激光等方式進(jìn)行避障。當(dāng)前對(duì)于無人機(jī)的避障功能的開發(fā)還是沒有得到足夠的重視，其實(shí)為了提升無人機(jī)的安全性和為了保障他人的生命財(cái)產(chǎn)安全，提升無人機(jī)的避障效果是非常重要的，如果無人機(jī)的避障效果得到顯著的提升，那么無人機(jī)能夠得到應(yīng)用的范圍也會(huì)愈發(fā)廣泛[6]。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和信息技術(shù)水平的提升，無人機(jī)在我們的生活中應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣。而隨著無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，對(duì)于無人機(jī)的性能也提出了更高的要求。對(duì)于無人機(jī)的避障系統(tǒng)進(jìn)行研究的呼聲也越來越高。本文對(duì)無人機(jī)在飛行過程中對(duì)于障礙物的識(shí)別的方式和雙目視覺測(cè)距理論等進(jìn)行探討，同時(shí)對(duì)當(dāng)前無人機(jī)避障的關(guān)鍵進(jìn)行了分析。將機(jī)器視覺運(yùn)用到無人機(jī)的避障中是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的課題，通過對(duì)無人機(jī)避障的研究可以提升無人機(jī)避障的水平，從而推動(dòng)無人機(jī)在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。