[發(fā)明專利]一種基于雙目視覺的無人機自主障礙物檢測系統(tǒng)及方法

在審

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• 申請日: 2015-10-22
• 公開（公告）號: CN105222760A
• 公開（公告）日: 2016-01-06
• 發(fā)明（設計）人: 齊俊桐;盧翔
• 申請（專利權）人: 一飛智控(天津)科技有限公司
• 主分類號: G01C11/02
• 分類號: G01C11/02;G05D1/10;G08C17/02
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 王利文

技術領域

本發(fā)明屬于無人機技術領域，尤其是一種基于雙目視覺的無人機自主障礙物檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術

隨著飛行器相關技術的不斷發(fā)展及其應用場景的復雜化，對其環(huán)境感知能力提出了更高的要求。基于視覺的導航技術具有探測范圍寬、信息容量大等優(yōu)勢，此外其具有對飛行環(huán)境變化捕捉迅速、反應敏銳等特點，因此在飛行器導引導航研究中得到了越來越多的關注。

基于視覺的環(huán)境感知屬于被動測量方式，與激光、雷達及超聲等主動測量方式相比，可減少多個測量裝置在檢測過程中的相互干擾，更為重要的是可降低在某些特定環(huán)境(如戰(zhàn)場)使用時被發(fā)現的概率，具有較強的隱蔽性。

基于視覺的飛行環(huán)境中障礙物感知應用可使用單目或雙目視覺，其中雙目視覺可獲得較單目視覺更高的精度，而應用較為廣泛。單目視覺使用一臺機載攝像機獲取飛行圖像，然而飛行環(huán)境的三維信息會在圖像投影過程中丟失，雖可利用多幀圖像或離線訓練的方法還原環(huán)境的深度信息，但處理過程復雜，導致機載嵌入式處理器難以實現實時處理，目前只能做到將圖像傳回地面站解算后再返回無人機的方式進行障礙物規(guī)避控制。而雙目視覺基于視差原理，其產生的立體視覺信息可以直接恢復目標環(huán)境的三維坐標，進而可獲得環(huán)境的深度信息，對于未知飛行環(huán)境中的障礙物及潛在碰撞的檢測具有重要的實用意義。

雙目視覺是計算機視覺的一個重要分支，雙目視覺可以模仿人的眼睛和人類立體視覺感知的過程，是計算機視覺研究的核心主題之一。近年來，雙目視覺技術在障礙物檢測、工業(yè)自動化生產、智能安防系統(tǒng)等領域得到了廣泛的應用。但是，現有的基于視覺的障礙物感知方法存在的諸多問題，計算機視覺方法在飛行器中的應用主要集中于自主著陸、景象匹配與目標識別以及視覺慣性組合導航等。自主著陸中的視覺方法著眼于飛行器著陸階段，且需要已知著陸場信息，無法應用于飛行器的任務執(zhí)行階段；景象匹配及目標識別，需要建立景象匹配的機載數據庫以查找已知目標信息并采用視覺方法得到目標的相對位置，但在飛行器飛行過程中所處的自然環(huán)境卻無能為力；而將計算機視覺技術與機載慣導數據結合在一起的導航方法計算量較大，當飛行環(huán)境復雜時無法滿足實時導航的要求。因此，雖有將視覺方法應用于飛行器導航的研究，但這些方法一方面需要已知目標信息或人工設置參考信息，另一方面存在潛在的實時性缺陷，無法滿足飛行器執(zhí)行任務時所處自然環(huán)境中的導航應用需求。

眾所周知，視覺圖像處理需要在單位時間內處理大量數據，需要快速的數據運算能力，然而數據運算過程卻相對簡單。目前可用于視覺圖像處理的計算平臺主要有CPU、GPU、ASIC、DSP、FPGA等。

嵌入式CPU的計算能力有限，對于一些計算復雜度很高的視覺算法，其處理速度常常難以滿足系統(tǒng)的實時性需要。

GPU具有高度的并行計算能力，可以較好地解決計算速度的問題，然而，基于GPU的計算機視覺系統(tǒng)存在著功耗較高、體積較大的缺點，難以滿足依靠自身所帶電池供電并長時間工作的無人機系統(tǒng)的需要。

利用專用集成電路ASIC實現視覺處理算法，可以解決視覺系統(tǒng)性能和體積、功耗之間的矛盾，是高性能嵌入式視覺系統(tǒng)的一種有效的解決方案。然而，ASIC開發(fā)周期長，修改性及通用性較差。

FPGA可以通過編程方便地修改其內部的邏輯功能，從而實現高速的硬件計算和并行運算，是高性能嵌入式視覺系統(tǒng)的一種更加方便的解決方案。基于FPGA的嵌入式視覺系統(tǒng)的功耗遠遠低于基于CPU和GPU的視覺系統(tǒng)，FPGA的功耗通常不到1W，而高性能CPU和GPU的功耗通常都在100W以上。隨著技術的不斷進步，FPGA的集成度越來越高，可以實現的設計規(guī)模越來越大，而功耗則越來越低。因此，基于FPGA的嵌入式視覺系統(tǒng)成為計算機視覺系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

可編程片上系統(tǒng)技術在單個芯片上集成包括處理器核心和主要外設在內的邏輯功能，這些邏輯功能可以隨著應用目的的改變而重新配置，這使得系統(tǒng)可以隨時減裁、擴充或升級，使得FPGA可以在片內配置嵌入式處理器的內核，使得FPGA也可具有片內高速的存儲單元，豐富的IP核資源和足夠的片上邏輯資源。

與通用計算機相比，嵌入式系統(tǒng)在功耗、體積和成本上有著不可比擬的優(yōu)勢。基于ARM的嵌入式系統(tǒng)因此被廣泛應用于工業(yè)、民用甚至軍事等領域。Linux操作系統(tǒng)具有很高的性能，在計算相同的數據量時，對嵌入式系統(tǒng)的功率索取量極小，這也使得Linux得以在嵌入式領域有很強的競爭力。