[發(fā)明專利]復雜環(huán)境下無人機自動障礙物檢測和避障方法

有效

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• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106708084B
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發(fā)明（設計）人: 曾毅;趙菲菲;王桂香
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;H04N13/128
• 代理公司: 北京瀚仁知識產權代理事務所(普通合伙) 11482
• 代理人: 宋寶庫

本發(fā)明涉及一種復雜環(huán)境下無人機自動障礙物檢測和避障方法，包括：利用無人機上設置的雙目攝像頭進行實時的圖像采集，基于所采集的左、右兩幅圖像匹配計算生成視差圖并進行預處理；基于視差圖信息，對視差圖進行輪廓和灰度值的聚類劃分，得到具有清晰結構的區(qū)域塊，將所述區(qū)域塊的噪聲干擾去除后得到潛在障礙物區(qū)域；對比前后兩幀視差圖中對應的潛在障礙物區(qū)域，結合障礙物的放大特性，依據無人機與潛在障礙物區(qū)域的距離和潛在障礙物區(qū)域的面積篩選得到最終障礙物區(qū)域；基于所得到的最終障礙物區(qū)域，輸出無人機避障的動作指令。本發(fā)明在面對的復雜的存在多個隱含障礙物的環(huán)境下，具有優(yōu)秀的障礙物檢測和避障能力。

技術領域

本發(fā)明涉及計算機視覺和無人機控制領域，尤其涉及一種復雜環(huán)境下無人機自動障礙物檢測和避障方法。

背景技術

隨著無人機等智能系統的廣泛研究和應用，障礙物的檢測和避障逐漸成為研究的熱點。安全性是無人機等智能系統能得以廣泛應用的前提條件。在無人機的實時運動過程中，通過對攝像頭拍攝到的復雜場景的圖像進行分析獲得障礙物的位置仍是一個非常具有挑戰(zhàn)性的研究問題。

經過許多年的發(fā)展，基于視覺的障礙物檢測方法已日趨成熟。基于視覺的障礙物檢測方法可以大體分為單眼視覺和雙眼視覺。單眼視覺中的典型方法是根據角點特征來標注障礙物區(qū)域，再對比兩幅圖片匹配特征點，找到移動的對象作為障礙物區(qū)域。為了避免角點過多導致噪聲影響障礙物的定位，一般會先將圖片分為三個部分，即地面、天空和中間障礙物所在區(qū)域，這樣可以縮小檢測區(qū)域。單眼視覺的方法適用于障礙物很明顯而且背景很干凈，通過差分顏色就可以得到與背景顏色明顯不同的障礙物區(qū)域，一般背景可以是地面和天空。然而，移動的區(qū)域不一定就是障礙物，障礙物是對智能體產生威脅的對象，如果障礙物的移動對于智能體來說沒有危險，那就沒有必要確定為障礙物。例如，當某個視野內的對象在遠離智能體或者水平的在智能體面前走過，這就不是障礙物，而如果對象朝向無人機移動那就是有危險的障礙物了。

雙目視覺相較于單眼視覺的好處是它可以探測深度信息。雙目視覺技術已經取得了很大的進展，通過校準和立體匹配可以得到視差圖，視差圖清晰地反映了圖像中的對象相對于攝像頭的遠近關系。一般認為圖像中的前景很可能就是障礙物，因此，設定適當的閾值提取前景是使用雙目視覺解決障礙物檢測的核心思想。一般現有的方法盡量采用鮮明的障礙物區(qū)域，它們具有與背景差別很大的顏色或紋理特征，在得到前景區(qū)域后投射回原圖像，在原圖像上根據顏色信息提取該前景區(qū)域內顏色差別不大的區(qū)域作為最終障礙物的區(qū)域。這些方法的限制在于僅僅適用于該顏色閾值或某個特定特征下的障礙物檢測，而且要求背景較干凈得以突出前景，這樣設定的閾值才會具有一定的魯棒性。但是，障礙物并不一定滿足顏色就是一致，某個障礙物由不同顏色組成也是可能的。

還有一些基于超聲波、聲吶等傳感器的障礙物檢測方法，這些傳感器能夠探測智能體周圍的環(huán)境，但是在復雜的環(huán)境下，多個超聲波信息交錯在一起容易產生混淆。而且任何傳感設備都不是完美的，總會存在盲區(qū)或受外界噪聲的干擾，這就導致了準確性的降低。

縱觀已有的障礙物檢測方法，雖然在解決某些特定問題上面已經取得了一些進展，但是，他們都是從問題表面出發(fā)，設計好適合于該類問題的場景來檢測試驗，并未深入地理解障礙物的本質特征以至于某種方法僅能解決一個問題。此外，障礙物檢測的實際應用主要在無人機等智能系統，它們靈活的移動在復雜的場景中，我們應充分考慮智能系統面對的復雜的存在多個隱含障礙物下的環(huán)境，設計出能夠實時地檢測具有危險的障礙物并執(zhí)行避障指令。

本發(fā)明結合人腦對圖像的注意力劃分和對障礙物的特征分析，使用雙目視覺技術結合圖像預處理得到視差圖，基于輪廓和灰度值劃分視差圖得到候選障礙物區(qū)域，再根據障礙物的放大特征對比前后兩幀得到精確的障礙物區(qū)域。對于檢測到的障礙物，無人機采取實時的避障行為。

發(fā)明內容

為了解決現有技術中的上述問題，即為了解決無人機能夠在復雜的環(huán)境下實時的檢測到障礙物并獲取避障指令，本發(fā)明提出了一種復雜環(huán)境下無人機自動障礙物檢測和避障方法，包括以下步驟：