(西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安 710072)

0 引言

飛行機(jī)器人在沒(méi)有外界干擾情況下能夠完成飛行任務(wù)，但一旦受到外界干擾，對(duì)于飛行機(jī)器人的精確位置與姿態(tài)信息獲取是相對(duì)困難的[1]。針對(duì)目前大多數(shù)飛行機(jī)器人裝備的定位系統(tǒng)，受到定位精準(zhǔn)度升級(jí)影響，導(dǎo)致定位系統(tǒng)每秒更新速度較慢，獲取的數(shù)據(jù)也相對(duì)較少，且飛行機(jī)器人工作環(huán)境受到各種因素影響，導(dǎo)致定位系統(tǒng)存在較大局限性，因此，飛行機(jī)器人多目標(biāo)視覺(jué)定位成為目前人們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2]。正是飛行機(jī)器人能夠靈活轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)，使其在軍事、農(nóng)業(yè)、物流等方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，通過(guò)預(yù)估自身位姿能夠?qū)崿F(xiàn)飛行機(jī)器人高性能運(yùn)行，以此獲取高精度導(dǎo)航數(shù)據(jù)[3]。

飛行機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)自主飛行，通過(guò)全球定位系統(tǒng)獲取飛行器精確位置和姿態(tài)，但在室內(nèi)環(huán)境中，全球定位系統(tǒng)信號(hào)受到空間限制，獲取的信號(hào)相對(duì)薄弱，針對(duì)該現(xiàn)象，提出了基于擴(kuò)展Dempster-Shafer證據(jù)推理的飛行機(jī)器人多目標(biāo)視覺(jué)定位方法[4]。該方法的基本思路是：將接收到的信息作為定位信息源證據(jù)，給不同信息源分配不同的信任度，并支持證據(jù)對(duì)不同推理的精確描述，從而提高定位的準(zhǔn)度。將證據(jù)推理描述信息源與基于不同位置定位方法結(jié)合可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)有其他定位方法在對(duì)各接入點(diǎn)同等對(duì)待的不足，理論分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性，且方法使用效率高，適用性較強(qiáng)。

1 飛行機(jī)器人控制原理

飛行機(jī)器人如圖1所示。

圖1 飛行機(jī)器人

飛行機(jī)器人是世界上較為先進(jìn)的信息搜索系統(tǒng)，用于罪犯跟蹤，方便攜帶，也可部署于人群上空，方便監(jiān)視工作。利用該機(jī)器人進(jìn)行多目標(biāo)視覺(jué)定位時(shí)，采用了Dempster-Shafer證據(jù)推理方法，該方法在不確定性度量上表現(xiàn)更為靈活，更加接近人自然思維習(xí)慣。就證據(jù)推理機(jī)制來(lái)說(shuō)，對(duì)于任何一個(gè)信任更新后的證據(jù)都是通過(guò)合成規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該推理過(guò)程透明可見(jiàn)，適用于任何機(jī)器。

針對(duì)飛行機(jī)器人的控制原理如圖2所示。

圖2 飛行機(jī)器人控制原理

根據(jù)圖2可知，飛行機(jī)器人控制組件中，存在前后左右4個(gè)電機(jī)，其為220 v銅芯0.55/0.75/1.1/1.5 KW兩相馬達(dá)組成的，具備高密度精工軸承，安全耐用、溫度低，采用全銅線圈設(shè)計(jì)方案，運(yùn)行平穩(wěn)，且使用壽命較長(zhǎng)[5]。

飛行機(jī)器人位置和姿態(tài)控制是相互獨(dú)立的，位置數(shù)據(jù)輸出結(jié)果作為姿態(tài)控制輸入數(shù)據(jù)，此時(shí)飛行機(jī)器人所在的具體位置是通過(guò)視覺(jué)定位方法進(jìn)行計(jì)算的[6]。飛行機(jī)器人在空間的飛行位置與期望位置是存在一定偏差的，將該偏差結(jié)果作為橫軸輸入值，縱軸輸出值作為姿態(tài)控制器的期望值。通過(guò)Dempster-Shafer證據(jù)推理可得到姿態(tài)控制所需的角度信息，并使飛行機(jī)器人達(dá)到預(yù)期位置[7]。

2 基于Dempster-Shafer多目標(biāo)視覺(jué)定位方案的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)Dempster-Shafer證據(jù)推理多源信息融合定位方法實(shí)時(shí)獲取飛行機(jī)器人捕獲的彩色圖像和深度圖像，并手動(dòng)選取目標(biāo)區(qū)域，提取相關(guān)邊緣特征，按照一定權(quán)值系數(shù)來(lái)構(gòu)建目標(biāo)模板[8]。利用多目標(biāo)跟蹤定位方法實(shí)時(shí)捕捉多個(gè)目標(biāo)位置信息，將此結(jié)果全部輸出，獲取三維位置坐標(biāo)。

2.1 特征提取

2.1.1 顏色特征提取

飛行機(jī)器人對(duì)顏色特征進(jìn)行提取時(shí)，對(duì)于圖片變化并不敏感，因此當(dāng)目標(biāo)被遮擋時(shí)，飛行機(jī)器人獲取的圖片受到影響程度較小，適用于對(duì)多目標(biāo)的描述。對(duì)于顏色特征提取可通過(guò)HSV顏色空間進(jìn)行描述，由于亮度值與多目標(biāo)物體反射比有關(guān)，因此，容易受到外界光照影響，導(dǎo)致用色度分量和飽和度分量形成了二維直方圖，這對(duì)于目標(biāo)的構(gòu)建是具有一定影響的[9]。針對(duì)該問(wèn)題，需將圖片的HSV顏色空間按照直方圖，將用色度和飽和度子空間量轉(zhuǎn)化為等份空間，使每個(gè)空間都構(gòu)成一個(gè)直方圖空間。

2.1.2 邊緣特征提取

圖片中的多目標(biāo)輪廓包括了豐富特征，一旦出現(xiàn)多目標(biāo)被遮擋現(xiàn)象時(shí)，圖片的輪廓邊緣變化十分明顯，因此，需通過(guò)計(jì)算區(qū)域圖像中的像素梯度才能得到邊緣信息。為此，需采用Canny算子對(duì)圖片進(jìn)行處理，首先計(jì)算水平方向梯度值，然后計(jì)算垂直方向梯度值，最后計(jì)算梯度幅值和方向[10]。由于多目標(biāo)的邊緣信息通常是在360°空間中獲取的，因此，梯度方向只能反應(yīng)出180°的多目標(biāo)輪廓信息，依據(jù)梯度幅值的橫縱坐標(biāo)可將180°的多目標(biāo)輪廓信息轉(zhuǎn)換成360°的多目標(biāo)輪廓信息。通過(guò)統(tǒng)計(jì)直方圖，可將360°空間等分成18份，以此保證不同區(qū)間內(nèi)圖像像素點(diǎn)個(gè)數(shù)一致，由此確定多目標(biāo)的邊緣信息特征。

2.2 多目標(biāo)模型建立

根據(jù)上述提取的顏色特征和邊緣特征，使用Bhattacharyya系數(shù)將特征信息融合起來(lái)，選定的多目標(biāo)模板顏色特征隨著選定區(qū)域擴(kuò)大，信息內(nèi)容越豐富，此時(shí)目標(biāo)顏色模板與候選的模板是相似的，這與之前模板也是完全匹配的。

多目標(biāo)模型構(gòu)建具體流程為：

1)選定目標(biāo)邊緣特征；

2)將兩種特征信息轉(zhuǎn)化為巴氏距離；

3)利用高斯函數(shù)構(gòu)建似然函數(shù)；

4)對(duì)似然函數(shù)進(jìn)行加權(quán)融合處理；

5)確定權(quán)重后，對(duì)地面標(biāo)記進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 地面標(biāo)記設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)地面標(biāo)記，通過(guò)不同形狀填充多邊形。為了保持飛行機(jī)器人在設(shè)定周期內(nèi)進(jìn)行飛行，需對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對(duì)于圖形中的不同特征進(jìn)行提取，當(dāng)圖形數(shù)量滿(mǎn)足設(shè)定的個(gè)數(shù)時(shí)，具有良好穩(wěn)定性。此時(shí)，標(biāo)記坐標(biāo)系原點(diǎn)，組成地面標(biāo)記的多邊形信息。飛行機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)采集時(shí)，需先標(biāo)記地面位置，通過(guò)圖像傳輸將圖片特征信息傳入地面計(jì)算機(jī)之中，以此進(jìn)行基于Dempster-Shafer多目標(biāo)視覺(jué)定位計(jì)算。

在進(jìn)行計(jì)算前，需先對(duì)飛行機(jī)器人捕捉到的圖像進(jìn)行處理，處理流程如下所示：

1)安裝機(jī)載攝像頭，由此獲取圖像；

2)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理；

3)進(jìn)行輪廓檢測(cè)；

4)特征提??；

5)將提取的結(jié)果輸入到已經(jīng)訓(xùn)練好的分類(lèi)器中進(jìn)行處理，由此獲取不同形狀的對(duì)應(yīng)信息。

根據(jù)上述內(nèi)容，完成地面標(biāo)記設(shè)計(jì)。

2.4 分段多目標(biāo)跟蹤定位

通過(guò)迭代算法能夠快速對(duì)目標(biāo)進(jìn)行局部最大化概率計(jì)算，以此適應(yīng)多目標(biāo)形變，一旦目標(biāo)被遮擋，那么將會(huì)造成多目標(biāo)極大值點(diǎn)出現(xiàn)個(gè)數(shù)變多，此時(shí)分段多目標(biāo)跟蹤定位結(jié)果出現(xiàn)偏差，坐標(biāo)信息也將全部丟失。分段多目標(biāo)跟蹤定位方法對(duì)于目標(biāo)遮擋問(wèn)題能夠較好地追蹤目標(biāo)，但相對(duì)于位置信息的選取是相對(duì)嚴(yán)格的，當(dāng)信息獲取數(shù)量較多時(shí)，其分布的例子概率密度逐漸逼近于后驗(yàn)證的概率函數(shù)密度，跟蹤精準(zhǔn)度較低。

在整個(gè)跟蹤過(guò)程中，需依據(jù)Bhattacharyya系數(shù)將特征信息融合起來(lái)，通過(guò)Dempster-Shafer證據(jù)推理對(duì)當(dāng)前幀建立目標(biāo)模型。經(jīng)過(guò)迭代處理后，捕獲到候選目標(biāo)，依據(jù)選取的目標(biāo)進(jìn)行相似度判斷，如果相似度大于設(shè)定的閾值，那么說(shuō)明多目標(biāo)沒(méi)有被遮擋，飛行機(jī)器人繼續(xù)跟蹤多目標(biāo)；反之，如果相似度小于設(shè)定的閾值，那么說(shuō)明多目標(biāo)被遮擋，此時(shí)不應(yīng)更新目標(biāo)模板，直接切換成Dempster-Shafer證據(jù)推理方法進(jìn)行跟蹤。通過(guò)相似度與閾值對(duì)比的方法，能夠在多目標(biāo)未被遮擋情況下，確保良好跟蹤效果，而一旦目標(biāo)被遮擋，那么該方法能夠增強(qiáng)跟蹤的實(shí)效性。

分段多目標(biāo)跟蹤定位方法具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1)通過(guò)飛行機(jī)器人捕獲當(dāng)前幀彩色和深度圖像；

2)依據(jù)當(dāng)前獲取的圖片顏色和相關(guān)特征構(gòu)建初始化目標(biāo)模型；

3)在搜索窗內(nèi)對(duì)目標(biāo)質(zhì)心位置進(jìn)行搜索；

4)依據(jù)目標(biāo)與候選目標(biāo)相似度，判斷飛行機(jī)器人多目標(biāo)視覺(jué)物體是否被遮擋，如果未被遮擋，則需返回到步驟3)，如果被遮擋，則需采用Dempster-Shafer證據(jù)推理方法對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行視覺(jué)跟蹤；

5)根據(jù)上述追蹤到的結(jié)果選定目標(biāo)顏色，收集相關(guān)信息進(jìn)行初始化處理，并依次賦予權(quán)值；

6)通過(guò)高斯分布對(duì)賦予的權(quán)值進(jìn)行擴(kuò)散處理，依次獲取新的位置信息；

7)通過(guò)位置信息計(jì)算不同顏色與邊緣融合特征，并進(jìn)行模板匹配，依據(jù)Bhattacharyya系數(shù)計(jì)算選定目標(biāo)和候選目標(biāo)之間的相似度，通過(guò)該相似度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行更新，并賦予權(quán)值重新采樣；

8)選取最大權(quán)值作為目標(biāo)跟蹤結(jié)果，由此獲取二維坐標(biāo)，依據(jù)坐標(biāo)信息計(jì)算目標(biāo)所在位置矩形框，并返回到步驟4)。

2.5 多目標(biāo)視覺(jué)定位方案的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)分段多目標(biāo)跟蹤定位獲取的坐標(biāo)信息與之對(duì)應(yīng)的點(diǎn)以及飛行機(jī)器人內(nèi)部參數(shù)，計(jì)算攝像機(jī)方位，通過(guò)Dempster-Shafer證據(jù)推理方法對(duì)飛行機(jī)器人位置進(jìn)行估計(jì)，并使用虛擬控制點(diǎn)表示多目標(biāo)位置的點(diǎn)。

將攝像機(jī)透視問(wèn)題轉(zhuǎn)化為攝像機(jī)坐標(biāo)下的控制點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)標(biāo)記的坐標(biāo)點(diǎn)表示攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)，以此構(gòu)建成像模型。利用相機(jī)小孔成像的模型參數(shù)矯正成像模型，獲取圖像坐標(biāo)，采用最小二乘法能夠獲取攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)，由此能夠獲得n維未知向量。對(duì)地面標(biāo)記的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，如果出現(xiàn)的點(diǎn)數(shù)不能完全被識(shí)別，通過(guò)識(shí)別出其中幾個(gè)點(diǎn)就能獲取目標(biāo)位置信息，由此實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)視覺(jué)定位。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)針對(duì)基于Dempster-Shafer的飛行機(jī)器人多目標(biāo)視覺(jué)定位方法進(jìn)行研究，為了測(cè)試該方法在被遮擋情況下的定位效果，進(jìn)行了飛行機(jī)器人穿過(guò)教室實(shí)驗(yàn)。將該方法與Camshift方法在飛行機(jī)器人視覺(jué)定位準(zhǔn)確率和效率兩方面進(jìn)行對(duì)比分析；為了提高定位結(jié)果精準(zhǔn)度，需進(jìn)行靜止定位實(shí)驗(yàn)，計(jì)算其與期望中的誤差，以此驗(yàn)證該方法的定位精準(zhǔn)度。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)選在Wi-Fi環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地示意圖如圖3所示，過(guò)道中部署60個(gè)采樣點(diǎn)采集接收到的RSSI來(lái)構(gòu)建位置數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)最小采樣點(diǎn)間距為1米，主要將采樣點(diǎn)布置在各房間門(mén)前，每個(gè)采樣點(diǎn)按照每秒采集1個(gè)RSSI的頻率來(lái)采集。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地示意圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地示意圖

3.2 飛行機(jī)器人飛行定位實(shí)驗(yàn)

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，放置教室空間模型作為遮擋，通過(guò)平臺(tái)獲取圖像信息，在該平臺(tái)上沿著直線進(jìn)行移動(dòng)，使其通過(guò)教室，并保證飛行機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性。在曲線飛行狀態(tài)下，實(shí)際運(yùn)行軌跡如表1所示。

表1 曲線飛行狀態(tài)下實(shí)際運(yùn)行軌跡

在直線飛行狀態(tài)下，實(shí)際運(yùn)行軌跡如表2所示。

表2 直線飛行狀態(tài)下實(shí)際運(yùn)行軌跡

分別使用兩種方法跟蹤定位，其跟蹤結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 兩種方法跟蹤定位曲線飛行比較結(jié)果

由圖4可知：由于飛行機(jī)器人在曲線飛行時(shí)保持勻速飛行狀態(tài)，所以無(wú)論時(shí)間多少，其飛行的軌跡大都一致。當(dāng)時(shí)間為10 s時(shí)，傳統(tǒng)方法X軸方向飛行的位置為480 mm，y軸方向飛行的位置為750 mm，Z軸方向飛行的位置為1 750 mm；基于Dempster-Shafer方法X軸方向飛行的位置為250 mm，y軸方向飛行的位置為275 mm，Z軸方向飛行的位置為2 250 mm；當(dāng)時(shí)間為40 s時(shí)，傳統(tǒng)方法X軸方向飛行的位置為600 mm，y軸方向飛行的位置為750 mm，Z軸方向飛行的位置為1 650 mm；基于Dempster-Shafer方法X軸方向飛行的位置為240 mm，y軸方向飛行的位置為280 mm，Z軸方向飛行的位置為2 250 mm，這與實(shí)際運(yùn)行軌跡一致。

由圖5可知：當(dāng)時(shí)間為2 s時(shí)，傳統(tǒng)方法X軸方向飛行的位置為750 mm，y軸方向飛行的位置為900 mm，Z軸方向飛行的位置為1 490 mm；基于Dempster-Shafer方法X軸方向飛行的位置為500 mm，y軸方向飛行的位置為650 mm，Z軸方向飛行的位置為2 100 mm。當(dāng)時(shí)間為8 s時(shí)，傳統(tǒng)方法X軸方向飛行的位置為260 mm，y軸方向飛行的位置為700 mm，Z軸方向飛行的位置為1 600 mm；基于Dempster-Shafer方法X軸方向飛行的位置為100 mm，y軸方向飛行的位置為150 mm，Z軸方向飛行的位置為2 000 mm，這與實(shí)際運(yùn)行軌跡一致。

依據(jù)上述對(duì)比結(jié)果，將飛行機(jī)器人曲線和直線飛行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其與實(shí)際軌跡期望的距離還是存在一定偏差的，因此，采用EVPS測(cè)量數(shù)據(jù)具有較小測(cè)量誤差，并能夠與真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，滿(mǎn)足飛行機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的需求。為了驗(yàn)證該方法精準(zhǔn)性，依次對(duì)傳統(tǒng)方法與基于Dempster-Shafer方法定位誤差累積概率進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)誤差距離為1 mm時(shí)，基于Dempster-Shafer方法定位誤差累積概率為0.1，傳統(tǒng)方法定位誤差累積概率為0.3；當(dāng)誤差距離為3 mm時(shí)，基于Dempster-Shafer方法定位誤差累積概率為0.12，傳統(tǒng)方法定位誤差累積概率為0.5；當(dāng)誤差距離為6 mm時(shí)，基于Dempster-Shafer方法定位誤差累積概率為0.18，傳統(tǒng)方法定位誤差累積概率為0.85。由此可知，基于Dempster-Shafer方法在飛行狀態(tài)時(shí)定位誤差較小。

3.3 飛行機(jī)器人靜止定位實(shí)驗(yàn)

基于Dempster-Shafer方法計(jì)算獲取的飛行機(jī)器人多目標(biāo)視覺(jué)定位的二維位置坐標(biāo)，需結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)獲取三維位置坐標(biāo)信息，為了驗(yàn)證該方法精準(zhǔn)度是否滿(mǎn)足飛行機(jī)器人位置信息輸入的精準(zhǔn)度要求，需在其靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行跟蹤定位。分別采用Dempster-Shafer方法和傳統(tǒng)方法對(duì)飛行機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)下的三維位置誤差進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7～8所示。

圖7 Dempster-Shafer方法下的三維位置誤差曲線

圖8 傳統(tǒng)方法下三維位置誤差曲線

由圖7、8可知，傳統(tǒng)方法X軸方向最大誤差為3 mm，最小誤差為0 mm；Y軸方向最大誤差為2.7 mm，最小誤差為0 mm；Z軸方向最大誤差為2.5 mm，最小差為0 mm?；贒empster-Shafer方法X軸方向的曲線呈有規(guī)律性的上下變動(dòng)狀態(tài)；Y軸方向呈現(xiàn)直線狀態(tài)，當(dāng)時(shí)間依次為40 s和 50 s時(shí)，誤差達(dá)到最大；Z軸方向的曲線呈無(wú)規(guī)律性的上下變動(dòng)狀態(tài)。X軸方向最大誤差為3 mm，最小誤差為0 mm；Y軸方向最大誤差為3 mm，最小誤差為0 mm；Z軸方向最大誤差為2.7mm，最小誤差為0 mm。由此可知，飛行機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)的三維位置誤差較小。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于Dempster-Shafer的飛行機(jī)器人多目標(biāo)視覺(jué)定位結(jié)果精準(zhǔn)度與傳統(tǒng)方法對(duì)比結(jié)果如表3所示。

由表3可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為1、2、3、4、5次時(shí)，采用Dempster-Shafer方法飛行狀態(tài)下的飛行機(jī)器人多目標(biāo)視覺(jué)定位精準(zhǔn)度比傳統(tǒng)方法依次高52%、53%、54%、53%、55%；在靜止?fàn)顟B(tài)下的飛行機(jī)器人采用Dempster-Shafer方法對(duì)多目標(biāo)視覺(jué)進(jìn)行定位的精準(zhǔn)度比傳統(tǒng)方法依次高43%、43%、45%、46%、47%。

表3 兩種方法定位結(jié)果精準(zhǔn)度對(duì)比分析

綜上所述：無(wú)論是在飛行機(jī)器人飛行定位實(shí)驗(yàn)還是靜止定位實(shí)驗(yàn)下，基于Dempster-Shafer方法比傳統(tǒng)方法定位精準(zhǔn)度要高。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)飛行機(jī)器人多目標(biāo)視覺(jué)定位，提出了Dempster-Shafer方法，在飛行機(jī)器人被遮擋情況下也具有較高定位精準(zhǔn)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的Dempster-Shafer方法解決了定位精準(zhǔn)度低的問(wèn)題，可廣泛應(yīng)用于自主飛行的機(jī)器之中，完成飛行任務(wù)。在一定誤差范圍內(nèi)，通過(guò)地面標(biāo)記能夠識(shí)別多目標(biāo)，并在機(jī)載視覺(jué)下也能進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

下一步工作應(yīng)充分利用該方法的高精準(zhǔn)定位性能對(duì)飛行機(jī)器人的位姿進(jìn)行測(cè)量，保證飛行機(jī)器人能夠完成復(fù)雜動(dòng)作。