基于TX1和立體相機(jī)的無人機(jī)避障系統(tǒng)
1 引言
與傳統(tǒng)的有人遙控飛行器相比，自主式無人機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，有人遙控飛行器依賴于正確的人類命令，并且受限于人和遙控平臺之間的通信系統(tǒng)。如果通信系統(tǒng)被干擾或中斷，它將無法運(yùn)行?；蛘咴谀承?fù)雜環(huán)境下，只靠操控人員的技術(shù)也難以保證遙控飛行器的飛行安全。而自主式無人飛行系統(tǒng)可以改正這個缺點(diǎn)。自主式無人機(jī)使用避障技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自主無人駕駛，擺脫人類的手動操作，因此可以執(zhí)行部分高風(fēng)險(xiǎn)任務(wù)。無人機(jī)是以機(jī)載高清攝像機(jī)、GPS 和導(dǎo)航傳感器提供實(shí)時、精確定位或高分辨率圖像的最佳平臺之一。這些特點(diǎn)使無人機(jī)成為傳統(tǒng)載人遙控飛行系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。

雖然無人機(jī)比傳統(tǒng)的有人遙控系統(tǒng)具有更多的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些潛在的問題。例如，在不同環(huán)境下信號傳輸?shù)奶幚頃r間受其自身電源系統(tǒng)（電池或其他電源輔助系統(tǒng)）的限制，并且飛行條件受各種自然因素的影響，比如環(huán)境和天氣。對于圖像處理，光反射將影響無人機(jī)中攝像機(jī)的檢測結(jié)果。2016 年 5 月發(fā)生的特斯拉自駕車輔助系統(tǒng)的事故受到了白色背景面反射陽光的影響。由于反射，攝像機(jī)無法檢測到來自相反方向的車輛。同時由于飛行時間的限制，無人機(jī)的反應(yīng)時間和數(shù)據(jù)處理時間都是需要考慮的問題。對于這些問題，研究人員需要在硬件和軟件性能之間找到平衡點(diǎn)。特別是在無人機(jī)避障技術(shù)中，如何快速準(zhǔn)確的對對象進(jìn)行檢測仍然是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)樗枰咚俚挠?jì)算。

為了優(yōu)化圖像處理的計(jì)算速度，并使用簡單的方法來檢測無人機(jī)中的物體，本文提出使用圖形處理單元（GPU）作為數(shù)據(jù)計(jì)算中心，使用立體相機(jī)作為無人機(jī)的視覺系統(tǒng)，提出了一個實(shí)時視頻分析的優(yōu)化算法。

2 相關(guān)工作

使用高性能平臺來提高系統(tǒng)性能是無人機(jī)研究人員的共同解決方案。一個典型的無人機(jī)公司是大疆創(chuàng)新科技有限公司，他們的無人機(jī)使用 NVIDIA TK1 處理數(shù)據(jù)并連接高清攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時錄像和地理掃描。為了觀察特定的目標(biāo)，國外研究人員使用了尺度不變特征變換（SIFT）模型檢測車輛，圖像匹配模塊使用 SIFT 來匹配圖像中的相同區(qū)域，然后重新采樣[1-6]。

無人機(jī)探測物體的另一種方法是使用立體相機(jī)。該方法采用兩個 360o 攝像機(jī)來感知無人機(jī)周圍的障礙，使用垂直而不是水平相機(jī)位移計(jì)算除天頂和底部之外的所有觀察方向上的深度信息[7]。

以此基于高度、寬度和相對相鄰點(diǎn)的可穿透斜率對三維空間中的點(diǎn)進(jìn)行分類。單目攝像機(jī)也可以用來檢測障礙物，使用的障礙物分割算法根據(jù)不同的顏色來檢測障礙物[8]。

3 平臺設(shè)置

本文采用一對攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn)立體視覺。同時，考慮到無人機(jī)的載重和尺寸以及處理器的計(jì)算能力，本文采用了 ZED 立體相機(jī)和 NVIDIA TX1 GPU。 TX1 比 TK1 的視頻編碼快兩倍，并且 TX1 的內(nèi)存帶寬（25.6 GB/s）大于 TK1（15 GB/s）[9]。兩個攝像頭水平放置以記錄視頻捕捉圖像。

在本文中，攝像機(jī)將捕獲無人機(jī)前方 120o 視角范圍。此外，它可識別從最近 70 cm 到最遠(yuǎn) 20 m 的障礙物。

4 深度圖估計(jì)

這兩個攝像機(jī)可以支持高分辨率的視頻記錄和 3D 映射，并且可以提供 6 軸位置跟蹤。然而，無人機(jī)探測系統(tǒng)只需要 2D 圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文中這兩個相機(jī)的分辨率是 1 280×720 像素。

圖 1 表示照相機(jī)視野范圍。大方格是相機(jī)視野區(qū)域的范圍，小方格是相機(jī)的遠(yuǎn)視區(qū)域。

在得到兩幅圖像之后，計(jì)算機(jī)需要計(jì)算視差，即從圖像像素到攝像機(jī)的距離。

對于左側(cè)圖像中的每個像素，計(jì)算到右側(cè)圖像中對應(yīng)像素的距離[10]，見圖 2。

得到立體圖像后，可以計(jì)算出攝像機(jī)與目標(biāo)之間的距離。此實(shí)驗(yàn)中計(jì)算每個像素從圖像到相機(jī)的距離。我們把距離 B 表示為距離 B1 和 B2 之和[11]。

（1）

距離 D 為式（2）。

（2）

圖 3 為用兩個相機(jī)拍攝的物體（樹）。

在本文中，每個像素可以被看作這個圖中的每棵樹。在計(jì)算每個像素距攝像機(jī)的距離時，系統(tǒng)可以獲得圖像的深度圖，如圖 4。

在圖 4 中，不同的顏色表示圖像和相機(jī)的距離。比較圖 4 以及圖 1，如果像素靠近照相機(jī)，顏色是亮的，如果像素遠(yuǎn)離照相機(jī)，則顏色是暗的。

5 算法實(shí)現(xiàn)

該算法分為三個部分：深度計(jì)算、方形尺寸查找和中心點(diǎn)距離計(jì)算。輸入數(shù)據(jù)集是 2D 圖像陣列，表示每個像素在圖像上的位置。在獲得每個像素的深度之后，設(shè)一閾值將圖像分成大于閾值和小于閾值兩部分。前者表示無人機(jī)的“障礙物”，后者表示無人機(jī)的“安全區(qū)域”。

接下來的每一步，無人機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)核，再從內(nèi)核獲取數(shù)據(jù)。這里的關(guān)鍵是如何優(yōu)化 CPU 和 GPU 之間的負(fù)載平衡。由于本文選取的圖像分辨率為 1 280×720，為了計(jì)算每個像素的距離，本文使用 2D 映射，這樣可以最好地利用該系統(tǒng)的計(jì)算速度。

內(nèi)核的線程我們設(shè)成一塊 256 個像素，像素總數(shù)為 1 280×720＝921 600，這樣就有 3 600 個塊進(jìn)行并行計(jì)算。這可以保證在飛行中獲得理想的計(jì)算性能。首先獲取每個像素的距離并分配每個像素。例如，有三個像素。它們與相機(jī)的距離是 3.23 m、2.52 m 和 1.53 m。在閾值為 2 的情況下，它將第一和第二像素分配為 1（它表示安全區(qū)域），將第三像素分配為 0（這意味著障礙點(diǎn)）。

最后，該數(shù)組僅包含 0 和 1。在數(shù)組傳輸?shù)?CPU之前，二維數(shù)組轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組，這樣可減少 CPU 和 GPU 之間的同步傳輸。

下一步是找到安全區(qū)域。我們使用正方形來表示安全區(qū)域。當(dāng)計(jì)算正方形大小時，線程和塊的分布與第一步相同。在此步驟中，TX1 板還使用以下等式計(jì)算每個像素距圖像中心點(diǎn)（640，360）的距離 D。

（3）

最后一步是從圖像的中心得到最接近的正方形。在這個步驟，它將每個像素的距離值設(shè)置到每個線程中。這里使用的方法稱為歸約。它可以是陣列的最大/最小值，時間復(fù)雜度為 O(log n)。圖 5 展示了并行歸約的順序?qū)ぶ贰?/p>

該算法的時間復(fù)雜度為 O(N/P＋log n)，其中 N 是數(shù)組中的總元素個數(shù)，P 是它的總塊數(shù)，log n 是每個塊的運(yùn)行時間。

在這三個步驟之后，系統(tǒng)將得到最接近中心點(diǎn)的方形區(qū)域，以指導(dǎo)無人機(jī)的飛行，找到正確的路線。當(dāng)確定方形區(qū)域的位置時，它可以根據(jù)區(qū)域的（x，y）坐標(biāo)為無人機(jī)提供飛行指令。例如，如果正方形的中心位置是（200，150），則命令是“向左飛行然后上升”。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)在無人機(jī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行了測試，圖 6 顯示了兩個不同閾值的結(jié)果，棋盤代表了無人機(jī)能夠通過的安全區(qū)域，也就是距離大于閾值的區(qū)域，如果距離小于閾值，則不做特別標(biāo)記。

圖 7 顯示了走廊上的測試結(jié)果，當(dāng)攝像機(jī)檢測到障礙物時，它可以引導(dǎo)無人機(jī)的飛行路線，在圖像上顯示的黃色（淺色）文本。

該算法的時間復(fù)雜度是 O(n2)，其中 n 是符合無人機(jī)大小的正方形區(qū)域的恒定大小。由于該 ZED 相機(jī)支持每秒 15 幀，所以每幅圖像的處理需要 0.066 s。系統(tǒng)各部分測量后，結(jié)果如表 1。

從表 1 可以發(fā)現(xiàn)，求平方算法是整個系統(tǒng)中效率較低的部分之一，并且還受到如何設(shè)計(jì)平方大小的限制。因?yàn)楫?dāng)正方形的大小變大時，每個線程的工作量也會變大。光反射也是相機(jī)的常見問題；如果環(huán)境有強(qiáng)烈的光反射，相機(jī)就無法檢測到任何東西。

7 結(jié)語

本文提出了一種基于立體相機(jī)和 TX1 GPU 的無人機(jī)避障方法。它使用兩個攝像機(jī)來分析每個像素與攝像機(jī)的距離。然后，計(jì)算機(jī)通過比較距離和閾值來找到理想的安全區(qū)域，以便向無人機(jī)提供飛行指令。將來，無人機(jī)系統(tǒng)可以通過預(yù)先計(jì)算少量數(shù)據(jù)，作為輸入數(shù)據(jù)重復(fù)該算法來進(jìn)一步優(yōu)化。