基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)路徑?jīng)Q策的研究

周思達(dá)，邱 爽，唐嘉寧，郭 川

(電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650000)

1 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)進(jìn)入民用市場，無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域，在地貌探索，搜索救援，應(yīng)急監(jiān)測等方面發(fā)揮著日益重要的作用。

環(huán)境感知是無人機(jī)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵，為了安全穩(wěn)定的執(zhí)行飛行任務(wù)，無人機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中必須實(shí)時(shí)對周圍障礙物做出反應(yīng)。近幾年，國內(nèi)外的專家學(xué)者已對無人機(jī)的自主導(dǎo)航飛行開展的大量研究，這些研究可分為兩個(gè)方面：一方面是無人機(jī)在運(yùn)動(dòng)的過程中實(shí)時(shí)檢測周圍環(huán)境，探測周圍障礙物從而實(shí)現(xiàn)避障；另一方面是利用路徑規(guī)劃算法在已知環(huán)境障礙物的情況下規(guī)劃路徑[1，2]。

基于路徑圖、人工勢場、單元分解的規(guī)劃算法[2]是在已知環(huán)境障礙物的情況下的三種飛行航跡規(guī)劃方法。其中基于路徑圖的方法是要根據(jù)一些給定的方法把可以通行的沒有障礙物的路徑轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l條有向線段的合集，然后再在這些合集里尋找更符合的路徑。對于人工勢場法，要假設(shè)吸引力和排斥力，吸引力引導(dǎo)無人機(jī)靠近目標(biāo)，排斥力阻止無人機(jī)靠近障礙物。對于單元分解的規(guī)劃算法，要將飛行空間劃分成大小相同的單元格，再用適合的算法搜索單元格，最后選出符合飛行的單元格序列。然而這三種航跡規(guī)劃方法必須一定要在已知環(huán)境障礙物的情況下進(jìn)行。

對于無人機(jī)實(shí)時(shí)的飛行探索，主要是依靠各類探測傳感器及交互應(yīng)答協(xié)議對障礙物進(jìn)行避障處理，傳感器主要包括光電、電磁等常用的傳感器。對于長期技術(shù)研究階段則采用光電、激光和雷達(dá)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。如2016年，Barry領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)就利用立體激光掃描器來感知周圍環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)30英里的高速避障飛行[3]。因而，飛行探索傳感器的靈敏度和精確度將直接決定飛行任務(wù)的成敗。

但不管是依靠哪種路徑規(guī)劃的算法，在山野小路，湖泊叢林這樣復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境以及較為封閉的室內(nèi)場所中往往會因?yàn)樾畔⒘烤薮蠖鴮?dǎo)致無人機(jī)的飛行判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤[4]。因此，無人機(jī)在這樣的環(huán)境中識別路徑并進(jìn)行路徑?jīng)Q策更具挑戰(zhàn)性。

最近幾年，深度學(xué)習(xí)已成為各種計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)的強(qiáng)大工具，它的優(yōu)勢之一在于它的通用性：從海量的信息中直接提取特征而不需要算法設(shè)計(jì)師進(jìn)行特征的選擇和設(shè)計(jì)。將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到無人機(jī)的自主導(dǎo)航上，讓其直接從海量的環(huán)境信息中提取特征，從而為無人機(jī)的自主導(dǎo)航探索提供更為充分的依據(jù)。

文獻(xiàn)[5]利用深度學(xué)習(xí)從輸入圖像中提取每個(gè)像素的特征向量，利用支持向量機(jī)在線進(jìn)行自監(jiān)督學(xué)習(xí)，通過訓(xùn)練后的分類器進(jìn)行道路/非道路分類。為無人機(jī)沿著道路避障飛行提供了一定的參考。

Laddha等[6]利用GPS和慣性測量單元對道路上可飛行路徑進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)注，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行訓(xùn)練完成路徑識別。但預(yù)處理手段極其復(fù)雜，無人機(jī)飛行性能往往由復(fù)雜的計(jì)算和大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)決定。蘇黎世大學(xué)Scaramuzza等[7]首次將路徑導(dǎo)航轉(zhuǎn)化為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類問題，根據(jù)識別到的路徑位置來判斷無人機(jī)的位置方向，研究者通過頭戴三個(gè)不同方向的攝像頭，在山野，湖泊，荒原各種不同的環(huán)境中行走，組成了數(shù)據(jù)集IDSIA.利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷所處環(huán)境中路徑的位置，判斷無人機(jī)實(shí)時(shí)的飛行方向，從而完成無人機(jī)的自主飛行。這種方法是深度學(xué)習(xí)在無人機(jī)航跡規(guī)劃上的一次較為成功的嘗試，識別成功率甚至能接近90%。

以往的無人機(jī)航跡規(guī)劃方面的研究主要集中在傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法上，基于深度學(xué)習(xí)的無人機(jī)路徑識別還較為少見，對于復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)的飛行探索，使用深度學(xué)習(xí)的方法利用端對端的的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能直接對無人機(jī)的飛行路徑進(jìn)行識別，從而控制無人機(jī)的飛行。和傳統(tǒng)的方法相比較，基于深度學(xué)習(xí)的方法具有魯棒性高，適用范圍廣的特點(diǎn)。但由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境多種多樣，如在森林或是城市飛行時(shí)，參考物和特征(線、面、體)極不明確，環(huán)境是顯著非結(jié)構(gòu)化的，在這樣的環(huán)境中，無人機(jī)的判斷能力會顯著下降，從而大大降低無人機(jī)飛行的安全性和穩(wěn)定性。

本文搭建了一個(gè)深度殘差網(wǎng)絡(luò)模型，首先將相機(jī)獲取的普通彩色RGB圖作為輸入，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)，得到能預(yù)測無人機(jī)三種飛行方向(左/中/右)的訓(xùn)練模型，再利用小覓深度攝像頭D1000-IR-120采集不同建筑環(huán)境內(nèi)的深度圖片，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遷移學(xué)習(xí)的原理，將包含深度信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，大大提高了在各種不同環(huán)境下的飛行準(zhǔn)確率。由于數(shù)據(jù)集包含了大量室外非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，也包含了室內(nèi)結(jié)構(gòu)化的建筑場景，擴(kuò)展了無人機(jī)路徑識別飛行的適用范圍，與傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單單使用RGB圖進(jìn)行訓(xùn)練的方法相比，本文提出的方法提高了無人機(jī)飛行探索的安全性和穩(wěn)定性。

2 基于深度殘差網(wǎng)絡(luò)的航跡決策方法

AlexNet、VGG、GoogLeNet等網(wǎng)絡(luò)模型的出現(xiàn)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶入了幾十層的階段，研究人員發(fā)現(xiàn)層數(shù)越深的網(wǎng)絡(luò)泛化能力會越強(qiáng)[8]。但網(wǎng)絡(luò)層數(shù)越來越深又會因?yàn)樘荻葟浬⒑吞荻缺ìF(xiàn)象造成網(wǎng)絡(luò)難以訓(xùn)練。2015年，微軟亞洲研究院何凱明等人發(fā)表了基于Skip Connection 的深度殘差網(wǎng)絡(luò)(Residual Neural Network，簡稱ResNet)算法[9]，其原理是在l輸入和輸出之間添加一條直接連接的Skip Connection可以讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有回退的能力，通過這種方式可以選擇是否經(jīng)過這層卷積層還是跳過卷積層選擇Skip Connection，亦或是結(jié)合卷積層和Skip Connection的輸出。

2.1 深度殘差網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)分析

本文采用殘差結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)來解決網(wǎng)絡(luò)退化的問題。假設(shè)將模塊的的輸入設(shè)為X，將在卷積層的映射設(shè)為F(X)，模塊的輸出為H(X)，因此模塊的輸出則可以表示為H(X)=F(X)+X。殘差網(wǎng)絡(luò)的越層連接將輸入的信息跨越中間層傳輸?shù)搅撕髮樱@樣就保證了信息的完整性。殘差結(jié)構(gòu)有兩層，輸入X通過殘差映射后輸入到下一層，表達(dá)式如下

yl=F(xl，{Wl})+h(xl)

xl+1=f(yl)

(1)

其中，F(xiàn)(x)為殘差函數(shù)，xl和xl+1分別為第l個(gè)殘差單元的輸入與輸出，恒等映射的表達(dá)式為h(xl)=xl，ReLU激活函數(shù)為f(x)。從上式可推出從淺層l到深層L的學(xué)習(xí)特征為

(2)

那么反向傳播的梯度通過鏈?zhǔn)椒▌t就可以求出

(3)

其中，?loss/?xl是損失函數(shù)到L層的梯度，括號中的前一項(xiàng)表示梯度經(jīng)過了Wi層，1表示無損信息能夠通過越層連接，所以即使殘差的梯度較小，+1也能確保梯度不會消失。

2.2 RGB數(shù)據(jù)集的采集方法

本文利用的部分RGB數(shù)據(jù)是蘇黎世大學(xué)Scaramuzza教授的研究組發(fā)布的IDSIA數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集是由頭戴三個(gè)攝像頭的徒步者沿著室外不同環(huán)境的路徑迅速行走而采集。頭戴的三個(gè)攝像頭平行排列，中間的攝像頭指向正前方，左邊和右邊的攝像頭分別朝向道路兩邊。IDSIA數(shù)據(jù)集就由三個(gè)攝像頭采集的圖像序列組成。三個(gè)攝像頭采集的數(shù)據(jù)就分成了三組標(biāo)簽，沿著道路左邊邊緣的數(shù)據(jù)由靠左的相機(jī)采集，則標(biāo)簽定位左轉(zhuǎn)。中間攝像頭采集的數(shù)據(jù)標(biāo)簽為直行，右邊攝像頭采集的數(shù)據(jù)標(biāo)簽為左轉(zhuǎn)。

圖1 F-RSENET網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.3 深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

文章采用了深度殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對圖像進(jìn)行分類處理，其主要架構(gòu)基于resnet-18[10].為了提高網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的收斂速度，將每個(gè)殘差塊后批處理化的過程取消。于是其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，將IDSIA數(shù)據(jù)集中的RGB圖像裁剪成320×180大小的圖片作為網(wǎng)絡(luò)的輸入。其中，網(wǎng)絡(luò)的殘差模塊一共有四個(gè)，每一個(gè)殘差模塊包含兩個(gè)基礎(chǔ)塊，每個(gè)基礎(chǔ)塊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)卷積層，因此卷積層的數(shù)量是4×2×2=16。這樣再加上初始的卷積層和最后的全連接層，一共是18層的網(wǎng)絡(luò)。其中第一個(gè)卷積核是7×7外，其余卷積核的大小都是3×3.部分層采用了步長為2的下采樣，其余步長則都為1。池化層都采用平均池化的方法，最后輸出三類結(jié)果，表示的是左轉(zhuǎn)，直行，右轉(zhuǎn)三個(gè)無人機(jī)飛行方向的概率。

3 深度圖的制作及應(yīng)用

3.1 深度圖的原理

采用普通RGB彩色圖進(jìn)行訓(xùn)練，在道路邊緣模糊或是周邊較為空曠的場景下，網(wǎng)絡(luò)的誤判概率很高。這是由于RGB圖在某些場景受環(huán)境光照和陰影的影響比較大，從而導(dǎo)致圖像紋理信息不明顯，網(wǎng)絡(luò)無法通過圖像特征將其區(qū)分開造成的[11]。如圖2表示的就是網(wǎng)絡(luò)判斷錯(cuò)誤的RGB圖?；谶@一事實(shí)，本文考慮到若是能獲取到圖像的深度信息，這一問題就迎刃而解了。

圖2 誤判的某些RGB圖

傳統(tǒng)的機(jī)器視覺是現(xiàn)實(shí)的三維環(huán)境投影成二維圖像，再建立圖像信息與環(huán)境特征的數(shù)學(xué)模型。RGB彩色圖就是通過這一方法獲得的，因而損失了深度等信息。與之相反，深度圖像與環(huán)境光照和陰影沒有關(guān)系，深度圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)都能夠清楚的表達(dá)環(huán)境的表面幾何形狀。與RGB彩色圖相比，深度圖像處理對環(huán)境的幾何形狀和物理特征都沒有任何限制，它能直接利用環(huán)境中的三維信息，從而能大大簡化對三維環(huán)境的識別和定位問題[12]。

本文采用雙目立體視覺理論來獲取深度圖，雙目立體視覺理論的基礎(chǔ)是人類對視覺系統(tǒng)的研究，通過對雙目立體圖像的處理，獲取場景的三維信息。在雙目立體視覺系統(tǒng)中，深度信息是分兩步進(jìn)行獲得的：首先，在雙目立體圖像之間建立點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)系，求出對應(yīng)點(diǎn)的視差圖像，然后再根據(jù)對應(yīng)點(diǎn)的視差計(jì)算出相應(yīng)像素點(diǎn)的深度[13]。

作為基于視覺識別的3D傳感器，本文采用了小覓雙目攝像頭作為深度信息的采集工具。雙目攝像頭對同一場景環(huán)境下的圖像進(jìn)行拍攝，運(yùn)用立體匹配算法獲取視差圖，視差圖表示了空間物體在水平方向上左視圖與右視圖的像素差值。那么，可通過公式推導(dǎo)出深度z與視差的關(guān)系為

(4)

其中，b為雙目相機(jī)的基準(zhǔn)線，f為相機(jī)的焦距(相機(jī)的焦距一般有fx和fy，但因?yàn)橐暡钪辉趚方向，所以直接取fx即可)，d的單位是像素pixel，XR和XT的單位是毫米。

3.2 深度圖像數(shù)據(jù)集的采集與制作

本文采用的深度圖片數(shù)據(jù)集的采集方法和IDSIA數(shù)據(jù)集的采集方法類似，由于沒有三對雙目攝像頭，數(shù)據(jù)集的采集分為三個(gè)步驟依次完成。首先將雙目攝像頭指向正前方，與徒步者視角一致，沿著道路迅速行走并保持?jǐn)z像頭盡量穩(wěn)定。然后將雙目攝像頭朝左偏移固定的角度，沿著同樣的道路行走。最后，將雙目攝像頭朝右偏移固定角度，沿著道路迅速行走。這樣，就用同一組雙目攝像機(jī)采集了三組不同的圖像序列。再經(jīng)過雙目視覺理論的處理之后，就得到了三組包含深度信息的深度圖。其中指向正前方采集的圖像標(biāo)簽為直行，朝左偏移的雙目攝像頭采集的圖像標(biāo)簽為右轉(zhuǎn)，朝右偏移的雙目攝像頭采集的圖像標(biāo)簽則為左轉(zhuǎn)。下圖3是為進(jìn)行可視化將采集到的深度圖轉(zhuǎn)換成偽彩色圖的效果。

圖3 深度圖像分類標(biāo)簽

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 數(shù)據(jù)集處理

本文實(shí)驗(yàn)一共采用了兩個(gè)數(shù)據(jù)集，首先采用的是室外數(shù)據(jù)集IDSIA對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，IDSIA數(shù)據(jù)集包含多種多樣的室外道路類型，不管是寬闊的森林平原還是狹窄的山谷小路。拍攝的環(huán)境有雨天，陰天甚至下雪。其次本文也采用了自己利用雙目攝像頭采集與制作的深度圖像數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集同樣包含三組標(biāo)簽(左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)和直行)，采集的數(shù)據(jù)集主要是校園室內(nèi)，走廊等無人機(jī)能自由飛行的一些場景。這樣無人機(jī)的室內(nèi)室外環(huán)境都有所涉及，大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的泛化能力。本文也采用了多種經(jīng)典方法對數(shù)據(jù)集進(jìn)行擴(kuò)充增強(qiáng)，如隨機(jī)翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)等。本文使用的軟件平臺為深度學(xué)習(xí)框架tensorflow2.0．

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1是無人機(jī)在IDSIA數(shù)據(jù)集和深度圖像數(shù)據(jù)集下卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN和本文采用的深度殘差網(wǎng)絡(luò)F-resnet的飛行識別準(zhǔn)確率。從表中可以看出，使用深度殘差網(wǎng)絡(luò)模型要比普通網(wǎng)絡(luò)模型的效果要好，傳統(tǒng)卷積網(wǎng)絡(luò)隨著層數(shù)加深，學(xué)習(xí)效率反倒會變得很低，而殘差網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部殘差塊使用的跳躍連接的方式，大大緩解了普通卷積網(wǎng)絡(luò)隨著深度增加出現(xiàn)的梯度消失的問題，從而提升無人機(jī)的識別準(zhǔn)確率。另外，相較于只利用RGB圖訓(xùn)練或是只利用深度圖像這種單一圖像進(jìn)行訓(xùn)練的方法，使用包含有深度信息的深度圖片進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)能讓無人機(jī)的判斷準(zhǔn)確度有所提升?？梢钥闯龅氖牵诘缆愤吘壉容^模糊，場景的環(huán)境較為空曠且光線過暗或過明時(shí)，普通RGB圖的紋理特征和顏色特征很不明顯，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很難提取到特征信息。因此很難判斷出準(zhǔn)確的路徑位置。如下圖的某些場景。而深度圖像的優(yōu)勢在于它的每個(gè)像素點(diǎn)都反映了場景中的物體到搭載在無人機(jī)上攝像頭的實(shí)際距離。也就是說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取到的圖片實(shí)際上是包含了深度距離信息的矩陣，從而有效提高了路徑位置的判斷準(zhǔn)確率。

表1 無人機(jī)在IDSIA數(shù)據(jù)集和深度圖像數(shù)據(jù)集下CNN和F-resnet飛行識別準(zhǔn)確率

5 總結(jié)

本文提出了一種深度殘差學(xué)習(xí)模型F-RESNET，使無人機(jī)能在室內(nèi)室外的某一路徑飛行時(shí)對飛行方向具有一定的判斷能力。使用殘差網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模型，利用越層連接的原理實(shí)現(xiàn)了對更深層次網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，不僅提升網(wǎng)絡(luò)的識別準(zhǔn)確率，也提高了網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。其次，再利用RGB圖獲取顏色信息和紋理信息的同時(shí)，使用雙目立體視覺理論獲取了深度圖像數(shù)據(jù)集，給網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練增加了距離信息。最后的實(shí)驗(yàn)也表明，本文提出的網(wǎng)絡(luò)模型提高了普通卷積模型的識別準(zhǔn)確率，在無人機(jī)自主航跡規(guī)劃方面具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。