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空中作業(yè)時目標(biāo)被遮擋怎么辦？

2022-03-12 12:03 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：空中機(jī)器人前沿 來源：空中機(jī)器人前沿
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全文1484字，預(yù)計(jì)閱讀時間4分鐘原創(chuàng) | 張嘯宇編輯 | 呂嘉玲1背景隨著無人機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，我們希望賦予無人機(jī)更加豐富的作業(yè)能力?？罩凶鳂I(yè)機(jī)器人便是一種...

全文1484字，預(yù)計(jì)閱讀時間4分鐘

原創(chuàng) | 張嘯宇

編輯 | 呂嘉玲

1背景隨著無人機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，我們希望賦予無人機(jī)更加豐富的作業(yè)能力?？罩凶鳂I(yè)機(jī)器人便是一種新型的機(jī)器人，將無人機(jī)與作業(yè)機(jī)構(gòu)結(jié)合起來，使其兼具無人機(jī)的快速空間移動能力和機(jī)械臂的精確操縱能力。為了提高機(jī)器人的自主作業(yè)能力，視覺等傳感器往往必不可少。在空中操作機(jī)器人中，視覺傳感器通常安裝在機(jī)械臂末端或無人機(jī)本體上。視覺傳感器安裝在機(jī)械臂末端時，由于無人機(jī)的抖動，作業(yè)目標(biāo)很容易在圖像畫面中消失；安裝在無人機(jī)本體上時，作業(yè)目標(biāo)又很容易被機(jī)械臂遮擋（如圖1所示）。這些問題限制了空中操作機(jī)器人進(jìn)行高精度的作業(yè)活動。本文將介紹一種新穎的目標(biāo)定位方法解決上述問題，相關(guān)工作發(fā)表于期刊IEEE Robotics and Automation Letters 并將在會議IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2022上報(bào)告[1]。

論文鏈接：

https://shiyuzhao.westlake.edu.cn/style/2022RAL_XiaoyuZhang.pdf

介紹視頻：

https://www.bilibili.com/video/BV11T4y1m7tN?spm_id_from=333.999.0.0 

圖 1 作業(yè)目標(biāo)被機(jī)械臂遮擋2方法該目標(biāo)定位方法的核心思想是觀測到目標(biāo)時，保存目標(biāo)與周圍特征點(diǎn)的空間距離；沒有觀測到目標(biāo)時，利用匹配的特征點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)的空間距離計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的位置。因?yàn)?strong>距離是與坐標(biāo)系無關(guān)的，因此在進(jìn)行目標(biāo)定位的過程中不需要同時估計(jì)相機(jī)的自身位姿，使定位精度更高?；诰嚯x的目標(biāo)定位類似于GPS等定位系統(tǒng)的四點(diǎn)定位的原理，也就是在空間中，已知不在同一平面上的四個點(diǎn)，以及它們到目標(biāo)點(diǎn)的距離，即可計(jì)算出唯一的目標(biāo)點(diǎn)位置。該定位方法的系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

這里我們使用了RGB-D相機(jī)，但也可以拓展到雙目相機(jī)。在每幀圖像中我們提取了ORB特征點(diǎn)，因此根據(jù)相機(jī)模型，可以得到特征點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的空間位置：

當(dāng)觀測到目標(biāo)時，以及計(jì)算特征點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的空間距離，并保存該距離：

當(dāng)觀測不到目標(biāo)時，通過特征點(diǎn)匹配可以找到之前保存的特征點(diǎn)及其到目標(biāo)點(diǎn)的距離，每個匹配的特征點(diǎn)可以提供一個約束。我們將這一約束定義為一個誤差項(xiàng)：

因此，求解如下優(yōu)化方程便可得到最終的目標(biāo)點(diǎn)位置：

整個定位系統(tǒng)仿照經(jīng)典的視覺SLAM系統(tǒng)進(jìn)行搭建，分為建圖和定位兩部分。建圖中，我們僅保存并更新特征點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離，并不保存點(diǎn)的三維坐標(biāo)，該地圖被稱為target-centered range-only map。定位中，實(shí)現(xiàn)的是求解目標(biāo)點(diǎn)在當(dāng)前相機(jī)坐標(biāo)系中的相對位置，核心是構(gòu)建上述的優(yōu)化方程。

3實(shí)驗(yàn)

ICL-NUIM 數(shù)據(jù)集

我們首先在ICL-NUIM數(shù)據(jù)集中驗(yàn)證了我們的算法。如圖3所示，在第一幀圖像中指定目標(biāo)，并在后續(xù)圖像中持續(xù)定位目標(biāo)，隨著相機(jī)移動，目標(biāo)會移出畫面，但我們的算法依然能夠進(jìn)行定位。

圖3 實(shí)驗(yàn)圖像示意圖這一過程中特征點(diǎn)到目標(biāo)的距離如下所示：

video1因?yàn)槭褂肧LAM算法可以構(gòu)建全局地圖，而目標(biāo)位置可從地圖中獲得，因此我們將兩種算法進(jìn)行了比較，統(tǒng)計(jì)如圖4所示，其中Em表示觀測到目標(biāo)時的目標(biāo)定位誤差，Eu表示沒有觀測到目標(biāo)時的目標(biāo)定位誤差?？梢钥闯?，我們的方法取得了更高的定位精度，因?yàn)樵赟LAM中目標(biāo)定位精度同時受到相機(jī)自身定位精度的影響。比較Em和Eu可以看出，即使不能直接觀測到目標(biāo)，仍能實(shí)現(xiàn)其較高的定位精度。

圖4ICL-NUIM數(shù)據(jù)集誤差統(tǒng)計(jì)

真實(shí)場景實(shí)驗(yàn)

此外，我們在不同的真實(shí)場景中，在真實(shí)無人機(jī)上進(jìn)行了定位實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

圖 5 真實(shí)場景實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過程視頻如下:

video2

在真實(shí)場景中實(shí)驗(yàn)的定位誤差及與SLAM算法的比較如圖6所示，我們的方法同樣取得了更高的定位精度。

圖6真實(shí)實(shí)驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)

運(yùn)行速度

我們的算法運(yùn)行效率較高，在配有i7-7700HQ 2.80GHz CPU的筆記本電腦上，每幀處理耗時約42毫秒，即每秒鐘可處理約24幀，能夠滿足無人機(jī)的任務(wù)需求。

3總結(jié)與展望

在該工作中，我們提出了一種新型的目標(biāo)定位方法，能夠應(yīng)對空中操作機(jī)器人中難免的目標(biāo)遮擋等問題。該方法在數(shù)據(jù)集與真實(shí)環(huán)境中都取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。未來我們將進(jìn)一步拓展該算法，并將其與實(shí)際的空中作業(yè)任務(wù)相結(jié)合，賦予空中機(jī)器人更強(qiáng)大的自主作業(yè)能力。

參考資料：[1] X. Zhang, Y. Zhang, P. Liu, and S. Zhao, “Robust Localization of Occluded Targets in Aerial Manipulation Via Range-Only Mapping,” IEEE Robotic and Automation Letters, vol. 7, no. 2, pp. 2921–2928, 2022.本文由西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室張嘯宇原創(chuàng)，申請文章授權(quán)請聯(lián)系后臺相關(guān)運(yùn)營人員。

歡迎來到西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室！我們的實(shí)驗(yàn)室專注于小型無人機(jī)（UAV）的基本理論和新應(yīng)用。技術(shù)研究領(lǐng)域包括（i）單無人機(jī)的制導(dǎo)，導(dǎo)航和控制，（ii）多無人機(jī)的集群系統(tǒng)，以及（iii）基于視覺和其他類型的傳感器的智能傳感系統(tǒng)。目前，我們有十多個小組成員，包括博士后，博士生，研究助理和訪問學(xué)生。他們都畢業(yè)于中國和海外的頂尖大學(xué)。我們擁有一流的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如Vicon，動作捕捉系統(tǒng)和各種實(shí)驗(yàn)無人機(jī)平臺。

歡迎來到西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室！ 小型旋翼無人機(jī)在民用和軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，涉及到眾多的科學(xué)研究問題。 西湖大學(xué)“智能無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室” 關(guān)注于微小型無人機(jī)的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，面向國家和社會重大需求，專注于從事高影響力的研究工作。 實(shí)驗(yàn)室目前關(guān)注的研究領(lǐng)域包括單無人機(jī)系統(tǒng)的導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、多無人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同控制與估計(jì)、以及基于視覺和多種傳感器的智能感知系統(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)室具有一流的科研設(shè)施、完善的工作條件、活躍的科研氛圍。 目前實(shí)驗(yàn)室已有十幾名優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)成員，分別來自國內(nèi)外著名高校。 此外，實(shí)驗(yàn)室具有高精度VICON室內(nèi)定位系統(tǒng)、一系列空中和地面機(jī)器人平臺、GPU計(jì)算服務(wù)器、3D打印機(jī)等設(shè)施，為開展相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)奠定了良好基礎(chǔ)。

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