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基于飞行昆虫视觉机理的导航方法概述

时间:2014-11-06


基于飞行昆虫视觉机理的导航方法概述

摘要: 当今世界上已经出现了多种多样的导航方法, 但大部分都是被动式导航或者是 已知环境下的主动式导航, 而可用于复杂环境中的智能化的主动导航方法的研究仍然 是个难题。 本文介绍了一种近几年来发展起来的一种新型导航方法, 它的灵感来源于 自然界中的昆虫视觉机理,由此而进行仿生、光谱分析、图像识别、自主导航等一系 列工作,使微型飞行器实现像昆虫一样自由飞行而创造了理论和技术基础。 关键词:飞行昆虫;仿生;视觉导航;自主导航

An Overview of A Method of Navigation Based on the Visual Mechanism of Flying Insects

Abstract: There have been a variety of navigation methods in the world, but most of them are passive navigation or active navigation in known environment, but an intelligent navigation methods can be used to proactively navigate complex environments is still a problem. This paper presents a new navigation method developed in recent years, its inspiration comes from of insect vision mechanism, and thus be bionic, spectral analysis, image recognition, autonomous navigation and a series of work, so that micro-insect-like aircraft to achieve free flight while creating the theoretical and technical basis. Keywords: Flying insects; Bionic; Visual navigation; Autonomous navigation

1 前言
视觉导航是通过对视觉传感器获取的图像进行相应处理从而得到载体的导 航参数的一种技术, 它主要利用计算机来模拟人或动物的视觉功能,从客观事物 的图像中提取有价值信息, 对其进行识别和理解,进而获取载体的相关导航参数 信息。
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目前 GPS 导航、惯性导航、激光或雷达导航等方法的发展正在日趋成熟, 而人们开始对导航技术提出了一些新的要求和期望。例如,智能化微型飞行器的 研究具有很高的军事和民用价值,但是,目前还没有任何自治的微型飞行器可以 像飞行昆虫一样在复杂的场景中自由飞行, 所以利用来自昆虫灵感的视觉感知机 制来研制完全自治的微型飞行器是当前机器人研究领域的重要发展方向, 其理论 研究对提高移动机器人的智能化水平具有重要的指导意义。 1.1 现有视觉导航技术的发展状况 现有的视觉导航系统大部分都是在陆地的汽车等载体上,依靠地面参照物或 基于路径识别方法来确定载体的位置、 速度、 姿态等信息, 从而实现自主导航的。 主要有基于地图的导航方法、地图生成型导航和无地图导航三种方式。 基于地图的导航方法最先是将环境中的突出特征使用二维投影标注在地图 中,后来又将不确定性也加入到标注地图中,用来说明传感器误差,然后用地标 跟踪算法通过在图像中识别地标, 以及对连续画面中地表的跟踪, 确定载体位置。 地图生成型导航系统通过感知周围环境,并在线生成某种表示的导航地图。 无地图导航方法不需要对环境信息进行全面描述。光流法、基于特征跟踪或 外观的导航方法是无地图视觉导航方法的主要研究方向。 目前世界上已有一些成功应用于移动机器人或汽车的视觉导航的案例,并且 世界各国都在加大对智能视觉导航汽车的研究投入。从 1986 年开始,每年一次 的移动机器人(MR)、国际自动控制联盟(IAFC)以及智能车辆沦坛(WS)等诸多国 际会议,都将视觉导航作为一个重要的议题。1987 年德国联邦大学(UBM)研制 成功 VaMoRs-M 无人驾驶汽车,该车采用机器视觉识别车道线进行自动导航。 美国于 1995 年成立了国家自动高速公路系统联盟(NAHSC), 日本于 1996 年成立 了 AHSRA 高速公路先进巡航/辅助驾驶研究协会。众多知名汽车公司和研究机 构纷纷加盟研制车辆自动导航的方法,极大地促进了智能车辆技术的整体进步。 1.2 昆虫视觉导航的优势 研究发现,飞行昆虫的脑重不足 0.1 微克,但却有一个快速运转、精确、可 靠的视觉系统, 具有令人惊异的导航能力,能够在复杂的自然环境中实现精确导 航,且导航性能不受天气、气候、光照等环境的影响。昆虫的导航效率远超过了 人类目前开发的任何导航系统。 若能够充分研究昆虫的视觉导航机理,并成功开
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发出仿生导航方法,将其应用于飞行器、机器人或其他设备的导航系统中,则有 可能研制出像昆虫一样, 能够在复杂情况下躲避障碍,精确到达目标的全新仿生 机器,带来导航理论的一次全新革命。 与基于激光、 雷达和 GPS 等导航系统相比, 基于视觉的导航系统有如下优点: (1)被动传感器,不必像基于激光、雷达或声纳的导航系统需要安装发射和接 收装置,可较好的满足微型飞行器对体积和重量的要求; (2)获取信息直观,能够同时满足自主和遥控的需要; (3)仅靠视觉系统基本上就可以完成航向、位置和障碍测定任务,进一步满足 导航和控制系统的定位、路径规划、运动控制和局部避障的需要; (4)与激光、雷达导航系统相比,不存在辐射与信号相互干扰的问题。 (5)信息处理速度快。随着视频设备、计算机硬件设备性能的不断改善以及图 像处理方法的不断改进,视觉导航的实时性有很大提高。 (6)自主检测并规避障碍物。全球定位系统 GPS,体积小重量轻,广泛地应用 于无人机的研究, 其在检测位置和速度方面具有无法替代的优势,但是却无法用 于碰撞避免。 而用基于计算机视觉的传感器导航和控制系统能够智能化的完成定 位和避障等任务。

2 昆虫生物视觉机理
在昆虫视觉上起主要作用的是复眼。复眼本身是一个精巧的定向导航控制统, 具有一个多孔径光学系统,比如蜻蜓复眼由近 2000 个子系统组成。昆虫复眼还 能在复杂的背景中监测、 跟踪与背景有相对运动的目标,并且它是一个高度平行 密集分布状的、互相连接、具有自适应、自组织以及容错能力的超级计算网络。 复眼由许多重复的小眼组成, 每个小眼自身带有一个镜头作为一个独立的视觉接 受器。小眼的数目越多,复眼成像就越清晰。同时研究表明,飞行昆虫的视觉在 时域上远远胜过人类视觉。 飞行昆虫的眼睛构造形式和视觉处理机制有以下优点: (1)飞行昆虫复眼的空间分辨率低,时间分辨率高,更擅长检测微小时间 间隔内的变化;指导昆虫飞行控制的主要传感器是视觉运动,即光流; (2)飞行昆虫具有快速与准确的处理视觉信息的能力,能在复杂的背景中 检测、跟踪与背景有相对运动的目标。
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(3)飞行昆虫根据光流信息,能够估计速度、测定场景深度、检测障碍物 并进行障碍规避。

3 昆虫视觉导航的研究及成果
3.1 昆虫的视觉机理应用研究 国外已对飞行昆虫的视觉和导航机理进行了多年的研究。美国军方,美国航 空航天局, 以及英国国防部都对苍蝇的视觉与飞行控制进行了探索,并希望开发 出能够作为微型间谍的苍蝇机器人。1996 年,美国国防高级研究计划局资助了 一个为期三年的微型飞行器研制项目, 希望建造一个长度不超过巧厘米的飞行器, 能够在诸如建筑物、隧道等确定的范围内自主运动并进行环境观察。哈佛大学, 加州大学伯克利分校已开发出了仿生苍蝇的微型飞行器。 法国国家科学研究中心 参照苍蝇视觉系统设计的电子眼已应用于飞行机器人, 能够巧妙灵活地躲避障碍; 日本科学家已研制出一种苍蝇视觉芯片,用于轮式机器人的导航控制中。 澳大利亚在飞行昆虫视觉的研究上处于世界领先水平,澳大利亚昆士兰大学 的 Srinivasan 教授认为,如果能够复制蜜蜂的脑子, 那么就可能给航空业带来一次 彻底的变革。澳大利亚阿德莱德大学的 Carroll 教授深入研究了蜜蜂复眼的成像 机理, 并在美国空军科研实验室的资助下,研制了仿生昆虫视觉的生物启发式摄 像机,以及用于导航的仿生运动检测芯片。 根据蚂蚁的视觉导航方式, 英国苏塞克斯大学的 Collett 教授提出了用于机器 人导航的地标匹配模型。 该模型创新性的使用了全景图像匹配技术,能够有效地 仿生蚂蚁根据地标判断自身位置并从觅食地点返回巢穴的行为。 3.2 昆虫的偏振视觉导航机理研究 国外对生物偏振敏感导航机理也取得一些进展。瑞士苏黎世大学的 Wehner 教授主要研究了沙蚁的导航方式。 他发现沙蚁能够借助天空中的偏振光导航定位。 在离巢穴较远时, 沙蚁通过天空中的偏振光判断方向,寻找自身与巢穴的对应方 位,因此,沙蚁能够在数百米外觅食而能够近似于一条直线返回巢穴。而当到达 巢穴附近时, 沙蚁根据记忆中巢穴附近的地标,经过与当前视觉图像进行景象匹 配后准确找到巢穴入口。 苏黎世大学还开发了仿生沙蚁的无线机器人,该机器人 能够探测天空中的偏振光,并且能够提取和处理在行进过程中拍摄的地标图像。 3.3 仿生算法研究
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国外已经提出了许多昆虫视觉导航机理的模拟算法,如根据蜜蜂的视觉原理, Srinivasan 提出了一种图像插值算法,该算法通过简单的计算过程来测量光流和 估计自身运动;受昆虫视觉神经启发的 Reichardt 模型及其改进方法,已被用于 图像的局部运动检测;Franceschini 借鉴家蝇的视觉机理提出了视觉导航算法和 仿真复眼的光流传感器。 在应用上,这些基于昆虫视觉的导航方法已用于各种机 器人和交通设备的自动导航,尤其用于类似飞行昆虫的无人驾驶飞机上。 然而,上述基于昆虫的光流导航方法均为自主导航,需要采用路径积分法来 求取绝对位置信息,即首先计算每一步的位移,然后通过累加法求取总位移,再 与初始位置相比较获得当前位置。因此, 这些导航方法将不可避免地产生累计误 差,且随时间积累,使得导航系统在长期使用后产生较大位置偏差。为了修正这 种累计误差, 目前常用的方法是将自主导航与辅助导航相结合,建立所谓的组合 导航系统。 对于昆虫来说, 它们也已进化出了许多用于累计误差修正的辅助导航 方法。Cheung 等人根据昆虫的一般运动,证明了利用外部罗盘可有效降低导航 的不确定性;Collett 根据对蜜蜂的研究,提出了使用全景图像匹配求取绝对位置 的快照模式;Lambrinos 通过学习沙蚁的行为,设计了使用偏振光定位的方向罗 盘。 3.4 国内研究现状 国内在昆虫视觉方面的研究起步较晚,中科院生物物理研究所研究蝇复眼, 取得了一些具有探索性和预言性的研究成果, 但难以将昆虫的视觉导航方法应用 到国防装备中。 西北工业大学进行了基于蝇复眼的目标识别机理研究。清华大学 开发了基于昆虫视觉原理的角速度测量系统; 大连理工大学研究了昆虫使用偏振 光进行导航的方式;西北工业大学和中国科学院对果蝇的视觉系统进行了研究; 北京理工大学研制了具有立体视觉的微型昆虫机器人; 华中科技大学开发了基于 光流的辅助导航方法和基于熵流的辅助导航方法。

4 昆虫视觉导航方法的应用和展望
4.1 昆虫视觉导航的应用意义 当今的移动机器人是具有感知、 思维和行动功能的机器, 是生物学、 机构学、 自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学 等多种学科和技术的综合成果。移动机器人从活动范围上可以分为飞行机器人、
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地面机器人和水下机器人。相比之下,飞行机器人具有更大的灵活性、机动性和 更广泛的应用领域。尤其是微型飞行器,或者称为微型无人机飞行器,由于体积 微小, 在执行任务时隐蔽性强, 机动灵活, 因此具有很高的军事和民用应用价值。 它可以飞越小山、探测地雷和有毒物质;可以到人不易进入的地方拍照;可作为 气象传感器观测气象, 也可用于观测空中污染物的情况;可对城市街道的交通状 况进行监测;还可以飞进失火或出事故的建筑物中,寻找有毒和危险的源头;特 别在军事上,可用于空中侦察、电子干扰、通信中继、目标定位、战场监视和边 境巡逻等。因此,这种高度智能化的微型飞行器的研究、开发和应用必将成为 21 世纪机器人的重要发展方向,同时对人类开辟新的产业,提高生产水平与生 活水平具有十分现实的意义。 4.2 昆虫视觉导航目前仍需要改进的地方 (1)算法改进。光流视觉导航本身就是较为一个复杂的系统,算法也很复 杂, 目前还不能较好的满足实时性的要求, 需要用硬件进行算法加速或改进算法, 以提高系统的性能和效率。 (2)图像运动估计。算法中某些变量的估算具有较大的不确定性,往往会 对运动模型拟合产生较大影响, 需要研究其它的参数估计算法以提高全局运动模 型的拟合精度,或设法去除干扰成分。 (3)自主导航策略。自主导航是目前的视觉导航系统又一重要问题,需要 进一步研究自主导航策略,力图解决在未知环境下的自主导航问题。 导航系统是现代化国防的重要研究内容,它能有效地提供自身的精确位置, 从而引导军事设备准确到达目标地点。因此,导航系统的效率直接影响到导弹或 飞行器的导航精度, 是自动化军事设备导航的核心。导航系统己成为现代军事系 统的重要组成部分, 也是衡量一个国家国防科技实力的重要标准。研制高性能的 导航系统,对于增强我国国防实力,维护国家安全,具有重要的推动作用。

5 学习与报告总结
《导航理论与方法》这门课程通过不同的老师对不同的专题进行讲解,使我 对导航这门科学技术有了更进一步的理解,也产生了浓厚的兴趣。在上这门课之 前,我对导航只是有一些简单的了解,并没有涉及过这方面的知识,而这门课对 现有的各种导航的方法与形式都做了比较详细的介绍,并讲解了其原理和应用,
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通过课上的听讲与课下对相关资料的翻阅,我逐渐对导航有了更多地了解。特别 是朱敦尧老师讲过的智能化车载导航,更是提起了我的兴趣,虽然智能化的导航 方法现阶段还没有真正地达到发展的巅峰期, 而随着科技水平的提高和人们对导 航技术的要求与期望的提升, 智能导航方法的发现和全主动式导航系统的开发必 然会成为将来科技发展的一个热点。 而此时我恰好在网上看到了一些有关昆虫视 觉研究和视觉导航的资料, 于是就开始搜索昆虫视觉导航的资料,希望了解一下 这门技术的发展状况。我所搜集的资料中,关于“视觉导航”和“昆虫视觉机理研 究”的资料有很多,而利用“昆虫视觉机理”进行导航的文献却很少,主要参考文 献有两个, 分别是北京理工大学的硕士论文 《基于昆虫灵感的视觉导航方法研究》 和华中科技大学的博士论文《基于飞行昆虫视觉机理的导航新方法》 ,报告的内 容大部分来自于这两份资料,在其他的资料中摘取了小部分内容。 基于昆虫视觉机理的导航方法是集生物学、机构学、自动控制、计算机、人 工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综 合成果, 由于我的知识层面和时间的限制,我只就国内外对该导航方法的研究背 景和成果进行了概述, 将来我会更深入地去学习有关知识,多了解这方面的发展 动态。

参考文献 [1]邓鹤.基于飞行昆虫视觉机理的导航新方法[D].华中科技大学博士论文,2011. [2]曾雪莲.基于昆虫灵感的视觉导航方法研究[D].北京理工大学硕士论文,2008. [3]吴卫国,吴梅英.昆虫视觉的研究及其应用[J].昆虫知识,1997,34(3). [4]郑胜男,黄陈蓉,徐梦溪,韩磊.昆虫视觉研究综述[J].信息通信,2013,8. [5] 王先敏 , 曾庆化 , 熊智 , 刘建业. 视觉导航技术的发展及其研究分析 [J]. 信息与控 制,2010,39(5). [7]黄显林,姜肖楠,卢鸿谦,李明明.自助视觉导航方法综述 [J].吉林大学学报(信息 科学版),2010,28(2).

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