王文照, 曹慧亮, 王晨光, 唐 軍, 劉 俊, 申 沖

（1. 中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院, 太原 030051;2. 中北大學(xué)省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030051）

0 引言

在機(jī)器人領(lǐng)域, 導(dǎo)航是自主移動機(jī)器人執(zhí)行運(yùn)輸、 搜救和監(jiān)視等任務(wù)的先決條件。 同步定位和地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping,SLAM）是指: 移動機(jī)器人在沒有當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)的情況下利用搭載的視覺傳感器采集視覺信息, 在運(yùn)動中建立周圍環(huán)境的模型并同步估計(jì)自己的下一步運(yùn)動。 現(xiàn)有基于優(yōu)化或概率濾波器的SLAM 理論已有近30 年的發(fā)展［1］, 已經(jīng)較好地完成了“定位”與“建圖” 過程, 但都仍然存在一定的局限性。由于實(shí)際環(huán)境十分復(fù)雜, 例如光線影響、 不斷有行人干擾等, 導(dǎo)致現(xiàn)有SLAM 模型存在一定的局限性。

空間認(rèn)知賦予了動物出色的長航時高精度自主導(dǎo)航能力, 例如在換季時的遷徙等, 它們在大規(guī)模動態(tài)環(huán)境中的導(dǎo)航性能優(yōu)于現(xiàn)代機(jī)器人。 生物學(xué)家研究發(fā)現(xiàn), 哺乳動物在空間中的位置是通過結(jié)合大腦中的局部視覺線索和自運(yùn)動信息來估計(jì)的, 然后在大腦中形成一個經(jīng)驗(yàn)地圖來幫助動物在復(fù)雜環(huán)境中導(dǎo)航［2］。 其中, 海馬體-內(nèi)嗅皮層神經(jīng)回路中的神經(jīng)細(xì)胞在空間認(rèn)知中起著重要作用: 位置細(xì)胞、 頭朝向細(xì)胞、 網(wǎng)格細(xì)胞、 速度細(xì)胞和邊界細(xì)胞等等, 這些神經(jīng)細(xì)胞通過在大腦中放電活動的增強(qiáng)或減弱來對環(huán)境認(rèn)知進(jìn)行描述。

受動物導(dǎo)航的啟發(fā), 科學(xué)家們提出了將神經(jīng)細(xì)胞導(dǎo)航模型應(yīng)用于機(jī)器人。 Milford 等［3］提出了一種模仿老鼠海馬區(qū)位置細(xì)胞定位機(jī)理的仿生位置識別算法: RatSLAM。 該算法提出了一種基于連續(xù)吸引子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型, 并結(jié)合基于圖像信息旋轉(zhuǎn)與速度感知原理, 模擬了鼠類感知環(huán)境和識別位置的機(jī)制, 成功地進(jìn)行了66km 的車載實(shí)驗(yàn)。 之后他們還在不改變RatSLAM 核心的情況下, 改進(jìn)了視覺系統(tǒng)來解決2.5D 環(huán)境下的SLAM 問題。 Silveira 等［4］通 過 使 用 三 維 位 置 細(xì) 胞 模 型 擴(kuò) 展 了RatSLAM 模型, 探索了三維水下環(huán)境中的SLAM 問題。 Yu 等［5］提出了在三維空間中神經(jīng)啟發(fā)的六自由度純視覺類腦導(dǎo)航: NeuroSLAM 系統(tǒng), 并通過實(shí)驗(yàn)證明了它能夠正確生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維地圖。另外, 除了連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 學(xué)者們還研究了由不同類型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的導(dǎo)航細(xì)胞模型, 如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

盡管RatSLAM 在SLAM 領(lǐng)域獲得了一定的成就, 而它的性能精度往往是由視覺感知所決定的。由于該系統(tǒng)對圖像進(jìn)行了池化處理, 易造成場景信息的大量丟失, 從而引起環(huán)境感知混淆與構(gòu)建地圖失敗。 學(xué)者們紛紛對RatSLAM 算法中視覺感知模塊進(jìn)行了優(yōu)化: Chen［6］將姿態(tài)測量單元和RTAB（Real Time Appearance Based）算法相結(jié)合, 有效解決了視覺里程計(jì)誤差累積的問題。 Kazmi 等［7］通過改進(jìn)自生長組織圖來模擬導(dǎo)航細(xì)胞構(gòu)建地圖的行為, 這使得建圖收斂更快、 占用內(nèi)存更小。 于乃功等［8］使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對場景圖進(jìn)行特征提取, 但該方法需預(yù)先對場景進(jìn)行訓(xùn)練, 所以存在魯棒性差的問題。 Zhou 等［9］提出用ORB（Oriented Fast and Rotated Brief） 特征來改進(jìn)視覺處理部分,雖然一定程度上提高了性能, 但處理時間明顯增加, 使視覺處理時間與構(gòu)建地圖時間不同步。 ORB的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算時間少, 但尺度變換魯棒性差。而SURF（Speed Up Robust Feature） 可以稱為SIFT（Scale-invariant Feature Transform） 的升級版本, 在繼承SIFI 魯棒性和抗干擾性的同時, 具有較好的尺度不變性和旋轉(zhuǎn)不變性, 不受光線的影響, 解決了原有特征點(diǎn)采集量少的問題。

受RatSLAM 與SURF 實(shí)現(xiàn)的啟發(fā), 本文采用SURF 替代RatSLAM 算法的視覺處理方法來解決光線影響的問題, 并用位置細(xì)胞節(jié)點(diǎn)對運(yùn)動軌跡進(jìn)行校正來提高定位精度, 構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)地圖包含了移動載體所走過的位置坐標(biāo)。 為了充分驗(yàn)證本文方法的有效性, 本文與其他視覺處理方法進(jìn)行了比較, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該方法能顯著提高類腦導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性。

1 問題描述

視覺處理是SLAM 算法中不可替代的一部分。在經(jīng)驗(yàn)地圖構(gòu)建過程中, 采用視覺信息來確定局部場景細(xì)胞的生成并同時消除冗余圖像; 而在全局定位過程中, 移動小車捕獲傳入的圖像幀并將它們與記錄的視覺模板進(jìn)行比較, 以確定其位置。

RatSLAM 算法結(jié)構(gòu)如圖1 所示［3］。 該算法局部場景的形成主要是利用絕對差總和的視覺處理方法, 即通過比較一組系列圖片平均絕對強(qiáng)度差來獲取載體在環(huán)境中的方向與位置信息, 并且通過對圖像像素灰度的比較來進(jìn)行閉環(huán)檢測, 判斷是否需要對當(dāng)前位置進(jìn)行修正。 這種處理方式有不足之處: 因?yàn)橐苿虞d體的攝像頭是向前捕獲圖像,使得移動載體只能學(xué)習(xí)前進(jìn)或者后退方向的區(qū)域,而不是全景視覺圖像, 并且絕對差總和視覺處理算法只是比較水平和垂直方向相鄰圖像的灰度差異。 因此, 該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單且適合載體在簡單環(huán)境中運(yùn)動, 缺點(diǎn)是易受光線影響干擾和不能識別已有模板圖像旋轉(zhuǎn)后的場景等, 所以光線的影響會造成經(jīng)驗(yàn)地圖的漂移并形成累積誤差。 本文使用SURF 算法來代替絕對差總和視覺算法, 并實(shí)驗(yàn)證明該方法性能良好。

圖1 RatSLAM 算法結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of RatSLAM algorithm

SURF 作為一種魯棒的局部特征檢測器為尺度不變特征變換SIFT 的一種變換算法, 與SIFT 不同的是SURF 采用了更為高效的特征描述子生成方法: 首先建立積分圖像提高運(yùn)算速度; 接著引入箱式濾波器計(jì)算每個像素點(diǎn)的Hessian 矩陣判別式的正負(fù)取值做特征點(diǎn)檢測; 最后以哈爾小波特征法對特征點(diǎn)的主方向進(jìn)行設(shè)定, 由此一系列算法步驟完成64 維特征描述子的構(gòu)建。

采集到的特征點(diǎn)放入提前準(zhǔn)備好的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中, 對每個特征點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保存。 其中涉及到的相關(guān)信息有: 特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)、 尺度、方向以及64 維特征向量; 收集特征點(diǎn)信息是為了當(dāng)有新圖像信息被采集到時能夠?qū)⑵渑c特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比對, 比對的原則是在歐氏距離范圍內(nèi)搜索最近鄰或次近鄰特征點(diǎn), 間隔小于設(shè)定值即為判定成功。 SURF 特征匹配算法共分為四個步驟: 特征點(diǎn)檢測、 特征點(diǎn)定位、 特征點(diǎn)主方向分配過程以及特征點(diǎn)描述子生成。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 對于相同數(shù)量的特征, SURF的處理時間比較慢, 但它可用于實(shí)現(xiàn)良好的位置識別性能。 與其他特征描述如SIFT 和ORB 相比,它的主要優(yōu)點(diǎn)包括: 1）提供了一種穩(wěn)定的計(jì)算和匹配算法; 2） 保留了對圖像縮放和旋轉(zhuǎn)不變性的能力; 3）相對不受圖像噪聲、 光照等的影響［10-11］。 因此, 本文采用SURF 方法從圖像中提取特征作為視覺模板。 如圖2 所示, 當(dāng)前圖像與先前的視覺模板匹配時, 認(rèn)為載體先前到達(dá)了這個地方, 否則將向局部視圖單元添加一個新的視覺模板。

圖2 局部場景細(xì)胞視覺模板匹配過程Fig.2 Templates matching process for local view cells

2 基于SURF 特征匹配的優(yōu)化RatSLAM類腦導(dǎo)航方法

優(yōu)化后的算法框架如圖3 所示, 該系統(tǒng)主要由視覺處理模型和經(jīng)驗(yàn)地圖構(gòu)建模型組成: 視覺處理模型負(fù)責(zé)提取SURF 特征; 在構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)地圖模型中, SURF 特征與表示特定位置的局部場景細(xì)胞相關(guān)聯(lián); 連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確保即使在沒有外部傳感器的情況下, 經(jīng)驗(yàn)地圖模型也能收斂在穩(wěn)定狀態(tài); 局部場景細(xì)胞活動、 路徑積分和連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)地圖。

圖3 基于特征匹配與位置細(xì)胞節(jié)點(diǎn)校正算法的類腦導(dǎo)航模型Fig.3 Brain-inspired navigation model based on feature matching and place cell nodes correction algorithm

基于SURF 特征匹配的優(yōu)化RatSLAM 類腦導(dǎo)航方法具體環(huán)節(jié)包括:

（1）局部場景細(xì)胞的構(gòu)建

局部場景細(xì)胞被構(gòu)造為一個視覺模板, 其中每個細(xì)胞與連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的細(xì)胞相關(guān)聯(lián)。將采集實(shí)驗(yàn)場景圖像依次進(jìn)行高斯濾波去噪與SURF 特征提取, 然后將提取的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理, 構(gòu)造出實(shí)驗(yàn)環(huán)境的局部場景模板, 并將其放置到視覺場景模板匹配庫中。 由圖像的SURF 特征向量組成的局部場景模板庫為P=PSURF= {P11,P12, …,P1n}, 兩個特征點(diǎn)之間的匹配程度用歐氏距離判斷。 對于模板匹配來說, 其歐式距離計(jì)算公式為

式（1）中,px和分別為此模板和第j個模板特征點(diǎn)x的位置,m為采集到的特征點(diǎn)數(shù)量。 由d（j）能得出最優(yōu)匹配模板b, 如下所示

式（2） 中,n為學(xué)習(xí)過的模板數(shù)量。 判斷是否需要新增模板是通過比較和d（b）設(shè)置的模板匹配閾值εd實(shí)現(xiàn)的, 比較規(guī)則如下

若匹配結(jié)果d（b）小于或者等于閾值εd, 表明模板匹配成功, 經(jīng)驗(yàn)地圖模型將向相關(guān)的局部場景細(xì)胞中注入能量, 否則創(chuàng)建一個新的局部場景模板。 新模板經(jīng)學(xué)習(xí)后進(jìn)入到模板庫中, 待與相似的模板進(jìn)行匹配。 注入的能量將在連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的非活動區(qū)域產(chǎn)生活動包, 這將用于系統(tǒng)完成路徑積分和閉環(huán)檢測。 這種由局部場景細(xì)胞引起的經(jīng)驗(yàn)地圖的變化被描述為

（2）位置細(xì)胞節(jié)點(diǎn)校正

位置細(xì)胞除了表示載體的位置信息外, 還用來進(jìn)行位置修正: 通過設(shè)置細(xì)胞節(jié)點(diǎn)的方式對獲得的運(yùn)動載體位置信息進(jìn)行修正, 減少累積誤差的影響。 該系統(tǒng)實(shí)時檢測當(dāng)前視覺信息是否能與預(yù)先存儲的視覺模板匹配成功, 如果匹配成功,則表示已到達(dá)一個“熟悉的地方”, 之后整個路徑集成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的空間單元將被放電重置。 本文結(jié)合SURF 特征匹配算法提出位置節(jié)點(diǎn)誤差補(bǔ)償模型,如圖4 所示, 藍(lán)色箭頭為運(yùn)動載體的基準(zhǔn)軌跡, 黑色箭頭為校正后的軌跡, 紅色圓點(diǎn)為預(yù)先存儲參考圖像庫中的場景圖像。

圖4 位置細(xì)胞節(jié)點(diǎn)誤差補(bǔ)償模型Fig.4 Error compensation model of place cell nodes

提前選取若干張節(jié)點(diǎn)場景圖像加入到參考圖像庫中, 并賦予這些節(jié)點(diǎn)場景圖像精確的位置信息。 將運(yùn)動中獲取的場景圖像與預(yù)先存儲在參考圖像庫中的場景圖像進(jìn)行比對檢測, 檢測成功返回節(jié)點(diǎn)精確的位置信息, 將檢測到的兩個位置細(xì)胞節(jié)點(diǎn)間的誤差問題建立線性誤差模型, 將計(jì)算出的誤差補(bǔ)償?shù)絻蓚€場景節(jié)點(diǎn)間的軌跡數(shù)據(jù)上。認(rèn)知點(diǎn)位置校正過程中, 認(rèn)知點(diǎn)位置改變?yōu)棣i,其表示如下

式（5）中,α為認(rèn)知速度系數(shù), 經(jīng)過反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn),α=0.5 時,Δpi可以在地圖上迅速收斂并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);Nf為從認(rèn)知點(diǎn)i跳躍到之前已獲得的認(rèn)知點(diǎn)的數(shù)量;Nt為已獲得的認(rèn)知點(diǎn)跳躍到認(rèn)知點(diǎn)i的數(shù)量。

（3）局部場景細(xì)胞與位姿細(xì)胞的連接

局部場景細(xì)胞是以對地圖構(gòu)建和定位有用的形式輸入到移動載體外部傳感器的集合, 其輸入的過程就是局部場景細(xì)胞Vi與位姿細(xì)胞ΔPx′y′θ′關(guān)聯(lián)的過程。 圖5 表示導(dǎo)航細(xì)胞之間的連接。

圖5 導(dǎo)航細(xì)胞的連接Fig.5 Connection of navigation cells

式（6） 中,Vi為局部場景細(xì)胞的活性水平,Px′y′θ′為位姿細(xì)胞的興奮度。 通過連接強(qiáng)度相互連接的位姿場景地圖可以通過在位姿細(xì)胞中注入活性保持和校正它的位姿信息（x′,y′,θ′）。 活躍的局部場景細(xì)胞利用與連接強(qiáng)度總和的比例關(guān)系, 激發(fā)與它們相關(guān)聯(lián)的位姿細(xì)胞的活性。 細(xì)胞活動的變化ΔPx′y′θ′可利用下式獲得

式（7）中,δ為常數(shù), 表示視覺信息對載體位姿估計(jì)的影響。

（4）連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

經(jīng)驗(yàn)地圖模型構(gòu)建的核心是連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 該模型被廣泛用于模擬大腦“GPS”。 在本文算法中, 細(xì)胞以（x′,y′,θ′）坐標(biāo)排列, （x′,y′）對應(yīng)細(xì)胞平面中的某個位置,θ′為載體的頭部方向。 連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)通過以下三個階段來確保細(xì)胞的活性P保持穩(wěn)定:

①興奮度權(quán)重的更新

在位姿細(xì)胞組成的細(xì)胞矩陣中, 通過興奮度權(quán)重矩陣ε表征該細(xì)胞對其他細(xì)胞的影響。 參數(shù)εabc是將表示位置信息中對應(yīng)興奮性的二維高斯分布和表示方向信息中對應(yīng)興奮性的一維分布相乘,計(jì)算公式如下

式（8） 中,a、b、c為x′、y′、θ′的分布系數(shù),kx′y′和kθ′分別為（x′,y′） 和θ′的方差系數(shù)。 由興奮度的變化導(dǎo)致位姿細(xì)胞活動的變化如下

式（9）中,Nx′、Ny′、Nθ′為在空間中的位姿細(xì)胞三維矩陣元素。

②對所有細(xì)胞的全局抑制

各活動細(xì)胞在一定程度上呈現(xiàn)相互競爭關(guān)系。由于多個活動細(xì)胞構(gòu)成感知細(xì)胞需要一定時間才能完成, 并且在這一過程中又不斷有新的視覺信息被輸入, 因此對位姿細(xì)胞的全局抑制過程是緩慢的, 抑制后的細(xì)胞興奮度為

式（10）中, 全局抑制水平由控制常數(shù)φ限制,興奮度要求被控制為一個包含零的正數(shù)。

③對位姿細(xì)胞活動的歸一化

完成前兩個步驟后需要對細(xì)胞的活動進(jìn)行歸一化, 歸一化的作用是細(xì)胞在新的視覺信息被輸入和路徑積分被輸入后維持總活性, 歸一化后細(xì)胞的興奮度為

（5）經(jīng)驗(yàn)地圖的構(gòu)建

經(jīng)驗(yàn)地圖是一種基于觀測和學(xué)習(xí)得到的對環(huán)境的描述, 根據(jù)外部特征生成幾何關(guān)系的描述,可以用于不同位置的導(dǎo)航。 經(jīng)驗(yàn)地圖由許多認(rèn)知點(diǎn)構(gòu)成, 認(rèn)知點(diǎn)可以被描述為

式（12）中, 用位姿細(xì)胞Pi和局部場景細(xì)胞Vi來表示認(rèn)知點(diǎn),pi為ei在地圖中的位置。 如果現(xiàn)有位姿細(xì)胞與當(dāng)前位姿細(xì)胞之間的距離達(dá)到閾值,則創(chuàng)建一個新的認(rèn)知點(diǎn)

認(rèn)知點(diǎn)是有活性的, 且活性取決于細(xì)胞構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中能量峰值與每個認(rèn)知點(diǎn)的“相關(guān)區(qū)域”的接近程度。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的能量峰值介于“相關(guān)區(qū)域”之中時, 該認(rèn)知點(diǎn)被激活。 局部場景細(xì)胞V類似于開關(guān)的作用, 第i個認(rèn)知點(diǎn)的總能級水平Ei為

式（14）中,Vcurr為當(dāng)前視覺場景,Vi為與認(rèn)知點(diǎn)相關(guān)的視覺場景。

（6）路徑積分

dij為認(rèn)知點(diǎn)i到認(rèn)知點(diǎn)j的轉(zhuǎn)換距離。 通過對比轉(zhuǎn)換前后載體的位姿信息, 載體在兩個認(rèn)知點(diǎn)之間的位姿狀態(tài)改變dPij可計(jì)算如下

式（15）中,Pi和Pj為認(rèn)知點(diǎn)i與認(rèn)知點(diǎn)j移動載體的位姿矢量。

當(dāng)移動載體在熟悉的二維環(huán)境中運(yùn)動時, 可能會重復(fù)之前的認(rèn)知點(diǎn)關(guān)聯(lián), 新的轉(zhuǎn)換信息為

（7）閉環(huán)檢測

移動載體在環(huán)境中遇到熟悉的場景時, 局部場景細(xì)胞的活性注入到位姿細(xì)胞的矩陣中, 移動載體重新定位位置, 這將引起經(jīng)驗(yàn)地圖中移動載體的相關(guān)位置到最近獲得的新認(rèn)知點(diǎn)。 例如, 認(rèn)知地圖中兩個認(rèn)知點(diǎn)空間位置可能轉(zhuǎn)化成相對更小位置距離被聯(lián)系在一起。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述

圖6 顯示了實(shí)驗(yàn)中移動小車的硬件架構(gòu), 該移動小車由1 個移動底座、 1 臺相機(jī)和1 臺微型電腦組成。 移動底座是一個緊湊的差速驅(qū)動移動小車,包括1 個帶內(nèi)置編碼器的運(yùn)動控制器, 小車嵌入式運(yùn)動控制器執(zhí)行小車的速度控制并提供里程信息。相機(jī)安裝在移動基座上, 以捕獲環(huán)境的視覺信息,相機(jī)視場角為水平80°、 垂直50°與對角88°, 景深范圍為0.5m 至無窮遠(yuǎn), 最大幀數(shù)為30fps 以及分辨率為2560 ×1440（像素）; 微型電腦用于記錄視覺信息; 采樣頻率為0.2s, 移動載體最大速度為1.5m/s。 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)由北斗星通SPAN-KVH1750 導(dǎo)航參數(shù)測量系統(tǒng)采集, 在戶外定位誤差優(yōu)于0.05m, 在室內(nèi)60s 自動后處理定位誤差為0.15m。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.6 Diagram of robot platform

認(rèn)知速度常數(shù)取0.5, 視覺校準(zhǔn)常數(shù)取0.005,位姿感知細(xì)胞激活程度的權(quán)重系數(shù)取0.5, 視覺模板的權(quán)重系數(shù)取0.5, 校正系數(shù)取0.3, 模板匹配閾值取0.85, 位置細(xì)胞節(jié)點(diǎn)設(shè)置數(shù)量為4。 本文在不同方面對不同的算法進(jìn)行了評估。

3.2 室內(nèi)場景實(shí)驗(yàn)及分析

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)場景選取中北大學(xué)教學(xué)樓35m ×30m矩形環(huán)形走廊, 其光線影響通過如圖7 所示來區(qū)分, 場景中有墻壁、 移動的人與擺放的設(shè)施等。車載平臺繞場景運(yùn)動4 圈并采集圖像, 運(yùn)動距離約為400m。

圖7 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)場景Fig.7 Diagram of indoor experiment scenes

本文采用SLAM 閉環(huán)檢測中的準(zhǔn)確率和召回率來分析各個視覺處理算法的性能［12］。 準(zhǔn)確率（Precision）和召回率（Recall）計(jì)算公式為

式（17） 中,TP表示真陽性,FP表示假陽性,FN表示假陰性。

表1 給出了在室內(nèi)兩種環(huán)境下RatSLAM、 基于ORB 的視覺類腦導(dǎo)航以及基于SURF 的視覺類腦導(dǎo)航模型對應(yīng)的準(zhǔn)確率和召回率。 RatSLAM 在有光線影響時的準(zhǔn)確率和召回率顯著下降, 這是因?yàn)镽atSLAM 對幀率較高的場景無法識別出圖像的差異。 基于ORB 的視覺類腦導(dǎo)航雖然在無光線影響的情況下與本文方法表現(xiàn)性能相差無幾, 但在有光線影響的情況下準(zhǔn)確率與召回率明顯下降, 魯棒性比較差。 然而即使是在有光線影響的情況下,本文所提出的方案準(zhǔn)確率與召回率下降不是很多,算法依然可以在保證高召回率的基礎(chǔ)上提供更高的準(zhǔn)確率表現(xiàn), 算法顯著優(yōu)于其他兩種算法。

表1 室內(nèi)兩種情況下三種算法準(zhǔn)確率和召回率結(jié)果Table 1 Results of precision and recall for three algorithms under two conditions indoor

圖8為移動載體在兩種情況下的實(shí)驗(yàn)場景中漫游認(rèn)知學(xué)習(xí)后分別使用三種算法構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)地圖。對比結(jié)果顯示, 三種視覺類腦導(dǎo)航方法在相同實(shí)驗(yàn)場景下基本上都可以完成對經(jīng)驗(yàn)地圖的構(gòu)建,這表明三種模型都能有效地復(fù)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡。 從有光線影響的情況下構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)地圖來看,RatSLAM 存在漂移現(xiàn)象且沒有檢測到閉環(huán); 而改進(jìn)后基于SURF 的視覺類腦導(dǎo)航方法構(gòu)建的軌跡較為穩(wěn)定且即使在有光線影響的情況下也可以檢測到閉環(huán)。 從閉環(huán)效果來看, RatSLAM 模型因?yàn)椴荒苤С侄辔蛔思僭O(shè), 這些位姿無法通過移動載體下一步的運(yùn)動和視覺輸入得到校正, 從而出現(xiàn)移動載體方向無法校正、 運(yùn)動軌跡出現(xiàn)較大偏離的狀態(tài), 因此移動載體易出現(xiàn)定位偏差且嚴(yán)重偏離軌跡。 從軌跡對比可以看出, 基于SURF 的類腦導(dǎo)航方法相較于其他兩種類腦導(dǎo)航模型, 能及時且準(zhǔn)確地檢測到閉環(huán), 運(yùn)動軌跡也更優(yōu)于其他兩種類腦導(dǎo)航模型, 經(jīng)驗(yàn)地圖與實(shí)際運(yùn)行軌跡重合度更高。

圖8 室內(nèi)三種模型在兩種情況下構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)地圖Fig.8 Three models construct experience map in two conditions indoor

表2 為兩種環(huán)境下不同算法性能結(jié)果的數(shù)據(jù)對比。 從表中數(shù)據(jù)可以看出: 在圖像匹配時間上,當(dāng)移動載體再次回到起點(diǎn)時, 基于SURF 的類腦導(dǎo)航模型在兩種情況下均能快速檢測到第一次閉環(huán),這是由于基于SURF 的類腦導(dǎo)航模型使用的SURF特征點(diǎn)提取算法對旋轉(zhuǎn)、 尺度變換與亮度保持不變性, 對提取的圖像特征點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行了篩選, 節(jié)省了特征匹配階段的迭代時間。 在位置偏移量上,基于SURF 的類腦導(dǎo)航模型在不同場景下都很大程度上降低了相對偏移量, 保證了經(jīng)驗(yàn)地圖與實(shí)際運(yùn)行軌跡的重合度。 因此, 在復(fù)雜場景下, 本文方法更具有優(yōu)越性。

表2 室內(nèi)兩種情況下三種算法經(jīng)驗(yàn)地圖與定位誤差性能Table 2 Experience map and positioning error performance of three algorithms under two conditions indoor

3.3 室外場景實(shí)驗(yàn)及分析

室外實(shí)驗(yàn)場景選取中北大學(xué)工程訓(xùn)練中心西側(cè)馬路, 車載平臺在約150m×5m 馬路往返3 圈并采集圖像, 運(yùn)動距離約為1000m, 其光線影響如圖9 所示。

圖9 室外實(shí)驗(yàn)場景Fig.9 Diagram of outdoor experiment scenes

表3 給出了在室外兩種環(huán)境下各個算法對應(yīng)的準(zhǔn)確率和召回率。 表4 為構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)地圖與定位誤差性能結(jié)果的數(shù)據(jù)對比。 在室外條件比較差的情況下, 三種算法在準(zhǔn)確率、 召回率和構(gòu)建地圖性能相較室內(nèi)情況下均有所下降, 但基于SURF 的類腦導(dǎo)航模型相較于其他兩種模型還是有出色的性能表現(xiàn)。 綜上, 在面對有光線影響的情況下, 本文提出的優(yōu)化算法無論是在幀率較高的室內(nèi)還是情景單一的室外, 均能保證經(jīng)驗(yàn)地圖與實(shí)際軌跡相一致以及較小的定位誤差。

表3 室外兩種情況下三種算法準(zhǔn)確率和召回率結(jié)果Table 3 Results of precision and recall for three algorithms under two conditions outdoor

表4 室外兩種情況下三種算法經(jīng)驗(yàn)地圖與定位誤差性能Table 4 Experience map and positioning error performance of three algorithms under two conditions outdoor

4 結(jié)論

本文研究中借鑒了鼠類等哺乳動物通過位置細(xì)胞、 頭朝向細(xì)胞以及局部場景細(xì)胞等神經(jīng)細(xì)胞的處理策略仿生學(xué)原理, 在無需高精度傳感器和高分辨率地圖的狀況下, 利用簡單的視覺傳感器就可以獲取移動載體的運(yùn)動狀況信息。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 加入SURF 特征匹配與位置細(xì)胞節(jié)點(diǎn)校正算法后的類腦導(dǎo)航繪制移動載體的經(jīng)驗(yàn)地圖, 很出色地解決了復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航問題: 改進(jìn)了原有方法在光線影響情況下易產(chǎn)生場景匹配錯誤與閉環(huán)檢測的問題, 也提高了復(fù)雜環(huán)境下的絕對定位誤差。

為了在多種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自助機(jī)器人的使用,仍有幾個方面研究值得探索:

1）算法需要在更大、 更復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行更長時間的實(shí)驗(yàn)測試, 并且在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上如何實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)場景更加惡劣的情況下動態(tài)調(diào)節(jié)現(xiàn)有細(xì)胞導(dǎo)航模型的參數(shù)仍值得進(jìn)一步研究。

2）在現(xiàn)有基于圖的方法中, 地圖的復(fù)雜性會隨著機(jī)器人軌跡的長度而快速增長, 隨著新的頂點(diǎn)和邊不斷添加到經(jīng)驗(yàn)地圖中, 對計(jì)算時間內(nèi)存占用的需求也會隨著時間的推移而增長, 從而阻止了移動機(jī)器人長期導(dǎo)航。 未來, 可以學(xué)習(xí)哺乳動物控制地圖的大小與復(fù)雜程度: 模擬鄰近細(xì)胞的放電活動, 由運(yùn)動信息決定是否要將該區(qū)域活動的頂點(diǎn)添加到經(jīng)驗(yàn)地圖中, 不需要在經(jīng)驗(yàn)地圖中添加多余的認(rèn)知節(jié)點(diǎn)和邊, 減小認(rèn)知地圖的尺寸使自主機(jī)器人可以在復(fù)雜、 多種和動態(tài)環(huán)境中完成長期導(dǎo)航工作。