基于视觉感知的群体适应性行为控制方法、装置和设备制造方法及图纸

本申请涉及图像视觉技术领域中一种基于视觉感知的群体适应性行为控制方法、装置和设备。该方法包括：获取群体中当前个体在当前位置的视域范围内其他个体和外界刺激的视觉图像信息；根据视觉图像信息，确定当前个体的视觉感知函数；根据由当前个体的速度和期望速度确定的当前个体的自推进力和由视觉感知函数确定的当前个体的位置力，确定当前个体的速度决策方程；根据当前个体的速度决策方程，确定当前个体当前时刻的速度信息；根据当前时刻的速度信息，对当前个体的运动状态进行更新。本方法从生物个体视觉感知出发，以视距信息为输入构建个体间的交互方式，实现面对不同外界刺激下的群体适应性行为，提高无人集群对于刺激的适应性行为及能力。的适应性行为及能力。的适应性行为及能力。

【技术实现步骤摘要】
基于视觉感知的群体适应性行为控制方法、装置和设备


[0001]本申请涉及图像视觉
，特别是涉及一种基于视觉感知的群体适应性行为控制方法、装置和设备。

技术介绍

[0002]近年来，无人集群系统以其成本优势、鲁棒自愈、能力倍增等特点被广泛应用于军事和民用领域，尤其是在物联网领域。随着物联网技术的快速发展，无人集群系统已被用于信息采集、传输以及处理等方面，从而实现环境探索、中继通信以及灾害监测。毫无疑问，无人集群系统已然成为物联网技术中的关键节点。然而，伴随着无人集群系统在物联网中的流行性使用，其对无人集群系统要求也不断提高。面向不同的任务需求，无人集群系统需要有效应对复杂多变的外界刺激，以自适应不同的任务环境。
[0003]为满足无人集群对于不同外界刺激的自适应要求，生物群体行为的内在机制对于具备自适应能力的无人集群系统构建非常有借鉴意义。受Geisler等人关于高等动物视觉皮层中的视觉检测工作的启发，Pearce等人针对鸟群首次提出基于视觉感知的集群运动模型以对其密度进行控制。该类模型摒弃了原有个体间依赖通信的信息交换方式，个体仅通过视觉获取其邻域的相对信息并以此进行决策。Bastien等人以代表视野各方位是否遮挡的视觉感知函数作为输入设计了个体间的排斥和吸引交互，实现了6种集群运动模式并明确了各模式的参数区间。针对人群行为，Dachner等人通过虚拟现实技术研究发现个体会对不同方位邻居的视觉遮挡变化做出适应性反应，基于此以个体视野中邻居的相对方位变化和遮挡变化来控制个体速度和方向提出了人群运动模型。Berlinger等人受鱼群启发使用微型水下机器人，实现了群体对于目标的搜索并向目标聚集的任务序列以及涡旋运动模式。在其水下机器人系统中，每个机器人携带两个发光二极管，从而使得机器人可以根据摄像头获取到的二极管位置推导出邻居的相对方位和相对距离，从而作为集群模型的输入。此外，针对鱼群，Harpaz等人通过数据分析发现鱼类根据双目视觉遮挡差异决定左转或右转以靠近或远离邻居，且该种交互方式在幼鱼和成鱼间存在差异。
[0004]虽然现有方法可以有效地再现生物群体的各种集群运动模式并向无人集群进行迁移，但现有方法仍存在许多不足。一方面，已有的经典方法与生物实际感知方式相差较远，且在无人集群构建过程中需要建立在通信依赖的基础之上。另一方面，已有的基于视觉的集群方法，仅停留在简单的一致行进以及涡旋等运动模式的再现阶段，没有对无人集群任务场景进行深入探索以构建适应不同外界刺激下的群体适应性行为。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于视觉感知的群体适应性行为控制方法、装置和设备。
[0006]一种基于视觉感知的群体适应性行为控制方法，所述方法包括：
[0007]获取群体中当前个体在当前位置的视域范围内其他个体和外界刺激的视觉图像
信息；所述视觉图像信息为个体参考坐标系下各相对方位下的视距；所述个体参考坐标系是以当前个体的速度为个体相对方位的0度方向，采用逆时针方向为相对方位正方向进行构建。
[0008]根据所述视觉图像信息，确定当前个体的视觉感知函数。
[0009]根据当前个体的速度和期望速度，确定当前个体的自推进力。
[0010]根据所述视觉感知函数，确定当前个体的位置力。
[0011]根据所述自推进力和所述位置力，确定当前个体的速度决策方程。
[0012]根据当前个体的速度决策方程，确定当前个体当前时刻的速度信息。
[0013]根据当前时刻的速度信息，对当前个体的运动状态进行更新，得到当前个体下一时刻的位置信息。
[0014]在其中一个实施例中，所述视觉图像信息是当前个体根据逆时针方向为正方向，采用视觉感知方式以当前个体自身位置为中心以当前个体的速度为个体相对方位的0度方向获取360度范围内各相对方位的视距信息，当前个体对其他个体与外界刺激的各相对方位的视距信息进行区分；根据所述视觉图像信息，确定当前个体的视觉感知函数，包括：
[0015]将无穷远处的视距信息以及大于排斥力和吸引力区分阈值的外界刺激的视距信息删除，得到当前个体的视觉感知函数。
[0016]在其中一个实施例中，根据当前个体的速度和期望速度，确定当前个体的自推进力，包括：
[0017]根据当前个体的速度和期望速度，确定当前个体的自推进力为：
[0018][0019]其中，F
ind
为自推进力，γ为自驱动常数，v
o
为期望速度大小，v
i
(t)为当前个体i在当前时间t的速度大小。
[0020]在其中一个实施例中，所述当前个体的位置力包括当前个体受到视野范围内其他个体和外界刺激视距信息所产生的位置力；所述位置力分为排斥力和吸引力；根据所述视觉感知函数，确定当前个体的位置力，包括：
[0021]根据所述视觉感知函数，确定当前个体的位置力为：
[0022][0023]其中，F
pos
[D
i
(φ
i
，t)]为当前个体i的位置力，D
i
(φ
i
，t)为当前个体i在当前时间t获取到的视觉感知函数，d为排斥力和吸引力区分阈值，λ为吸引力与排斥力平衡参数，α和β分别用于控制当前个体的速度大小v
i
和速度方向ψ
i
变化，φ
i
为当前个体i的相对方位，通过设置c0sφ
i
和sinφ
i
为位置力的一个因子来分别考虑位置力对速度大小v
i
和速度方向ψ
i
变化的影响。
[0024]当所述排斥力和吸引力区分阈值大于当前个体i在当前时间t相对方位φ
i
处视觉感知函数的视距信息时，则该相对方位的视距信息对当前个体i所产生的位置力为排斥力；因在视觉感知函数获取过程中将大于排斥力和吸引力区分阈值的外界刺激的视距信息删除，从而使得外界刺激的视距信息对当前个体所产的位置力仅为排斥力。
[0025]当所述排斥力和吸引力区分阈值小于当前个体i在当前时间t相对方位φ
i
处视觉
感知函数的视距信息时，则该相对方位的视距信息对当前个体i所产生的位置力为吸引力。
[0026]在其中一个实施例中，根据所述自推进力和所述位置力，确定当前个体的速度决策方程，包括：
[0027]根据所述自推进力和所述位置力，确定当前个体的速度决策方程为：
[0028][0029]其中，为当前个体的速度变化，F
ind
(v
i
)为当前个体i的自推进力，F
pos
[D
i
(φ
i
，t)]为当前个体i的位置力，D
i
(φ
i
，t)为当前个体i在当前时间t获取到的视觉感知函数，φ
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于视觉感知的群体适应性行为控制方法，其特征在于，所述方法包括：获取群体中当前个体在当前位置的视域范围内其他个体和外界刺激的视觉图像信息；所述视觉图像信息为个体参考坐标系下各相对方位下的视距；所述个体参考坐标系是以当前个体的速度为个体相对方位的0度方向，采用逆时针方向为相对方位正方向进行构建；根据所述视觉图像信息，确定当前个体的视觉感知函数；根据当前个体的速度和期望速度，确定当前个体的自推进力；根据所述视觉感知函数，确定当前个体的位置力；根据所述自推进力和所述位置力，确定当前个体的速度决策方程；根据当前个体的速度决策方程，确定当前个体当前时刻的速度信息；根据当前时刻的速度信息，对当前个体的运动状态进行更新，得到当前个体下一时刻的位置信息。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述视觉图像信息是当前个体根据逆时针方向为正方向，采用视觉感知方式以当前个体自身位置为中心以当前个体的速度为个体相对方位的0度方向获取360度范围内各相对方位的视距信息，当前个体对其他个体与外界刺激的各相对方位的视距信息进行区分；根据所述视觉图像信息，确定当前个体的视觉感知函数，包括：将无穷远处的视距信息以及大于排斥力和吸引力区分阈值的外界刺激的视距信息删除，得到当前个体的视觉感知函数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据当前个体的速度和期望速度，确定当前个体的自推进力，包括：根据当前个体的速度和期望速度，确定当前个体的自推进力为：其中，F
ind
为自推进力，γ为自驱动常数，v
o
为期望速度大小，v
i
(t)为当前个体i在当前时间t的速度大小。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前个体的位置力包括当前个体受到视野范围内其他个体和外界刺激视距信息所产生的位置力；所述位置力分为排斥力和吸引力；根据所述视觉感知函数，确定当前个体的位置力，包括：根据所述视觉感知函数，确定当前个体的位置力为：其中，F
pos
[D
i
(φ
i
,t)]为当前个体i的位置力，D
i
(φ
i
,t)为当前个体i在当前时间t获取到的视觉感知函数，d为排斥力和吸引力区分阈值，λ为吸引力与排斥力平衡参数，α和β分别用于控制当前个体的速度大小v
i
和速度方向ψ
i
变化，φ
i
为当前个体i的相对方位，通过设置cosφ
i
和sinφ
i
为位置力的一个因子来分别考虑位置力对速度大小v
i
和速度方向ψ
i
变化的影响；当所述排斥力和吸引力区分阈值大于当前个体i在当前时间t相对方位φ
i
处视觉感知
函数的视距信息时，则该相对方位的视距信息对当前个体i所产生的位置力为排斥力；因在视觉感知函数获取过程中将大于排斥力和吸引力区分阈值的外界刺激的视距信息删除，从而使得外界刺激的视距信息对当前个体所产的位置力仅为排斥力；当所述排斥力和吸引力区分阈值小于当前个体i在当前时间t相对方位φ
i
处视觉感知函数的视距信息时，则该相对方位的视距信息对当前个体i所产生的位置力为吸引力。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述自推进力和所述位置力，确定当前个体的速度决策方程，包括：根据所述自推进力和所述位置力，确定当前个体的速度决策方程为：其中，为当...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖延东，齐景涛，白亮，魏迎梅，张华喜，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：