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【行业分析】人工智能智能机器人在军事领域中的应用前景和发展趋势

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作者:禅与计算机程序设计艺术

随着人工智能技术取得长足进展并受到学科界的广泛关注,在军事领域中的应用范围也得到了显著扩大。近年来,在复杂多变战场环境下的作战行动表现得更为显著的人工智能智能机器人得到了更广泛的应用。本文旨在通过对该类机器人在军事领域的实际运用和未来发展趋势的研究分析总结已有研究成果,并探讨其在未来战争环境下的潜在作用和战略意义。

2.基本概念术语说明

2.1 智能机器人

智能化人工智慧robot具备人类一般智能与机械运动能力。它主要包含以下五种类型:非洲小型犬型 robot, 微型 robot, 二足 robot, 四足 robot, 以及其俯冲形式。其中一种是四足robot俯冲形式。其被认为是当前最先进制威胁无人机之一。

2.2 人工智能

人工智能(Artificial Intelligence, AI)被视为通用智能的核心代表,并源自人类智慧的延伸方向。它特指那些由人类设计并推动发展出的智能技术系统。此类系统能够通过计算机科学与数学模型来解决现实世界中的复杂挑战。目前而言,在人工智能领域取得的进展显著地推动了科技的进步。

2.3 军事信息系统

军事信息系统(MILITARY INFORMATION SYSTEMS, MIS),是一个由政府、军队和企业共同推动实施的大型综合信息平台。它主要包含战争指挥中心(MILITARY COMMAND CENTER)、雷达站(RADAR STATION)、测绘雷达(SURVEILLANCE RADAR)、轨道交通(TRANSMITTER AND TRACKING SYSTEMS)、海量数据存储(MASS DATA STORAGE)、网络安全监控(NET SECURITY MONITORING)、警戒管理(ALARM MANAGEMENT)、情报收集(INTELLIGENCE COLLECTION)、通信网络(COMMUNICATION NETWORKS)、武器装备库(WEAPON SYSTEMS INVENTORY)以及医疗救护等设施,并且还包括其他相关功能。该系统被用来整合各种信息资源并提供统一的分析与决策支持功能。

2.4 传感器与激光雷达

传感器(Sensors) 是一种具备检测环境物质、信号或参数变化能力的装置装置。激光雷达(Laser radar) 利用可见光照射作为探测手段,在接收端对反射回来的信号进行解码处理后即可实现对目标的距离测量以及方向定位功能;其基本工作原理是通过对物体发出或反射回来的电磁波进行捕获与解析来获取关于目标物的空间信息等数据信息。

2.5 大数据与云计算

大数据(Big Data)被视为一种存储海量数据的关键技术;云计算(Cloud Computing)采用分散化的架构,在互联网上通过共享计算资源与数据存储来实现资源的高效配置;云计算模式的优势在于其按需付费模式能有效降低硬件投资成本,并根据实际需求自动优化资源配置。

2.6 机器学习与深度学习

机器学习技术是人工智能领域中的一个重要组成部分,在训练模型与优化算法的基础上发展而成的一系列方法与理论体系。
该技术通过观察数据特征与提取有用信息的方式构建预测模型。
其目标是以实现对新输入数据的分类识别与预测目标变量值为目的。
其中,
深度学习属于机器学习领域中的一个专门分支,
其主要特点在于通过构建多层次的人工神经网络结构来模拟复杂的非线性关系。

2.7 强化学习与游戏 theory

强化学习(Reinforcement learning)建立在动态规划的基础上是一种机器学习方法。它模仿人类的学习模式通过反馈机制指导机器按照既定策略与环境进行互动。确定奖励函数是强化学习的核心任务同时需要构建马尔可夫决策过程(Markov Decision Process, MDP)来描述交互流程。

Game Theory作为一门分支学科专门研究博弈论,并致力于探索如何通过合作与竞争的方式达成有益的社会或经济目的的学术领域。其核心关注点在于分析和探讨多个实体在相互作用时的行为模式及其影响因素。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解

3.1 SLAM与激光雷达定位

SLAM(Simultaneous Localization And Mapping, 即全时域定位与映射)是指利用激光雷达、相机以及GPS等多种传感器实时构建动态三维地图并完成位置估计的技术体系。该技术体系可用于机械臂和无人机等移动机器人进行导航与定位以及路径规划,并用于敌方与友方识别任务的同时完成通信与信息处理

3.1.1 平面坐标系的构建

必须建立一个基于当前环境条件的平面坐标系统,并参考下图进行具体设定。

平面坐标系

其中,x轴沿着水平方向,y轴沿着竖直方向,z轴垂直于地面,指向北方。

3.1.2 测距与测向

每一个激光束都会被用于测量其与机器人之间的距离r;随后我们将航线方向θ与其他参数结合在一起,并利用这些数据构建机器人在当前时刻的位置与姿态(即其位姿与状态)。

3.1.3 协整变换(EKF)滤波

因为激光雷达和IMU在实时性方面存在不足,在实际应用中往往会导致噪声问题。为了去除这些噪声干扰,在数据处理过程中我们采用协整变换滤波(Extended Kalman Filter, EKF)这一方法:首先对当前状态进行预测,并基于测量结果与预测结果对当前状态进行更新以获得更为准确的状态信息。

EKF方法的步骤如下:

初始化阶段:假设初始位姿与测量值均为已知量,并在此基础之上进行后续运算;但在中间过程需要进行采样操作时,默认在第一个采样周期中,默认以m1为初始测量值得出状态量x=x0。
预测阶段:基于状态转移模型f以及控制输入矩阵u展开下一状态的预估值计算;结果记作x'。
更新阶段:通过观测模型h结合预测结果与实际观测数据m来计算卡尔曼增益K(从上一时刻状态转换至当前状态),并据此对当前估计结果进行优化修正;最终获得系统的最终状态估计值。
循环执行上述三个步骤两次后即可获得所需的结果。

3.1.4 局部地图建设

因为SLAM的目标是对环境进行三维空间建模, 所以我们需要建立一个全球地图与局部地图. 全局地图通常是地球上的大范围三维地形图, 而局部地图则是机器人所感知到的周围环境, 包括障碍物与点云信息等.

局部地图的建设一般分为两步:

  1. 通过局部投影的方式处理激光扫描线:将激光扫描线投射到地图平面的一个平面上,并由此获得当前机器人的视觉感知。
  2. 利用地图匹配手段建立机器人当前视觉感知与环境数据之间的关联。

3.1.5 可视化与路径规划

最后,在展示环境中完整三维模型的基础上(利用 OpenGL 这一三维可视化技术),我们能够呈现完整的环境三维模型,并绘制当前机器人所在的位置标记线以及移动轨迹的动态变化过程。

路径规划的核心是基于机器人的当前位置以及获取的地图信息来确定一条可行的运动轨迹。这些算法主要包括A*、Dijkstra等方法,在全局地图中通过连续的方向指令序列实现机器人从当前位置到目标位置的导航。

3.2 基于深度学习的避障与追踪

该技术利用深度学习实现自动驾驶功能(DPDT) 是一种基于深度学习技术的自动驾驶系统。该系统无需依赖外部传感器数据,在复杂环境中通过深度学习模型提取复杂的特征信息,并通过这些信息对人类行为模式进行识别。系统能够精确识别障碍物、车辆以及行人在潜在风险区域的表现,并实时追踪这些潜在威胁

DPDT方法的步骤如下:

  1. 数据收集:获取包含障碍物相关信息的数据集。
  2. 数据预处理:实施数据预处理步骤包括图片缩放、裁剪以及归一化等操作。
  3. 模型搭建:构建基于卷积神经网络(CNN)或循环神经网络(RNN)的深度学习模型。
  4. 模型训练:通过迭代优化模型参数实现目标物体识别功能开发。
  5. 障碍物检测:首先对输入图像进行预处理以提取特征;接着利用模型识别图像中的目标物体是否存在。
  6. 位置估计:估算障碍物位置后与前方车辆位置对比判断距离远近程度如何。”

3.3 基于机器学习的路网生成与更新

该系统采用机器学习技术实现道路网络构建与更新(RNGU)。它作为自动驾驶的核心技术模块,在无人驾驶平台中负责道路网络模型构建及维护工作。在无人驾驶平台运行时,该系统不仅能够建立并维护道路网络模型(建模和维护),还能够实时分析其拓扑结构以及交通状况。

RNGU方法的步骤如下:

  1. 数据收集环节:通过标注技术获取路段的数据信息。
  2. 数据清洗阶段:采用预处理手段去除噪声、剔除异常值并修复缺失值。
  3. 路网生成过程:运用机器学习算法构建 road network model 基础架构。
  4. 路网维护步骤:根据实时路况信息动态更新 road topology 和 traffic condition 描述。

4.具体代码实例和解释说明

4.1 SLAM与激光雷达定位

我们以前面的定位举例,看一下激光雷达定位的代码实现。

复制代码
    import cv2
    
    class LidarLocalization():
    def __init__(self):
        pass
    
    def detect_obstacle(self, scan_range):
        """
        Detect obstacles in a certain range from the laser scanner
    
        Args:
            scan_range: float - The maximum detection distance of the lidar
    
        Returns:
            List of obstacle positions in xy coordinates (meters). 
        """
    
        # Initialize variables for storing detected obstacles
        detected_objects = []
    
        # Get current pose estimate of the robot [x y theta]
        x = self.pose[0]   # x position (meters)
        y = self.pose[1]   # y position (meters)
        th = self.pose[2]  # heading angle (radians)
    
        # Loop over each scan point
        for i in range(-90, 90+1):
            # Compute sine and cosine of elevation angle of the current ray
            sin_th = math.sin((i * np.pi)/180)
            cos_th = math.cos((i * np.pi)/180)
    
            # Calculate cartesian coordinates of end points of the ray
            xp = x + (scan_range * cos_th)
            yp = y + (scan_range * sin_th)
    
            # Add detected objects to list if they are within max_distance of sensor
            obj = {
                'pos': np.array([xp,yp]),
                'label': None,
                'prob': None
            }
            detected_objects.append(obj)
    
        return detected_objects
    
    def get_xy_position(self, angle):
        """
        Convert polar coordinates of current lidar scan measurement into xy coordinates of object
    
        Args:
            angle: float - Angle of measurement relative to vehicle x axis (degrees)
            dist: float - Distance measured by lidar (meters)
    
        Returns:
            Position of object in xy coordinates (meters)
        """
    
        # Convert input angle and distance into radians and meters
        angle *= np.pi / 180
        dist *= 1000
    
        # Get x and y components of vector pointing towards object
        dx = dist * np.cos(angle)
        dy = dist * np.sin(angle)
    
        # Return result as numpy array with shape (2,) representing xy position in meters
        return np.array([dx,dy])
    
    def lidar_callback(self, data):
        """
        Callback function for receiving lidar data during localization process
    
        Args:
            data: ros message containing information about the laserscan measurements
                 ranges: Float32MultiArray - Array of distances to detected obstacles
                 angles: std_msgs::Float32MultiArray - Array of angles corresponding to ranges
                 timeStamp: rospy::Time - Timestamp of when scan was received
    
        Returns:
            None
        """
        # Extract relevant info from ROS message
        ranges = np.array(data.ranges)
        angles = np.array(data.angles)
    
        # Determine number of scans received so far
        num_scans += 1
    
        # If at least three complete scans have been collected, perform localization
        if num_scans >= 3:
            start_time = timer()
    
            # Step 1: Find all candidate laser rays that correspond to obstacles in scan range
            candidate_rays = []
            for i in range(len(ranges)):
                if not np.isinf(ranges[i]):
                    valid_ray = True
    
                    # Check if ray is too close to any edge or another obstacle
                    center_dist = self._compute_distance(center_xy, self.get_xy_position(angles[i]))
                    for j in range(len(detected_objects)):
                        other_dist = self._compute_distance(detected_objects[j]['pos'], self.get_xy_position(angles[i]))
    
                        if center_dist < other_dist:
                            valid_ray = False
                            break
    
                    if valid_ray:
                        candidate_rays.append({
                            'index': i,
                            'theta': angles[i],
                            'dist': ranges[i]
                        })
    
            # Step 2: Fit line model to rays with highest peak response value (best fit to non-background noise)
            valid_candidate_rays = sorted(candidate_rays, key=lambda k: k['dist'])[:min(num_samples, len(valid_rays))]
            X = [[math.cos(v['theta']), math.sin(v['theta'])] for v in valid_candidate_rays]
            Y = [v['dist'] for v in valid_candidate_rays]
            w = np.linalg.lstsq(X, Y)[0]
    
            # Step 3: Refine estimated pose using EKF filter
            self.process_ekf(w, valid_candidate_rays, t)
    
            # Print timing results
            print("Localizing took %fs"%(timer()-start_time))
    
    
            # Update visualization tools if necessary
            if visualize:
                self.update_visualization()
    
            # Reset counter for next set of scans
            num_scans = 0

此代码片段详细阐述了激光雷达定位的核心算法流程。
首先, 激光雷达接收并完成了三次扫描信息。
该函数负责将接收的激光数据转换为直角坐标系中的x和y值。
随后, 将其转换至机器人自身所在的坐标系中确定位置。
接着, 识别候选光线并找出与扫描器最近的一组反射点及其对应的目标。
对每个候选光线进行数学建模分析, 最后筛选出最优的一组光线用于估算机器人姿态

最后,会更新机器人在世界坐标系下的位置。

4.2 深度学习避障与跟踪

这是另一个例子,使用深度学习算法做障碍物检测和跟踪。

复制代码
    from keras.applications import VGG16
    from keras.preprocessing.image import load_img
    from keras.preprocessing.image import img_to_array
    from matplotlib import pyplot
    import os
    
    # Load pre-trained VGG16 model
    model = VGG16(weights='imagenet')
    
    def preprocess_input(x):
    """Preprocesses image input before passing it through network"""
    x /= 255.
    x -= 0.5
    x *= 2.
    return x
    
    def depth_perception(frame):
    """Performs depth estimation on provided frame using VGG16"""
    
    # Preprocess input frame for CNN
    width, height = frame.shape[:2]
    if width!= target_width or height!= target_height:
        im = cv2.resize(frame, dsize=(target_width, target_height), interpolation=cv2.INTER_AREA)
    else:
        im = frame
    
    x = img_to_array(im)
    x = np.expand_dims(x, axis=0)
    x = preprocess_input(x)
    
    # Make prediction on image using VGG16 model
    features = model.predict(x)
    
    return features
    
    def track_obstacle(features, tracked_objects=[], dt=None, min_iou=0.3, max_age=2):
    """Tracks obstacles given their feature representation"""
    
    # Define parameters used for filtering candidates for assignment
    cell_size = 10.    # Size of grid cells (meters)
    max_speed = 0.5     # Maximum speed allowed between frames (meters/sec)
    iou_threshold = 0.5 # Minimum intersection-over-union required for two tracks to match
    
    # Create empty dictionary to store tracked obstacles
    tracker = {}
    
    # Split incoming detections into left and right halves
    ftr_left, ftr_right = split_detections(features)
    
    # Iterate over detections and perform initial assignment or reassignment depending on whether previous assignments exist
    for det in ftr_left + ftr_right:
    
        found_match = False
        best_track = None
        max_iou = 0.0
    
        # Iterate over existing tracks to find potential matches
        for track in tracked_objects:
            age = abs(dt - track['last_seen']).total_seconds()
            if age > max_age:
                continue
    
            # Calculate IoU score between current detection and associated track
            overlap = calculate_overlap(det['box'], track['box'])
            if overlap > max_iou:
                best_track = track
                max_iou = overlap
    
        # Perform reassignment if overlapping with known track with sufficient IOU score
        if best_track is not None and max_iou > min_iou:
            assigned_tracks[t].append({'feature': det['feature'], 'box': det['box'],'score': max_iou})
            bboxes.append(det['box'])
            scores.append(max_iou)
            found_match = True
    
        # Otherwise, create new track with no prior association
        elif best_track is None or max_iou <= min_iou:
            new_track = {'feature': det['feature'], 'box': det['box'], 'first_seen': datetime.datetime.now(),
                         'last_seen': datetime.datetime.now()}
            tracked_objects.append(new_track)
            bboxes.append(det['box'])
            scores.append(1.0)
            num_tracked += 1
            found_match = True
    
    # Use hungarian algorithm to associate remaining unassigned detections with remaining tracks
    cost_matrix = np.zeros((num_detections, num_tracked))
    for i in range(cost_matrix.shape[0]):
        box_a = ftr_left[i]['box'] if i < num_detections // 2 else ftr_right[i - num_detections//2]['box']
        for j in range(cost_matrix.shape[1]):
            track = tracked_objects[j]
            box_b = track['box']
            overlap = calculate_overlap(box_a, box_b)
            cost_matrix[i][j] = 1.0 - overlap
    
    row_ind, col_ind = scipy.optimize.linear_sum_assignment(cost_matrix)
    
    # Assign remaining unassigned detections to remaining unassigned tracks
    for i in range(cost_matrix.shape[0]):
        if row_ind[i] == -1:
            det = ftr_left[row_ind[i]] if i < num_detections // 2 else ftr_right[i - num_detections//2]
            track = random.choice(unassigned_tracks)
            tracked_objects[track].update({'feature': det['feature'], 'box': det['box'],
                                            'first_seen': datetime.datetime.now(),
                                            'last_seen': datetime.datetime.now()})
            assigned_tracks[t].append({'feature': det['feature'], 'box': det['box'],'score': 1.0})
            bboxes.append(det['box'])
            scores.append(1.0)
            unassigned_tracks.remove(track)
            num_tracked += 1
    
    # Remove lost tracks after minimum observation period has elapsed
    for track in list(tracked_objects):
        age = abs(dt - track['last_seen']).total_seconds()
        if age > max_age:
            tracked_objects.remove(track)
            unassigned_tracks.add(idx)
    
    
    # Visualize resulting tracks
    visualizer = ObjectVisualizer(frame, color=(0, 255, 0))
    for idx, track in enumerate(tracked_objects):
        label = "Untracked" if idx in unassigned_tracks else str(len(assigned_tracks)-1-idx)
        visualizer.draw_bounding_box(track['box'][0], track['box'][1], track['box'][2]-track['box'][0],
                                      track['box'][3]-track['box'][1], name=label)
    frame = visualizer.render()
    
    return frame, assigned_tracks
    
    # Set up path to test images directory
    test_images_dir = './test_images/'
    
    # Set up lists to hold assigned detections and their corresponding labels
    labels = ['car', 'person', 'traffic light']
    assigned_tracks = [{k:[] for k in labels} for _ in range(len(os.listdir(test_images_dir)))]
    
    # Test performance on several test images
    for file in os.listdir(test_images_dir):
    
    # Read in frame
    frame = cv2.imread(os.path.join(test_images_dir, file))
    
    # Perform depth perception and assign detections to appropriate tracks
    features = depth_perception(frame)
    processed_frame, assigned_tracks[file[:-4]] = track_obstacle(features, [], dt=None, min_iou=0.5, max_age=1.)
    
    # Display output
    cv2.imshow('Processed Image', processed_frame)
    cv2.waitKey(0)

这个代码片段呈现了深度学习避障与跟踪的核心算法步骤。首先程序导入已训练完成的VGG16模型用于深度估计任务。接着会对输入图像进行预处理以便于后续处理并将该预处理后的图像数据传递给VGG16网络系统进行预测运算。值得注意的是由于VGG16网络架构要求指定标准尺寸(即224x224像素),因此必须确保所有待处理图像均满足这一尺寸要求以保证系统运行的有效性

随后处理预测结果,并将其转换为障碍物检测框。这些将被用来进行匹配判断是否存在新增或移除的目标物体。当系统检测到新的目标物体时, 我们会新增一个跟踪, 并与现有追踪对比计算其IoU值是否超过设定阈值, 若满足条件则将其分配给对应的追踪。”

最后,我们会对跟踪结果进行可视化。

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