金旺 易國洪 洪漢玉 陳思媛

摘要：針對現(xiàn)有障礙物檢測方法存在檢測精度和速度不足的問題，提出一種基于門控循環(huán)單元（Cated Recurrent Unit，GRU）的障礙物檢測方法。通過構(gòu)建單向GRU網(wǎng)絡(luò)提取障礙物的幾何特征，結(jié)合障礙物的時(shí)序特征實(shí)現(xiàn)障礙物檢測。在GRU的基礎(chǔ)上，提出三種優(yōu)化模型注意力GRU模型、正則化CRU模型以及雙向GRU模型用于提高障礙物檢測精度或檢測速度。為了驗(yàn)證所提方法的有效性，在真實(shí)采集的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，相較于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，GRU網(wǎng)絡(luò)能夠以較高的精度和速度實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測，其中，正則化CRU模型收斂速度更快，檢測速度更高，綜合性能最好。

關(guān)鍵詞：障礙物檢測;GRU;正則化;注意力機(jī)制;循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）33-0001-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

障礙物檢測是自動(dòng)駕駛和工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，是確保汽車和機(jī)器人以及相關(guān)操作人員安全的重要手段。目前已有的障礙物檢測方法根據(jù)檢測工具可分為基于相機(jī)的檢測方法[1-6]以及基于激光雷達(dá)的檢測方法[7-10]?；谙鄼C(jī)的檢測方法通常利用幀差法，通過判斷連續(xù)幀數(shù)據(jù)的差異來完成障礙物的檢測。該種方法檢測設(shè)備成本更低，檢測更為便捷，然而相機(jī)受環(huán)境因素影響較大，不利于室外環(huán)境的障礙物檢測。黃如林等[7]提出了一種基于多特征融合的障礙物檢測方法，利用激光雷達(dá)的脈沖回波寬度信息和障礙物輪廓信息描述障礙物特征，實(shí)現(xiàn)了大尺寸障礙物的檢測，但是該方法缺乏對尺寸較小障礙物的檢測能力;文獻(xiàn)[8-9]利用障礙物的幾何特征實(shí)現(xiàn)障礙物檢測，然而單一的幾何特征導(dǎo)致檢測準(zhǔn)確率不高;Asvadi等[10]提出了一種基于體素和平面的三維感知系統(tǒng)用于障礙物檢測，通過結(jié)合障礙物的輪廓信息和地理位置信息實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測，具有較高的檢測精度，然而三維感知系統(tǒng)檢測環(huán)境構(gòu)建復(fù)雜，設(shè)備成本高。

時(shí)間序列是一組按照時(shí)間先后順序排列且內(nèi)部關(guān)聯(lián)的數(shù)列。通過對時(shí)間序列的分析，獲取障礙物的時(shí)序特征。考慮到障礙物數(shù)據(jù)的空間特征和時(shí)序特征，將循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Re-current Neural Network.RNN）應(yīng)用于障礙物檢測。RNN具有短期記憶的特點(diǎn)，當(dāng)時(shí)間序列很長時(shí)，RNN難以將早期特征傳遞到后期步驟中，且RNN在反向傳播階段會出現(xiàn)梯度消失的問題。長短期記憶（Long Short-Term Memory，LSTM）模型彌補(bǔ)了RNN的梯度消失和梯度爆炸、長期記憶能力不足等問題，使得循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠真正有效地利用長距離的時(shí)序信息[11]。隨后，Stanford在2014年提出了GRU模型，相較于LSTM模型，GRU模型計(jì)算效率更高，參數(shù)規(guī)模更小，訓(xùn)練速度更快。目前，GRU在語音識別和機(jī)器翻譯等領(lǐng)域取得了良好的效果[12-13]，因此，將GRU應(yīng)用于障礙物檢測領(lǐng)域具有充分的可行性。同時(shí)考慮到障礙物數(shù)據(jù)樣本集的規(guī)模較小的問題，為了防止出現(xiàn)過擬合的問題，引入正則化使模型稀疏。稀疏模型能夠去除大量冗余變量，使模型具有更好的解釋性。劉建偉等[14]對現(xiàn)有的正則化稀疏模型做了比較全面的總結(jié)。注意力機(jī)制能夠使模型更多的關(guān)注障礙物關(guān)鍵特征，進(jìn)一步加強(qiáng)對障礙物的檢測。

為了在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測，確保機(jī)器人等設(shè)備的安全，首次將GRU模型應(yīng)用于障礙物檢測領(lǐng)域，通過構(gòu)建一個(gè)單向GRU網(wǎng)絡(luò)提取樣本中的障礙物特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測。為了改善障礙物的檢測精度和速度，在GRU網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提出三種GRU優(yōu)化模型，分別為注意力GRU模型、正則化GRU模型以及雙向GRU模型。最后，在真實(shí)采集的數(shù)據(jù)集中進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GRU檢測法能夠很好地實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測，增加正則化后，模型更為精煉，檢測速度更快，綜合性能最好。

2 障礙物檢測

2.1感興趣區(qū)域過濾

使用激光雷達(dá)作為障礙物檢測設(shè)備，由于激光雷達(dá)檢測范圍偏大的原因，通常會采集到不需要的數(shù)據(jù)，稱之為噪聲點(diǎn)，而這會造成檢測結(jié)果造成偏差。例如，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，車輛行駛過程中，通常對車輛前方的障礙物進(jìn)行檢測;在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，通常對機(jī)器人下方垂直方法進(jìn)行障礙物檢測。 通過設(shè)置感興趣區(qū)域，確定激光雷達(dá)的檢測范圍，使用條件過濾的方法有效地去除噪聲點(diǎn)，消除噪聲對檢測結(jié)果造成的影響，同時(shí)也能夠減少計(jì)算量。

2.2 GRU檢測模型

通過搭建一個(gè)單向GRU網(wǎng)絡(luò)用以實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測，GRU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。X表示輸入，h表示隱藏層狀態(tài)，v為輸出。

GRU模型檢測算法如表1所示。步驟2構(gòu)造了GRU單層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，步驟3用于GRU單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，步驟4將優(yōu)化后的單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拼接成完整的GRU網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，步驟5計(jì)算GRU前向傳播的輸出值，得到輸出值outputs，經(jīng)過softmax，得到算法預(yù)測值和損失值。

2.3 GRU優(yōu)化模型

以往的研究結(jié)果表明，通過引入注意力機(jī)制，增加正則化或構(gòu)建雙向循環(huán)網(wǎng)絡(luò)能夠有效提高GRU網(wǎng)絡(luò)在語音識別等任務(wù)中的性能?；谶@一原因，提出三種優(yōu)化的GRU模型，分別為注意力GRU模型、正則化GRU模型以及雙向GRU模型。

（1）注意力GRU模型

注意力機(jī)制是指通過訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)中樣本點(diǎn)的重要程度來提取障礙物的關(guān)鍵特征。在GRU網(wǎng)絡(luò)的隱藏層中，引入注意力機(jī)制，計(jì)算各個(gè)輸入的注意力概率分布值，進(jìn)一步提取障礙物的關(guān)鍵特征。注意力機(jī)制計(jì)算公式如下：

（2）正則化GRU模型

正則化方法通常指對權(quán)重系數(shù)進(jìn)行懲罰，稱之為權(quán)重衰減。權(quán)重衰減通常使用L1范式或L2范式作為正則化項(xiàng)。L2權(quán)重衰減使最常見的形式，實(shí)驗(yàn)中使用L2式對權(quán)重進(jìn)行約束來對模型進(jìn)行優(yōu)化。L2正則化計(jì)算公式如下：

式（3）中，w為網(wǎng)絡(luò)權(quán)重參數(shù)，九為權(quán)衡參數(shù)。當(dāng)九為0時(shí)表示沒有進(jìn)行正則化，λ越大，對于w的正則化懲罰越大。

（3）雙向GRU模型

雙向GRU模型由兩個(gè)普通的GRU組成，包括一個(gè)正向的GRU和一個(gè)逆向的GRU。正向GRU利用過去的信息，逆向GRU利用未來的信息，這樣，在t時(shí)刻，既能使用t-1時(shí)刻的信息，又能使用t+1時(shí)刻的信息。一般而言，可使用信息越多，網(wǎng)絡(luò)預(yù)測準(zhǔn)確率越高。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括兩部分：數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。數(shù)據(jù)采集平臺配置如下：操作系統(tǒng)Windowsl0，Intel Core i7-8750H@2.20GHZ六核處理器，8GB內(nèi)存，SICK TIM561雷達(dá)，運(yùn)行環(huán)境.NET Framework4.5。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)平臺配置如下：操作系統(tǒng)Ubuntu16.04，Intel Core i7-8750H@2.20GHZ六核處理器，8GB內(nèi)存，Nvidia GTX 1050Ti 4GB GPU，深度學(xué)習(xí)框架為ten-sorflow。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

在采集了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)之后，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理使數(shù)據(jù)在（0，1）區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)處理方法如式（4）所示，其中x表示預(yù)處理后得到的數(shù)據(jù)，d和0表示獲取雷達(dá)距離值以及雷達(dá)射線與垂直平面的偏轉(zhuǎn)角。

通過閾值來確定樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)簽，設(shè)定閾值為0.8，當(dāng)x大于0.8時(shí)，寫入0，表示非障礙物點(diǎn)，當(dāng)x小于0.8時(shí)，寫入1，表示障礙物點(diǎn)。通過這種方式，構(gòu)建一個(gè)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集大小為1355。

3.3 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和評價(jià)指標(biāo)

GRU網(wǎng)絡(luò)初始參數(shù)設(shè)置如下：學(xué)習(xí)率為le-3，隱藏層數(shù)和隱藏節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為1和32，最大迭代次數(shù)為100，批量大小256。

性能評價(jià)指標(biāo)主要有檢測精度，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練收斂速度，檢測速度。檢測精度是指障礙物檢測的準(zhǔn)確率。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練收斂速度是指網(wǎng)絡(luò)收斂迭代輪次。檢測速度是指在1秒內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的幀數(shù)。

3.4 障礙物檢測對比實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

障礙物檢測對比實(shí)驗(yàn)在GRU網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，分別引入注意力機(jī)制（Attention）、正則化以及將單向GRU改為雙向GRU，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)初始參數(shù)不變。同時(shí)，受文獻(xiàn)[15]啟發(fā)，構(gòu)建一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ Convolutional Neural Networks，CNN）用于障礙物的檢測，與GRU方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。表2顯示了所有對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

從表2中可以看出：相較于CNN檢測方法，GRU檢測方法具有更高的檢測精度和檢測速度;相較于原始GRU模型，引入注意力機(jī)制后，檢測精度得到略微提升，但是檢測速度大幅下降;引入正則化后，檢測精度略微下降，但是檢測速度得到一定的提升;雙向GRU模型檢測精度沒有提升，然而檢測速度大幅下降。綜合考慮，確定正則化GRU方法為最佳的檢測方法，在檢測精度略微損失的情況下，檢測速度得到提升。正則化GRU檢測方法以較高的精度和速度實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測，能夠滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需求。

圖2顯示了原始GRU模型和正則化GRU模型的訓(xùn)練損失率。從圖2可以看出，相較于原始GRU模型，正則化GRU模型在訓(xùn)練過程中收斂速度更快。

通過實(shí)驗(yàn)分析可知，使用門控循環(huán)單元網(wǎng)絡(luò)能夠以較高的精度和速度實(shí)現(xiàn)的檢測障礙物，增加正則化后，縮減了模型的模型參數(shù)規(guī)模，提升了障礙物檢測速度，達(dá)到了障礙物檢測的實(shí)際需求。

4 結(jié)論與未來工作

本文提出了一種基于門控循環(huán)單元的障礙物檢測方法。通過門控循環(huán)單元構(gòu)建特征向量矩陣以提取障礙物的特征，通過優(yōu)化對比實(shí)驗(yàn)，確定正則化GRU為最優(yōu)的障礙物檢測方法，能夠以較高的檢測精度和速度實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，相較于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基于門控循環(huán)單元的方法在障礙物檢測上具有更高的檢測精度以及檢測速度，引入正則化后，檢測速度更快。

目前，由于設(shè)備限制未能在自動(dòng)駕駛車輛上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。缺乏如雨天、夜晚等不同環(huán)境下的障礙物樣本數(shù)據(jù)，也對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響。因此，在未來的工作中，需要擴(kuò)大樣本數(shù)據(jù)集的類別尤其是不同環(huán)境下的樣本數(shù)據(jù)。在自動(dòng)駕駛車輛上的試驗(yàn)也是未來重點(diǎn)研究的方向。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

作者簡介：金旺（1995-）.湖北天門人，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)視覺，三維物體識別;易國洪（1972-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，碩士，主要研究方向?yàn)檐浖y試，大數(shù)據(jù);洪漢玉（1964-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閳D像處理;陳思媛（1996—），女，碩士，主要研究方向?yàn)楦卟l(fā)通信，