對小型多旋翼飛行器輔助避障技術(shù)的探討

向思齊 門云閣 李思儒 邵澤盟 葛慧杰

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714007

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，小型多旋翼飛行器技術(shù)得到了快速的發(fā)展，在民用、軍事等領(lǐng)域當中，都發(fā)揮了重要的作用。在一些地形復雜惡劣、環(huán)境危險的情況下，可以使用小型多旋翼飛行器，代替人完成工作，降低了發(fā)生安全事故的幾率。在小型多旋翼飛行器飛行的過程中，由于通常面對較為復雜的飛行環(huán)境，因此，為了確保飛行安全，需要對各種障礙進行有效的躲避?；诖耍疚膶π⌒投嘈盹w行器輔助避障技術(shù)進行了設(shè)計和研究。

關(guān)鍵詞：小型；多旋翼；飛行器；輔助避障技術(shù)

小型多旋翼飛行器具有很多方面的優(yōu)勢，例如價格便宜、起降環(huán)境要求低、針對性強、機動性強等，因此在各個領(lǐng)域當中，都逐漸得到廣泛的應(yīng)用。隨著旋翼飛行器的不斷發(fā)展，其飛行安全也受到了更大的重視。旋翼飛行器的工作環(huán)境通常是低空領(lǐng)域，因而在飛行中會面臨較多的障礙物，如果不能準確有效的躲避障礙，將會造成旋翼飛行器的墜毀。而就目前的技術(shù)水平來看，要想實現(xiàn)自主避障，仍具有較大的難度，因此，輔助避障技術(shù)的研究就顯得更為重要。

1 輔助避障系統(tǒng)原理技術(shù)

旋翼飛行器在飛行當中，依靠螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流轉(zhuǎn)動提供升力，其與直升機相類似，都是用螺旋槳提供動力，但也存在較大的不同。以四旋翼飛行器為例，其升力、方向的調(diào)節(jié)，是通過電機轉(zhuǎn)速的改變實現(xiàn)的，從而對飛行姿態(tài)、位置進行控制，利用四個輸入控制，實現(xiàn)六個自由度，因而屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)。在飛行控制系統(tǒng)中，主控芯片是最重要的部分，通常采用嵌入式處理器模塊。飛行器遙控信號、姿態(tài)數(shù)據(jù)包、控制命令等，都是利用無線傳輸通信系統(tǒng)實現(xiàn)的。通過無線傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和信息的交互，其中，無線串口、WiFi模塊、4G通信技術(shù)等，都是常用的無線傳輸技術(shù)[1]。

旋翼飛行器可以通過不同類型的傳感器，實現(xiàn)飛行中的智能感知。依靠測距傳感器，能夠?qū)︼w行器和障礙物之間的距離進行感知。測距傳感器可以通過多種方式實現(xiàn)，各自也具有不同的原理，因而也具有不同的性能，常用的方法原理包括了超聲波測距、激光紅外測距、毫米波測距等。此外，成像傳感器是人們對客觀世界直觀感受的獲取方式，通過對顯示器接收的圖像信息，可實現(xiàn)超視距遠程控制。

2 輔助避障系統(tǒng)設(shè)計方案

在輔助避障系統(tǒng)中，根據(jù)不同的設(shè)計模塊，主要包括通信系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、旋翼機機體系統(tǒng)等。根據(jù)不同的位置，還可分為上位機系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)等。在無人機平臺中，包括了數(shù)傳收發(fā)器、圖傳系統(tǒng)、氣壓計、磁偏計、微型MEMS、GPS系統(tǒng)、熱紅外成像儀、高精度激光掃描儀、飛控系統(tǒng)等部分。在無人機機型的選擇中，由于具備多樣的選擇范圍，因此，應(yīng)綜合考慮載重能力、云臺穩(wěn)定能力、通信鏈路、飛行高度、飛行距離、續(xù)航時間等性能。在激光掃描儀的選型當中，激光測距技術(shù)測量精度較高[2]。

激光掃描儀通過二維激光束平面掃描，可實現(xiàn)精確、快速的距離檢測。不過，激光測距儀同時也具有價格昂貴、安裝精度要求高等問題，因而難以在短時間內(nèi)普及應(yīng)用。在可見光相機選型中，應(yīng)考了安裝、旋翼機載重等因素。此外，還包括無線傳輸設(shè)備、紅外設(shè)備等，也要綜合各方面因素進行選擇。圖像處理電路板是一個較為重要的部分，在設(shè)計當中，要綜合考慮硬件電路時鐘、電路電源、存儲空間配置、I2C接口電路、視頻捕捉電路、RS232接口、通用輸入輸出接口GPIO、視頻輸出電路等[3]。在軟件設(shè)計當中，要根據(jù)實際需求，分別對上位機和下位機進行妥善的設(shè)計。

3 輔助避障系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

輔助避障系統(tǒng)激光數(shù)據(jù)，除了對障礙物分布進行實時顯示之外，也在地面站文件下進行存儲。工作人員根據(jù)要求，對旋翼飛行器飛行區(qū)域全局地圖進行監(jiān)理。在激光數(shù)據(jù)處理中，由于激光掃描儀頻率較高，數(shù)據(jù)量大，因而可能會產(chǎn)生毛刺，影響算法性能。對此，需要先對激光數(shù)據(jù)進行預處理。然后對激光數(shù)據(jù)的特征進行提取，從激光數(shù)據(jù)點當中，對有用的信息進行提取，對環(huán)境特征進行反映。在地圖創(chuàng)建的過程中，特征匹配是一項重要工作，可以利用改進ICP算法，通過不斷重復對應(yīng)點搜索，變化參數(shù)求解，得到最優(yōu)化的匹配。利用獲取及處理后的激光數(shù)據(jù)點，可以通過不斷的迭代過程，完成對環(huán)境地圖的創(chuàng)建。

在紅外圖像的處理中，需要對飛行狀態(tài)下的環(huán)境噪聲進行分析，將背景輻射造成的干擾排除[4]。對于已知環(huán)境，可以將背景噪聲減去，或?qū)ο嚓P(guān)基準電路進行設(shè)計，從而實現(xiàn)噪聲的消除。消除噪聲后，需要對圖像進行增強處理。采用中值濾波器，對圖像進行非線性處理，對領(lǐng)域內(nèi)采樣數(shù)據(jù)排序，進而對中心像素灰度進行確定，能夠有效消除脈沖噪聲。進行高斯平滑濾波，進行線性濾波，對領(lǐng)域中不同位置像素點，分別賦予不同位置像素點不同權(quán)值。通過直方圖均衡化，提高圖像的清晰度和對比度，從而為目標提取提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

旋翼無人機是當前一種較為常用的設(shè)備，在很多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。而在旋翼無人機的飛行過程中，如何對障礙進行有效的躲避，是一項重要的研究課題?；诖?，對小型多旋翼飛行器輔助避障技術(shù)進行研究設(shè)計，確保飛行器在飛行過程中，能夠更好的躲避障礙，完成飛行拍攝任務(wù)。

指導老師：門云閣

參考文獻：

[1]章志誠，杜昌平.基于激光雷達的多旋翼飛行器實時避障系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2016，24（9）：117121.

[2]王一凱，陳磊，裴哲浩，等.基于最少燃耗的飛行器著陸避障控制策略[J].科學通報，2016（13）：14881494.

[3]吳鴻，馮登超.基于四旋翼飛行器的低空空域智能搜救系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2016，35（1）：7479.

[4]王卉，李麗霞，劉慧潔，等.基于四旋翼飛行器的光流法動態(tài)目標檢測[J].沈陽工程學院學報：自然科學版，2017，13（1）：7681.