基于DSP的四旋翼飛行器視覺導航避障系統(tǒng)研究

肖祖銘 郭瞻

摘 要：近年來，無人機技術(shù)發(fā)展迅速，對無人機控制、自主著陸等方面的研究不斷取得巨大成果?？紤]到無人機作業(yè)時常會遇到復雜的地形，尤其是在大城市中，無人機如何實現(xiàn)智能避障已成為一個研究的熱門課題。本項目將光流避障算法理論應用于視覺避障的研究，既彌補了GPS全球定位導航局部失效的缺點（如室內(nèi)作業(yè)或者建筑物密集地帶），也代替了INS慣性導航系統(tǒng)漂移誤差的影響，實現(xiàn)了無人機精確、穩(wěn)定的避障目標，這將是未來無人機導航發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：DSP；四旋翼飛行器；視覺導航避障

無人機在無人機偵查、救援等軍事活動、攝影測量以及農(nóng)場作業(yè)等實際操作中，無人機無時無刻不在體現(xiàn)其強大的優(yōu)勢。人機如何實現(xiàn)智能避障已成為一個研究的熱門課題。它關(guān)系著無人機是否能夠順利的完成任務(wù)，也關(guān)系著無人機是否能夠安全返航。同時，自主、快速避障也是無人機自主化、智能化的顯著標志?，F(xiàn)階段國內(nèi)外學者對無人機的避障算法做了充分的研究，包括可視圖法、人工勢場法以及VFH直方圖法等，每一種算法都有自身的優(yōu)勢和不足，考慮到時序和快速響應等問題，我們需要研究一種新的算法來實現(xiàn)無人機避障功能。

一、國內(nèi)外無人機自主避障技術(shù)研究概況

（一）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析和發(fā)展趨勢

基于全局的路徑規(guī)劃是目前國內(nèi)外常見的無人機導航方法，但由于真實的飛行環(huán)境信息很難完全預知，未知和突發(fā)的威脅對于預先規(guī)劃的全局航路是致命的打擊，即使沒有突發(fā)的威脅，全局航路規(guī)劃也依賴于離線預處理和對環(huán)境數(shù)據(jù)的高度精確，對于地面站的要求過高，并且控制范圍受到無線傳輸距離的限制，因此基于無人機自主的導航方式的研究勢在必行。

（二）現(xiàn)有的兩種實時航路規(guī)劃方法

1）基于已知環(huán)境信息規(guī)劃初始航路，在出現(xiàn)突發(fā)威脅障礙時作出局部調(diào)整，繞過威脅后重新回到初始規(guī)劃航路；2）在發(fā)現(xiàn)威脅后，基于當前位置和目標點重新規(guī)劃航路。這兩種方法雖然解決了全局航路規(guī)劃缺乏應變的問題，但是可以看出在時間上損失過大，且同樣過分依賴地面站的控制。

（三）無人機視覺避障技術(shù)研究成果及原因

國內(nèi)外關(guān)于自主避障的研究多應用于機器人室內(nèi)導航，而在無人機方面的研究相對匱乏，其原因主要有兩個方面：第一，普通芯片處理數(shù)據(jù)的能力不能達到要求，即對于大量數(shù)據(jù)的計算不能滿足系統(tǒng)快速響應的需要。第二，傳感器不能夠準確和快速對周圍環(huán)境進行采樣。為了解決上述的三個問題，本項目將提出了一種基于DSP芯片機載設(shè)備的四旋翼飛行器系統(tǒng)，來實現(xiàn)無人機的自主避障功能。

二、研究內(nèi)容

本項目主要選取四旋翼飛行器作為研究平臺，通過機載CCD攝像機作為圖像傳感器代替激光雷達測距儀，并由專用DSP處理器對拍攝的圖像進行處理、閾值化、特征識別等過程，來實現(xiàn)飛行器對前方障礙的快速識別，然后經(jīng)過飛控計算機發(fā)出控制指令，實時在線調(diào)節(jié)飛行器的俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角，使飛行器能夠快速、穩(wěn)定的避開障礙物，實現(xiàn)無人機的完美避障。它具體涵蓋了下列內(nèi)容：1）基于光流算法的圖像處理及飛行器前方障礙物識別的軟件設(shè)計。2）基于DSP處理器的數(shù)據(jù)接收、處理以及控制信號輸出的硬件平臺設(shè)計。3）將基于光流算法的避障程序移植到DSP芯片中。4）基于DSP的無人機避障系統(tǒng)PC機仿真軟件平臺搭建，進行軟件仿真驗證。5）基于DSP的無人機避障系統(tǒng)硬件平臺搭建，進行實物飛行驗證。

三、研究目標和擬解決的關(guān)鍵問題

（一）研究目標

筆者欲開發(fā)一種基于DSP的四旋翼飛行器視覺導航避障系統(tǒng)。通過軟硬件設(shè)計結(jié)合，實現(xiàn)四旋翼飛行器快速、穩(wěn)定的自主避障，同時還要實現(xiàn)路徑最短、能耗最小、飛行效果最佳等功能。

（二）擬解決的關(guān)鍵問題

1）解決快速、準確識別障礙物和周邊背景圖像噪聲對數(shù)據(jù)處理結(jié)果的影響的技術(shù)。2）解決研究完整的基于DSP芯片的無人機避障系統(tǒng)的搭建。3）解決將研究基于光流值的避障算法移植到DSP芯片中。

四、擬采取的研究方法余可行性分析

（一）擬采取的研究方法

1.硬件平臺搭建樣板

硬件是整個避障系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本項目擬采用CCD攝像機作為圖像傳感器，采用性能高速的DSP芯片（DM642芯片）對圖像進行處理，完成障礙物識別等任務(wù)，遙控發(fā)射器和接收器頻率為2.4GHz，為避免頻率相同下，信號的干擾，故舍棄傳輸距離更遠的XBee無線數(shù)據(jù)傳輸器（2.4GHz），選擇傳輸距離較近，但滿足要求的3DR Radio（915MHz）無線數(shù)據(jù)傳輸器。地面站由一臺計算機控制以及相應軟件組成，對飛行器進行實時監(jiān)控，系統(tǒng)硬件平臺方案。

2.PC機仿真軟件平臺搭建， 進行軟件仿真驗證

通過OpenGL與MATLAB混合編程，來實現(xiàn)光流的避障算法的仿真驗證。具體思路是：基于OpenGL搭建一個虛擬的飛行環(huán)境，在該環(huán)境模擬一架無人機并將攝像機放置在飛機前端，同時在場景中放置一定的障礙物，然后通過MATLAB的實時運行結(jié)果來控制該飛行器的飛行，實現(xiàn)自主避障。

（二）可行性分析

在本次項目設(shè)計中，既有PC機仿真軟件平臺搭建，對系統(tǒng)軟件進行測試，又有硬件平臺搭建，對系統(tǒng)實物進行測試，整個研究過程的實時和準確都能得到保證。同時本系統(tǒng)搭載的外設(shè)使用價格低、質(zhì)量小、信息全的機載攝像機作為避障傳感器，與其他的激光或者雷達測距傳感器相比，不但減輕了無人機的載荷，增加續(xù)航能力，而且降低了成本，有利于無人機的推廣。

（三）本項目創(chuàng)新點及特色

1）本項目核心設(shè)計思想類似人類避障行為：DM642芯片類似人的大腦，CCD相機則相當于人的眼睛。當無人機遇到障礙時，系統(tǒng)通過CCD相機將環(huán)境信息傳輸?shù)紻M642，隨后DM642“思考”并做出判斷，然后把得出的控制信號經(jīng)過I/O口傳給飛控計算機，飛控計算機控制四個電機的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)一次避障“運動”。2）設(shè)計一種基于DSP的光流算法避障系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機避障的最優(yōu)化處理。

參考文獻：

[1] 鄭海潮.四軸飛行器自主飛行控制及避障系統(tǒng)研究[D].電子科技大學，2016.

[2] 聶博文，馬宏緒，王劍，王建文.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制，2007（06）.

江西省教育廳科學技術(shù)研究項目：基于DSP的四旋翼飛行器視覺導航避障系統(tǒng)研究，項目編號：GJJ151290

作者簡介：肖祖銘（1978-），男，江西萬安人，本科，副教授，景德鎮(zhèn)學院機電系。