測距傳感器在無人機避障中的應(yīng)用

摘 要 在無人機快速發(fā)展的背景下，通過梳理無人機避障中的各種測距傳感器和分析其主要工作原理和優(yōu)缺點，有助于無人機避障技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。尋求一種全面解決各領(lǐng)域避障問題的方案是無人機避障技術(shù)的趨勢和研究方向。

關(guān)鍵詞 測距傳感器 無人機避障技術(shù)

1無人機避障技術(shù)

無人機是由無線遙控設(shè)備和程控設(shè)備控制的無人駕駛飛行器。在實際操縱中，由于環(huán)境的多變、人為失誤和無人機失控等原因，無人機變成了不受控的定時“炸彈”。隨著人工智能的快速發(fā)展，無人機不再是需要操控的飛行器，而是擁有“大腦”的飛行機器人，能夠在安全自動地完成飛行任務(wù)而無需任何人為操控。而無人機避障技術(shù)正是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。

無人機避障技術(shù)是無人機自主躲避障礙物的智能技術(shù)，可以實時收集飛行參數(shù)，及時修正飛行參數(shù)，躲避飛行路徑中的各種障礙物并及時改變無人機的運動軌跡。極大程度上減少無人機撞機事故，降低損失，避免對周圍人員的傷害，增加無人機飛行的安全系數(shù)。不同行業(yè)如農(nóng)業(yè)、電力、水利、建筑、運輸、媒體等領(lǐng)域在無人機的避障上有不同的特點，確保無人機避障技術(shù)在各種應(yīng)用場景中發(fā)揮作用是未來的發(fā)展趨勢。

2測距傳感器的比較

無人機避障技術(shù)分的實現(xiàn)為三個步驟：感知障礙物、繞過障礙物并規(guī)劃合理路徑。發(fā)現(xiàn)障礙物是無人機避障技術(shù)考慮的第一步，在實現(xiàn)方式上，利用測量無人機和障礙物之間的距離來實現(xiàn)檢測。可以看出，測距是避障技術(shù)的基礎(chǔ)，目前常用的測距傳感器包括紅外、超聲波、激光、視覺、雷達(dá)等。

2.1紅外測距傳感器

紅外線是一種頻率介于可見光和微波之間的電磁波，具有電磁波的沿直線傳播、反射、折射、衍射等特征。紅外傳感器測距一般有兩種，一種是發(fā)光管發(fā)出紅外線，所測距離根據(jù)接收管接受到的反射光強弱來計算；另一種是紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，光束遇到障礙物后會反射回來，基于三角測量原理實現(xiàn)距離的測量。由于紅外線是一種不可見光，紅外線測距具有一定的隱蔽性，可用于夜間距離的測量。然而，隨著測量距離的增加，紅外測量的精度降低，所以不適用于長距離測距。另外紅外線受太陽光影響較大，當(dāng)遇到黑色和透明的物體，無法檢測障礙物距離。

2.2激光測距傳感器

激光是被激發(fā)出來的光子序列，擁有電磁波的一般特征。因為光速是一定的，激光測距利用飛行時差（ToF，Time of Flight）進(jìn)行測距?？梢曰诜瓷湫盘柵c原信號之間的相位差或者飛行時間差來換算障礙物的距離。激光測距相對于紅外測距來說，精度高，方向性好，但是制作成本較大，且受到光波的限制，無法在光污染嚴(yán)重等惡劣環(huán)境中使用。

2.3超聲波測距傳感器

超聲波測距基于超聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣纫欢?，根?jù)遇到障礙物后反射回來的時間來實現(xiàn)測距。超聲波測距傳感器技術(shù)已成熟，硬件簡單且成本低。但由于聲波的傳輸非直線而是扇形，因此利用超聲波測距的方向性差，不能同時檢測多個障礙物。雖然超聲波不同于紅外線和激光，不受太陽光的影響，但超聲波傳播的速度會受到諸如溫度和濕度等空氣條件的影響，因此在惡劣環(huán)境中測量誤差很大?？諝庵谐暡ǖ膫鞑ニ俣冗h(yuǎn)小于空氣中電磁波的傳播速度，超聲波測距的有效測量范圍通常在5米以內(nèi)，性能要低于激光測距和紅外光測距。

2.4雷達(dá)測距傳感器

雷達(dá)測距是通過發(fā)射和接受電磁波，利用發(fā)射和接受信號的頻率差來計算障礙物的距離、角度、方向。雷達(dá)測距包括毫米波雷達(dá)和微波雷達(dá)，因其造價較高，廣泛在軍事無人機中應(yīng)用。雷達(dá)具有精度高、全天候工作、感應(yīng)靈敏、穿透能力強、感知距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強等優(yōu)點，雷達(dá)測距傳感器是未來無人機避障技術(shù)的研究熱點。

2.5單目測距傳感器

單目測距通過攝像頭的移動信息和攝像頭得到的圖片測得深度距離。使用單個攝像頭在前進(jìn)過程中獲取前視序列圖像，通過匹配求得圖像中特征點的移動，以拍攝間隔中的飛行距離為基線，通過三角測量關(guān)系獲得障礙物的深度距離。但如果圖像中特征點的匹配存在誤差，則會對結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。一般單目測距需要攝像頭拍攝的圖片清晰、分辨率高，因此不適合復(fù)雜環(huán)境下的測距。然而，單目測距傳感器具有體積小，功耗低，運算快，技術(shù)成熟等特點，廣泛應(yīng)用于在無人機避障。

2.6雙目測距傳感器

雙目測距是模仿人眼以估計障礙物距離，即使用兩個平行的攝像頭來捕捉圖像。根據(jù)相同目標(biāo)在兩個鏡頭中的坐標(biāo)不同，通過轉(zhuǎn)換進(jìn)一步獲得障礙物的距離。雙目測距的缺點在于技術(shù)難度較高，運算復(fù)雜，計算時間長，且障礙物的距離誤差隨距離變大而指數(shù)增長。目標(biāo)匹配是雙目測距的難點，拍攝圖像時需要充足的光源，因此光照變化、目標(biāo)被遮擋、圖像像素低都會影響到結(jié)果。

2.7結(jié)構(gòu)光測距傳感器

結(jié)構(gòu)光測距是一種利用圖像和可見光的測距方法。結(jié)構(gòu)光的光源可以是激光或是白光，利用光平面照射在物體表面上產(chǎn)生的光條紋，并且在捕捉的圖像中檢測光條紋，它們的形態(tài)和間斷性構(gòu)成了物體各個可見表面與相機之間的相對測度。結(jié)構(gòu)光測距具有抗干擾能力強、精度高等優(yōu)點，但是由于結(jié)構(gòu)光光源的特殊性，結(jié)構(gòu)光測距多用于室內(nèi)測距。

2.8電子地圖測距傳感器

當(dāng)無人機的飛行目標(biāo)區(qū)域被建模為精確的三維建筑地圖，借助GPS傳感器等導(dǎo)航系統(tǒng)，就能夠避開重要建筑物等障礙物，而且無人機可以提前選擇最優(yōu)路徑，提高飛行效果。但是無法應(yīng)對突發(fā)情況，在GPS信號差的時候，電子地圖測距無法測量距離，只能將無人機從GPS模式轉(zhuǎn)換為飛行模式。

3結(jié)語

各種測距傳感器各有優(yōu)缺點，目前多使用超聲波測距傳感器來獲取無人機的高度參數(shù)；多使用三維激光測距傳感器來獲取三維場景信息；多使用紅外測距傳感器來實現(xiàn)短程環(huán)境感知。在不同的場景下采用不同的測距傳感器，農(nóng)業(yè)植保無人機的作業(yè)環(huán)境多有灰塵或是農(nóng)藥，因此雙目測距傳感器難以滿足農(nóng)用無人機，但是可以利用雙目測距傳感器識別電力設(shè)備狀態(tài)和三維重建電力掛接線。無人機避障在特定的場景下取得了一定成效，但是整體收效甚微，尋求一種全面解決避障問題的方案，是無人機領(lǐng)域目前最大挑戰(zhàn)。

作者簡介：吳亞楠（1989-），女，漢族，南京森林警察學(xué)院偵查系，講師，研究方向：偵查技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱凱凱，初陽，華維超.機器視覺在無人機智能避障的應(yīng)用[J].通訊世界，2016（11）：282.

[2] 張黎，陳軼瑛，黃博，etal.無人機的自主與智能控制[J].中國高新科技，2018（11）.

[3] 張西忱.無人機的避障技術(shù)及其應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2017，34（02）：66-68.

[4] 金澤選，吳開華，王朔，etal.全自動植保無人機含障不規(guī)則區(qū)域的航跡規(guī)劃算法[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（05）：220-223.

[5] 蘭玉彬，王林琳，張亞莉.農(nóng)用無人機避障技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE），2018，34（09）：104-113.

[6] 章志誠，杜昌平.基于激光雷達(dá)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（09）：117-121.