淺談多旋翼無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)

張燚 王偉杰 田家璇 王子瑞

摘 要：為保障多旋翼無(wú)人機(jī)在低空安全飛行，搭載自動(dòng)避障系統(tǒng)是必不可少的。無(wú)人機(jī)避障技術(shù)包含感知障礙物、繞過(guò)障礙物、場(chǎng)景建模和路徑搜索等三個(gè)階段。避障系統(tǒng)檢測(cè)障礙物方法主要有紅外/激光TOF測(cè)距、超聲波測(cè)距、雙目視覺(jué)測(cè)距、電子地圖測(cè)距等。

關(guān)鍵詞：多旋翼無(wú)人機(jī);避障;超聲波測(cè)距

1 緒論

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能技術(shù)的發(fā)展，多旋翼無(wú)人機(jī)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于航拍、監(jiān)控、探測(cè)、電力巡線、安保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。由于城市環(huán)境多人工建筑物，無(wú)人機(jī)在低空飛行，極易發(fā)生碰撞，造成飛行事故，因而避障就成了無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)和使用中需要考量的地方。

2 多旋翼無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

自動(dòng)避障系統(tǒng)是保障無(wú)人機(jī)順利完成飛行任務(wù)的重要系統(tǒng)，有助于無(wú)人機(jī)飛行路徑的規(guī)劃。自動(dòng)避障系統(tǒng)應(yīng)具備可靠、實(shí)用、靈活反應(yīng)等特點(diǎn)，這樣無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中才能快速制定新的飛行路徑，并及時(shí)將路徑數(shù)據(jù)直接傳送到飛行控制器中，完成飛行任務(wù)。

目前無(wú)人機(jī)避障技術(shù)可分為三個(gè)階段，即感知障礙物階段、繞過(guò)障礙物階段，以及場(chǎng)景建模和路徑搜索階段。在感知障礙物階段中，無(wú)人機(jī)只是簡(jiǎn)單地感知障礙物。當(dāng)遇到障礙物時(shí)快速識(shí)別并懸停下來(lái)，等待操縱者的進(jìn)一步指令。在第二階段中，無(wú)人機(jī)通過(guò)獲取障礙物的深度圖像，精確判斷和感知障礙物的具體輪廓，然后自主繞開(kāi)障礙物。最后階段，無(wú)人機(jī)對(duì)飛行區(qū)域形成三維立體地圖模型，并規(guī)劃合理線路進(jìn)行飛行活動(dòng)。

3 避障系統(tǒng)檢測(cè)障礙物方法比較

避障系統(tǒng)檢測(cè)障礙物方法主要有紅外/激光TOF測(cè)距、超聲波測(cè)距、雙目視覺(jué)測(cè)距、電子地圖測(cè)距等。

（1）紅外/激光TOF測(cè)距：這種方法是利用紅外線感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。紅外線避障的常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)方式就是“三角測(cè)量原理”。紅外感應(yīng)器包含紅外發(fā)射器與CCD檢測(cè)器。紅外線發(fā)射器發(fā)射紅外線，紅外線碰到物體會(huì)發(fā)生反射，CCD檢測(cè)器接收到反射光線后，根據(jù)不同距離的物體，就得到不同的反射角度，進(jìn)而產(chǎn)生不同的偏移值，得到這些數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)計(jì)算，就能得出物體的距離。簡(jiǎn)言之，就是傳感器發(fā)射一定頻率的紅外/激光信號(hào)，然后根據(jù)反射信號(hào)與原信號(hào)的相位差計(jì)算信號(hào)的飛行時(shí)間，即可換算出距離障礙物的距離。這種方法技術(shù)比較成熟，作用距離較超聲波更遠(yuǎn)（數(shù)米到數(shù)百米），而且高等級(jí)的TOF傳感器可以獲得障礙物的深度圖像，但成本高、抗干擾能力較差。該方案在當(dāng)前市場(chǎng)中占有一定的應(yīng)用規(guī)模。

（2）超聲波測(cè)距：這種方法是利用超聲波檢測(cè)障礙物實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。超聲波是聲波的一種，因頻率高于20kHz，所以人耳聽(tīng)不見(jiàn)，且指向性強(qiáng)。超聲波測(cè)距的原理比紅外線簡(jiǎn)單。聲波遇到障礙物發(fā)生反射，因已知聲波的傳播速度，所以只需知道發(fā)射到接收的時(shí)間差，就能計(jì)算出測(cè)量距離，再結(jié)合發(fā)射器和接收器的距離，就能算出障礙物的實(shí)際距離。超聲波測(cè)距相比紅外測(cè)距，價(jià)格更便宜，相應(yīng)的感應(yīng)速度和精度也遜色一些。但是對(duì)于較遠(yuǎn)的障礙物，測(cè)量精度會(huì)降低。此外，對(duì)于海綿等吸收聲波的物體或者在大風(fēng)干擾的情況下，超聲波將無(wú)法工作。超聲波測(cè)距傳感器常用于旋翼機(jī)的距離測(cè)量，因?yàn)楣潭ㄒ頍o(wú)人機(jī)飛的太高太快，超聲波傳感器用不上。

（3）雙目視覺(jué)測(cè)距：這種方法是利用兩個(gè)平行的攝像頭進(jìn)行拍攝，然后根據(jù)兩幅圖像之間的差異，通過(guò)復(fù)雜的算法計(jì)算出特定點(diǎn)的距離，當(dāng)數(shù)據(jù)足夠時(shí)還能生成深度圖。這種方法運(yùn)用了人眼估計(jì)距離的原理，即同一個(gè)物體在兩個(gè)鏡頭畫(huà)面中的坐標(biāo)稍有不同，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換即可得到障礙物的距離。這種方法的缺點(diǎn)在于技術(shù)難度較高，且距離估計(jì)的誤差會(huì)隨著距離的變大而呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)，但這一缺點(diǎn)不影響在無(wú)人機(jī)避障領(lǐng)域中的應(yīng)用。

（4）電子地圖測(cè)距：借助高分辨率的數(shù)字高程地圖和城市三維建筑地圖，既能避免無(wú)人機(jī)撞擊重要建筑物（即禁飛區(qū)功能），也能實(shí)現(xiàn)多數(shù)情況下的無(wú)人機(jī)避障。數(shù)字高程地圖是一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)更新的三維立體地圖，在軍事上，例如戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈的遠(yuǎn)程飛行在很大程度上依賴于該地圖。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

避障系統(tǒng)大體包括如下三個(gè)部分：避障探測(cè)系統(tǒng)、避障信息處理和避障策略。在旋翼機(jī)避障系統(tǒng)中，避障探測(cè)系統(tǒng)由多種傳感器組成，是旋翼機(jī)感知和探測(cè)外部環(huán)境信息的途徑，是決定避障系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)避障的基礎(chǔ)。所以傳感器的選擇很重要，為數(shù)據(jù)融合提供穩(wěn)定可靠的硬件基礎(chǔ)。

鑒于項(xiàng)目和資源的限制，本項(xiàng)目選擇超聲波測(cè)距方法。超聲波測(cè)距的避障系統(tǒng)進(jìn)行避障大致分為三個(gè)步驟：

（1）使用空間陣列超聲波模塊測(cè)量前方的障礙物距離。首先利用電調(diào)作為供電模塊，使用芯片驅(qū)動(dòng)超聲波探測(cè)距離，模塊上電前，首先插上模式選擇跳線上的跳線帽，使模塊處于串口觸發(fā)模式，輸入信號(hào)即可發(fā)出超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波信號(hào)，對(duì)溫度值進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)溫度進(jìn)行校正，然后輸出距離結(jié)果。

（2）飛控中的芯片根據(jù)接受數(shù)據(jù)和設(shè)定的安全距離做出決策。芯片根據(jù)設(shè)定的兩級(jí)安全距離，如果有超聲波傳感器測(cè)得前方的距離小于第一級(jí)安全距離則產(chǎn)生一級(jí)報(bào)警信號(hào)，實(shí)行小量程控制，多旋翼飛行器緩慢制動(dòng);如果小于第二級(jí)安全距離，實(shí)行緊急停止的命令，達(dá)到避障提高安全性的效果。

（3）根據(jù)操作員的操作指令和報(bào)警信號(hào)綜合決策。操作員的操作指令和報(bào)警信號(hào)通過(guò)組合的傳輸門(mén)進(jìn)行最后決策，完成對(duì)前方不同級(jí)別安全距離采取不同的控制策略，實(shí)現(xiàn)人工和超聲波智能的綜合避障。

參考文獻(xiàn)：

[1]董軍喜.旋轉(zhuǎn)翼無(wú)人機(jī)自主避障飛行路徑規(guī)劃研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.

[2]李占科，宋筆鋒，宋海龍.微型飛行器的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].飛行力學(xué)，2003，21（4）：1-4.

[3]蔡卓凡.基于多超聲波傳感器避障機(jī)器人小車的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33（5）：282-285.

[4]章志誠(chéng)，杜昌平.基于激光雷達(dá)的多旋翼飛行器實(shí)時(shí)避障系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（9）：117-121.