基于毫米波雷達(dá)的多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)研究

潘梟，王偉，華錫焱，房德國

（南京信息工程大學(xué) 自動化學(xué)院，南京210044）

1 引言

無人機(jī)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了地面向天空的變革。近年來，人們利用無人機(jī)進(jìn)行電力巡檢、運(yùn)輸物流、航拍等重大活動，又因無人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展，使得無人機(jī)逐步擺脫傳統(tǒng)“飛手”對飛機(jī)的實(shí)時操縱，這便給整個無人機(jī)市場帶來了巨大的變革。目前，無人機(jī)主要依靠機(jī)載避障傳感器來識別環(huán)境中的障礙物。在我國無人機(jī)避障的傳感器主要可以劃分為被動式和主動式兩大類。其中，被動式感知環(huán)境的傳感器主要采用的是CMOS 和CCD 等光學(xué)傳感器[1]，主動式感知環(huán)境的傳感器主要有超聲波傳感器、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等。超聲波避障技術(shù)主要是采用超聲波獲得無人機(jī)的飛行環(huán)境信息，對障礙物的距離、方向、角度等進(jìn)行判斷。利用了聲波反射測距原理，該方法的優(yōu)點(diǎn)就是技術(shù)成熟，成本很低，但缺點(diǎn)在于作用距離近。激光雷達(dá)傳感器可以獲取飛行環(huán)境信息，然后再通過對障礙物的距離、角度等信息進(jìn)行計算。激光雷達(dá)與超聲波傳感器相比，前者測量距離遠(yuǎn)、方向性好、精度高、抗干擾力強(qiáng)，但價格昂貴，成本高，遇惡劣天氣時性能會嚴(yán)重下降。相比較之下，毫米波雷達(dá)傳感器具有體積小、功耗低、作用距離遠(yuǎn)、穿透霧、煙、灰塵能力強(qiáng)，因而毫米波雷達(dá)已經(jīng)較為廣泛地運(yùn)用于各行各業(yè)[2]。本文介紹了一種基于毫米波雷達(dá)的多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)研究的工程設(shè)計方案，計算量小，效果顯著，在小型多旋翼無人機(jī)的市場應(yīng)用上具有很大的潛力。

2 系統(tǒng)組成

多旋翼無人機(jī)上搭載了IMU、GPS、地磁、毫米波雷達(dá)等傳感器系統(tǒng)，另機(jī)載無人機(jī)控制核心飛控模塊，用于記錄多旋翼無人機(jī)飛行實(shí)時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模塊。IMU 傳感器內(nèi)置加速度計、陀螺儀、氣壓計。陀螺儀測得的角速度信息、加速度計測得的加速度信息以及氣壓計測得的高度信息傳送給飛控，由飛行計算機(jī)計算出從機(jī)體坐標(biāo)系到參考坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，再通過這個矩陣把三軸加速度分量從機(jī)體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)移到參考坐標(biāo)系上，通過積分計算出速度和位移，再將速度和位移與輔助導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS 傳感器和氣壓計傳感器）的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在這個過程中可以利用轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行無人機(jī)的姿態(tài)角解算，從而能夠準(zhǔn)確得出無人飛行器的速度和位置?；跓o人機(jī)有一個穩(wěn)定可靠的飛控系統(tǒng)后，為增添無人機(jī)智能飛行的可實(shí)施性，需機(jī)載避障傳感器。本文介紹的基于毫米波雷達(dá)的多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)研究主要使用的是毫米波雷達(dá)傳感器，機(jī)載各個傳感器通過CAN 通信方式與飛控進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 障礙物探測硬件設(shè)計

3.1 毫米波雷達(dá)及其探測原理

毫米波雷達(dá)，指工作在毫米波頻段的雷達(dá)。毫米波是一種波長在1～10mm，頻域在30～300GHz 的電磁波。雷達(dá)一般工作模式分為Pulsed（脈沖方式）和FMCW 調(diào)頻連續(xù)波方式[3]。脈沖工作方式往往要求雷達(dá)在很短時間里發(fā)射大功率的信號脈沖，硬件上收發(fā)天線往往是共用的，這樣便會容易導(dǎo)致出現(xiàn)探測盲區(qū)。連續(xù)波雷達(dá)是發(fā)射連續(xù)波信號，主要用來測目標(biāo)的速度。調(diào)頻連續(xù)波方式，能夠同時測量目標(biāo)的距離，對比脈沖工作方式的硬件，其收發(fā)天線中間會有一定的間隔，基本不存在探測盲區(qū)。針對FMCW 方式，雖然發(fā)射頻率不斷改變，但是頻率變化率保持不變，只需對發(fā)射和反射回來的信號做互相關(guān)，通過檢測這個頻率差fb和頻移fd，推算出距離和速度。公式如下：

式中：s 為距離，v 為速度，c 為光速，T 為信號發(fā)射周期，Δf為調(diào)頻帶寬，fb為差拍頻率，λ 為信號波長，fd為多普勒頻移。

3.2 硬件連接

本設(shè)計選用的是一款莫之比有限公司的避障雷達(dá)傳感器，77GHz 毫米波避障雷達(dá)，雷達(dá)波束窄，能量居中，可減少無人機(jī)傾斜姿態(tài)工作時的地雜波干擾，抗干擾能力強(qiáng)：不受光線、天氣、環(huán)境噪聲影響，不受無人機(jī)電磁干擾的影響，能探測到35m 以外的障礙物。數(shù)據(jù)接口支持UART 和CAN 口兩種方式。本設(shè)計采用的是CAN 口通信方式。需注意的是，此款雷達(dá)一旦探測距離無限遠(yuǎn)便輸出負(fù)值。實(shí)物及飛機(jī)連接圖如圖1所示。毫米波雷直接通過CAN 將數(shù)據(jù)實(shí)時傳給飛控，目標(biāo)刷新頻率為50Hz。

圖1 實(shí)物及飛機(jī)連接圖

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件設(shè)計流程

無人機(jī)系統(tǒng)上電后開始進(jìn)行自檢，當(dāng)飛機(jī)檢測到機(jī)載所有傳感器正常工作并且避障傳感器毫米波雷達(dá)所探測到無人機(jī)前方無障礙物或者障礙物在安全距離內(nèi)，無人機(jī)系統(tǒng)自檢通過。無人機(jī)上位機(jī)軟件對無人機(jī)進(jìn)行打點(diǎn)操作。打點(diǎn)操作是為了對無人機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃，在無人機(jī)規(guī)劃路徑內(nèi)人為地設(shè)置障礙物。無人機(jī)執(zhí)行自主起飛操作后按規(guī)劃軌跡飛行，障礙物在安全距離內(nèi)，無人機(jī)按規(guī)劃軌跡安全飛行。小于安全距離，無人機(jī)按指定策略避開障礙物后，重新會到原設(shè)定軌跡繼續(xù)飛行，直至到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。避障流程如圖2 所示。

圖2 避障流程圖

圖4 毫米波雷達(dá)探測距離

4.2 毫米波雷達(dá)避障策略

無人機(jī)起飛后毫米波雷達(dá)開始檢測障礙物的距離，不斷地對傳給飛控的距離信息進(jìn)行判斷，如果距離信息大于飛控設(shè)定的安全距離20m（安全距離可以人為設(shè)定），無人機(jī)按照規(guī)劃軌跡安全飛行，如果無人機(jī)雷達(dá)探測到障礙物距離小于20m 大于14m，無人機(jī)開始減速，飛行速度不大于3m/s，若探測到障礙物距離小于14m 且大于8m，飛機(jī)速度不大于1m/s。當(dāng)距離小于8m，無人機(jī)停止前進(jìn)，飛行速度降為0，懸停于空中，此時無人機(jī)開始做轉(zhuǎn)頭處理，為了進(jìn)行后續(xù)解釋，在此定義一個機(jī)體坐標(biāo)系，它是一個正交的坐標(biāo)系且符合右手螺旋定則，為了方便角度識別，定義機(jī)頭的方向?yàn)閄 軸正半軸，轉(zhuǎn)頭處理是以機(jī)頭所在X 軸方向順時針旋轉(zhuǎn)90°，逆時針旋轉(zhuǎn)90°，毫米波雷達(dá)在飛機(jī)轉(zhuǎn)頭的這一過程做距離探測，若檢測到在無人機(jī)機(jī)頭順時針方向有障礙物則向逆時針進(jìn)行躲避障礙物處理，反之，若檢測到在無人機(jī)機(jī)頭逆時針方向有障礙物則向順時針進(jìn)行躲避障礙物處理。躲避障礙物后重新回歸初始設(shè)定軌跡繼續(xù)飛行，并不斷重復(fù)上述操作，直至無人機(jī)按照規(guī)定軌跡飛到最終目標(biāo)點(diǎn)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

無人機(jī)躲避障礙物上位機(jī)顯示軌跡如圖3 所示。A 點(diǎn)為無人機(jī)起飛點(diǎn)，B 點(diǎn)為無人機(jī)降落點(diǎn)。A、B 之間有兩個障礙物，多旋翼無人機(jī)探測到障礙物并到達(dá)指定避障距離時，開始懸停做轉(zhuǎn)頭動作，然后按照上述避障策略執(zhí)行避障，軌跡如圖3 所示。可清楚地看見無人機(jī)在遇到第一個障礙物時向空曠的非障礙物側(cè)避障，第二個障礙物同樣如此。在繞過障礙物后，無人機(jī)繼續(xù)按照規(guī)定軌跡飛行，直至到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。毫米波雷達(dá)探測距離如圖4 所示，無人機(jī)起飛時第一個障礙物距飛機(jī)大概在36m，無人機(jī)沿規(guī)劃軌跡飛行，距障礙物距離越來越近，當(dāng)距離小于8m 時停止飛行，執(zhí)行避障，成功避障后回到初始設(shè)定軌跡，此時第二個障礙物距飛機(jī)大概30m，屬于飛機(jī)安全飛行距離，無人機(jī)正常飛行，直至距第二個障礙物8m 時，執(zhí)行避障，成功避障后回到原軌跡，繼續(xù)飛行直至完成飛行任務(wù)。

圖3 無人機(jī)躲避障礙物上位機(jī)顯示軌跡

5 結(jié)語

本文以多旋翼無人機(jī)為例，提供了一種基于毫米波雷達(dá)的多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)研究方法，首先概述了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，然后研究了避障傳感器毫米波雷達(dá)的工作原理及連接方式以及軟件設(shè)計方案和避障策略，最后給出本設(shè)計的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本方案已通過大量實(shí)驗(yàn)，對于多旋翼無人機(jī)避障研究具有重要意義，在無人機(jī)避障市場上具有很大的應(yīng)用前景。