無人機(jī)感知避障技術(shù)研究進(jìn)展

陳陽明，何劍鐘

航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，低空飛行的無人機(jī)日益增多，其安全性變得更加嚴(yán)峻，無人機(jī)的感知避障技術(shù)隨之成為全球無人機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文介紹了感知避障技術(shù)的原理，歸納了常用的感知避障方法，并簡要闡述了無人機(jī)感知避障技術(shù)的研究進(jìn)展，對未來無人機(jī)感知避障技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

無人機(jī)是利用遙控或自動(dòng)駕駛程序控制的飛行器，能在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和各種負(fù)載任務(wù)，可以被看作是“空中機(jī)器人”。進(jìn)入新世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)著無人機(jī)技術(shù)的井噴式發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)在當(dāng)今社會(huì)的各行各業(yè)展現(xiàn)出自身的應(yīng)用潛力。越來越多的無人機(jī)進(jìn)入低空區(qū)域工作，開展災(zāi)害搜求、偵察航拍、城市測繪保障、電力輸電線巡檢、低空貨運(yùn)等任務(wù)。由于低空區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，存在著多種不確定因素。因此，如何保證無人機(jī)在飛行過程躲避障礙物，這已經(jīng)成為無人機(jī)在低空環(huán)境下安全飛行的關(guān)鍵。

早期的無人機(jī)主要集中應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，由于高空環(huán)境相對穩(wěn)定，軍用無人機(jī)在高空飛行時(shí)很少碰到障礙物。而隨著低空區(qū)域的放開，無人機(jī)在低空飛行時(shí)，由于低空區(qū)域存在高樓、電線桿、樹木等不確定性的障礙物，現(xiàn)有的避障方法難以有效應(yīng)對低空狀態(tài)的避障。

其主要原因在于：現(xiàn)有的感知避障技術(shù)主要是面向中高空穩(wěn)定環(huán)境的防碰撞控制算法，側(cè)重于應(yīng)對事先預(yù)料到的簡單避障情形。但低空環(huán)境威脅多、障礙物復(fù)雜多樣，難以事先預(yù)知障礙物的形狀、大小等，使得現(xiàn)有感知避障技術(shù)很難保證無人機(jī)在低空環(huán)境下的安全飛行。為此，通過參考昆蟲、鳥類等在復(fù)雜障礙環(huán)境中規(guī)避碰撞的能力，結(jié)合智能感知、無人機(jī)控制的相關(guān)知識(shí)，研究了一系列的低空無人機(jī)感知避障控制方法。

感知避障技術(shù)的簡介

感知避障系統(tǒng)是無人機(jī)順利完成飛行任務(wù)的重要安全保障，很大程度上反映了無人機(jī)的智能化水平。對于自動(dòng)避障系統(tǒng)，它需具備準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)應(yīng)激性，在無人機(jī)的飛行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控外部環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙物，根據(jù)障礙物信息實(shí)時(shí)規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自動(dòng)避障功能。

圖1 無人機(jī)避開障礙物后再回到原先設(shè)定的航線。

感知避障技術(shù)的原理

對于無人機(jī)的感知避障技術(shù)，其主要原理：在無人機(jī)上掛裝各類探測傳感器（如雷達(dá)、紅外、超聲波測距儀等），通過傳感器實(shí)時(shí)獲取環(huán)境中的障礙物信息，并結(jié)合當(dāng)前無人機(jī)本身的飛行狀態(tài)信息（姿態(tài)，速度，位置等），然后對這兩類信息進(jìn)行有效的處理判斷，根據(jù)處理的結(jié)果對無人機(jī)進(jìn)行航跡規(guī)劃，使得無人機(jī)在飛行中避開障礙物，最后當(dāng)無人機(jī)避開障礙物后再控制其回到原先設(shè)定的航線中，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)任務(wù)。具體原理如圖2所示。

圖2 無人機(jī)感知避障技術(shù)原理。

除此之外，由于無人機(jī)通常具有較大的飛行速度，可能存在無人機(jī)已經(jīng)感知到了障礙物，但卻來不及做出反應(yīng)，導(dǎo)致無人機(jī)避障失敗。所以，無人機(jī)不僅應(yīng)具備在近距離有識(shí)別障礙物的功能，還應(yīng)具備對遠(yuǎn)距離障礙物的預(yù)警功能。

為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在低空區(qū)域飛行時(shí)對環(huán)境中的障礙物具備預(yù)警、識(shí)別乃至主動(dòng)避開障礙物的功能，主要有以下技術(shù)難點(diǎn)需要得到解決：第一，無人機(jī)自主避障系統(tǒng)對低空環(huán)境中障礙物的有效識(shí)別和預(yù)警，即通過避障系統(tǒng)上安裝的傳感器能準(zhǔn)確及時(shí)地獲取障礙物的相關(guān)信息（空間位置、尺寸等）；第二，無人機(jī)如何能夠根據(jù)實(shí)時(shí)獲取到的障礙物信息，合理地對自身進(jìn)行航跡規(guī)劃，高效快速的規(guī)避障礙物。

感知避障技術(shù)的分類

常見的無人機(jī)感知避障技術(shù)可分為主動(dòng)式避障、被動(dòng)式避障和復(fù)合式避障。

通過機(jī)載傳感器主動(dòng)向外界發(fā)射信號(hào)，接收障礙物反射的信號(hào)來完成對外部環(huán)境的感知，這種避障方式稱為主動(dòng)式避障。常見的主動(dòng)式避障系統(tǒng)有基于超聲波、紅外、激光、雷達(dá)等傳感器進(jìn)行環(huán)境感知的系統(tǒng)。

而機(jī)體不主動(dòng)向外界發(fā)送信號(hào)，通過傳感器直接采集環(huán)境中光、熱、紅外等信息來完成對外部環(huán)境的感知，這種方式稱為被動(dòng)式避障系統(tǒng)，基于視覺的避障系統(tǒng)就是典型的被動(dòng)式避障系統(tǒng)。

復(fù)合型避障系統(tǒng)集成了主動(dòng)式與被動(dòng)式避障手段，將主動(dòng)式避障方法與被動(dòng)式避障方法相結(jié)合。相對于使用單一傳感器的避障系統(tǒng)，復(fù)合式避障系統(tǒng)更加復(fù)雜，采集到的信息比較多，需要我們對不同傳感器采集到的障礙信息進(jìn)行篩選識(shí)別、信息融合等。下面根據(jù)避障原理的不同，簡單介紹一下幾種不同的無人機(jī)感知避障技術(shù)。

（1）超聲波測距

圖3 無人機(jī)利用各種傳感器感知外界環(huán)境。

超聲波測距是一種被廣泛應(yīng)用的距離感知方法。其原理是通過發(fā)射波與被物體反射的回波之間的時(shí)間差來計(jì)算出目標(biāo)與無人機(jī)的距離?；诔暡ㄌ綔y系統(tǒng)的信號(hào)處理簡單，實(shí)時(shí)性高，成本低，穿透性好。但由于超聲波在介質(zhì)中傳播會(huì)衰減，且如果障礙物表面吸收超聲波的能力強(qiáng)，則會(huì)影響測距精度進(jìn)而對避障系統(tǒng)造成很大的影響；此外，超聲波模塊的抗震能力較差，如果無人機(jī)上沒有減震模塊的話，會(huì)嚴(yán)重影響其測距精度從而影響避障效果。因此超聲波只適用于低成本、短距離的小型無人機(jī)避障情形。

（2）紅外測距

紅外測距的原理與超聲波類似，通過發(fā)射波與接收波的時(shí)間差測量目標(biāo)的距離，不過其發(fā)射的為紅外光線。紅外測距的技術(shù)比較成熟、成本較低、精度較高，但是其測距范圍小，在雨霧、強(qiáng)光的環(huán)境下測距效果會(huì)大大折扣，故在無人機(jī)上的應(yīng)用比較少。目前，有植保無人機(jī)為了滿足夜間作業(yè)的需要搭載了紅外避障系統(tǒng)，在夜間作業(yè)時(shí)接收外界反射的紅外光線，從而達(dá)到夜間成像的目的，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在夜間避障的功能。

（3）雷達(dá)探測

雷達(dá)測距也是一種常規(guī)的測距方式。較超聲波測距與紅外測距而言，雷達(dá)測距方法的優(yōu)勢在于能夠更高精度的獲得障礙物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與位置信息，適用于雨、雪、霧等復(fù)雜的全天候環(huán)境。但雷達(dá)的重量偏大，成本也較高，不適用于小型無人機(jī)，但可將其作為大型無人機(jī)、無人直升機(jī)避障系統(tǒng)的主要傳感器。

（4）結(jié)構(gòu)光探測

結(jié)構(gòu)光（Structured Light）探測是以光學(xué)手段為主要技術(shù)支撐的主動(dòng)式測繪技術(shù)。基本原理為由結(jié)構(gòu)光投射器向近距離場景投射可控制光點(diǎn)、光條或光面結(jié)構(gòu)，并由圖像傳感器捕獲經(jīng)過場景調(diào)制的圖像，通過光學(xué)測量系統(tǒng)的幾何關(guān)系與經(jīng)典的三角測量原理還原出場景的三維信息，進(jìn)而判斷無人機(jī)的周圍是否有障礙物，實(shí)現(xiàn)對障礙物的探測。但光波容易受到城市樓宇光、太陽光、強(qiáng)光燈等的干擾。

（5）視覺感知

圖4 預(yù)先規(guī)劃無人機(jī)的航線。

視覺感知是利用攝像頭作為傳感器獲取場景中的圖像信息，利用圖像分析、識(shí)別、跟蹤等處理算法獲取障礙物的詳細(xì)信息，為無人機(jī)提供避障依據(jù)。目前基于視覺的障礙物檢測方法主要有基于目標(biāo)特征的檢測方法、基于光流法的檢測方法和基于立體視覺的檢測方法。相較于主動(dòng)式避障方案，視覺避障系統(tǒng)不受電磁干擾影響，能夠更加準(zhǔn)確的獲取障礙物信息，但也存在信息處理復(fù)雜、實(shí)時(shí)性不高、易受光照影響等缺點(diǎn)。

無人機(jī)感知避障技術(shù)的研究現(xiàn)狀

無人機(jī)感知避障技術(shù)的研究是近年來國內(nèi)外關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。對于無人機(jī)的感知避障技術(shù)，主要包括感知與規(guī)避兩個(gè)方面。感知研究的是如何保證無人機(jī)及時(shí)準(zhǔn)確地獲取可能存在的碰撞威脅，規(guī)避研究的是如何控制無人機(jī)躲避可能發(fā)生的碰撞。

國外研究情況

國外在無人機(jī)本身以及無人機(jī)的避障方法領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，所掌握的技術(shù)水平也較高。

舍雷爾（Scherer）使用激光測距儀作為導(dǎo)航系統(tǒng)核心模塊，實(shí)現(xiàn)了對低空環(huán)境障礙物的檢測。

美國因特爾公司（Intel）的團(tuán)隊(duì)借助360°全景4K視覺傳感器和感應(yīng)球開發(fā)的避障系統(tǒng)，能讓無人機(jī)在跟蹤人行走的同時(shí)避開環(huán)境中的障礙物。

阿利斯塔·摩西（Allistair Moses）等人研究了小型旋翼機(jī)（直徑710mm）的避障技術(shù)，開發(fā)了安裝有X波段雷達(dá)的體積小、重量輕的旋翼無人機(jī)感知避障系統(tǒng)。并做了進(jìn)一步研究，證明雷達(dá)能夠用于更大型無人直升機(jī)的感知避障。

瓦塔納貝（Watanabe）提出了一種基于單目視覺的無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）對障礙物的相對位置進(jìn)行估計(jì)。

拉姆·普拉薩德·帕迪（Ram Prasad Padhy）等人提出了一個(gè)無人機(jī)自主導(dǎo)航和防撞模型，基于單目視覺實(shí)現(xiàn)了無人在室內(nèi)走廊的半自主飛行。

扎弗里（Zufferey）等人采用了機(jī)器視覺中經(jīng)典的光流法對相機(jī)視場范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行感知，驗(yàn)證了基于視覺傳感導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性。

卡里洛·L·R·G（Carrillo LRG）等人結(jié)合視覺和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，研究了一套基于視覺和慣性導(dǎo)航的能夠在未知環(huán)境下自主起飛、定位、導(dǎo)航和著陸的無人機(jī)系統(tǒng)。

麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)了一套多傳感器融合的導(dǎo)航系統(tǒng)方案，包括激光測距儀、雙目立體視覺系統(tǒng)、IMU。該導(dǎo)航系統(tǒng)幫助四旋翼無人機(jī)在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主飛行定位與避險(xiǎn)避障。

斯特凡尼克（Stefanik）設(shè)計(jì)了一種以立體視覺系統(tǒng)為主，結(jié)合 IMU、GPS的傳感系統(tǒng)，可近似實(shí)時(shí)的生成三維地形圖，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主避障。

國內(nèi)研究情況

國內(nèi)關(guān)于無人機(jī)自主避障方面的研究雖然起步較晚，但是在無人機(jī)自主避障方面已經(jīng)有大量的研究工作。

劉俍等人將毫米波雷達(dá)安裝在無人直升機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對高壓線的探測分辨，提升了無人直升機(jī)在低空飛行的安全性。

廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院王柯等發(fā)明了一種無人機(jī)避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)可裝在小型無人機(jī)上，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的避障。

余小歡等人針對微型無人機(jī)在室內(nèi)飛行的場景，利用雙目視覺的方法構(gòu)建出三維地圖，用于指引無人機(jī)的飛行。

張午陽等人研究了基于深度學(xué)習(xí)的無人機(jī)單目視覺避障方法，該方法可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)低速條件下的避障。

西安電子科技大學(xué)的陳洪攀研究了基于毫米波雷達(dá)與單目視覺融合的無人機(jī)自主避障系統(tǒng)，通過自主避障飛行實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

電子科技大學(xué)的任耀庭基于超聲波和圖像信息融合的方法，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)的高精度避障功能。

北京理工大學(xué)的何守印研究了融合了雙目CCD、2D激光雷達(dá)、超聲雷達(dá)、機(jī)載IMU和GPS等多種感知探測、定位導(dǎo)航傳感器的四旋翼避障無人機(jī)，能夠滿足室內(nèi)室外、城市野外等不同尺度環(huán)境空間的無人機(jī)自主避障飛行要求，為智能化無人機(jī)在軍事領(lǐng)域的反恐、巷戰(zhàn)、戰(zhàn)場情報(bào)探測、以及民用領(lǐng)域的包裹投遞、電力巡檢、災(zāi)情巡視等提供了實(shí)用平臺(tái)。

無人機(jī)感知避障技術(shù)的發(fā)展趨勢

圖5 國內(nèi)外有關(guān)無人機(jī)感知避障的智能化、實(shí)時(shí)性是主流研究課題。

目前國內(nèi)外有關(guān)感知避障的無人機(jī)研究中，智能化、實(shí)時(shí)性是主流研究課題。但由于涉及的技術(shù)較多，對于性能優(yōu)良的智能感知避障無人機(jī)仍然處于探索階段。首先，對于未知、復(fù)雜三維環(huán)境下障礙物的感知能力較差，由于復(fù)雜環(huán)境下的障礙物數(shù)量多、三維分布復(fù)雜，現(xiàn)有的感知識(shí)別算法不能準(zhǔn)確識(shí)別出障礙物信息。其次，對于無人機(jī)感知到障礙物后避障路徑的規(guī)劃問題，現(xiàn)有的避障路徑規(guī)劃算法存在路徑規(guī)劃不平滑、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的最優(yōu)避障。因此，為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的精確感知避障功能，未來還需在以下關(guān)鍵技術(shù)上取得不斷改進(jìn)和重大突破。

復(fù)雜環(huán)境下障礙物的精確識(shí)別算法

對于如何實(shí)現(xiàn)無人機(jī)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的感知功能，特別是對于樹木、電線、鳥類、其他飛行器等狀態(tài)復(fù)雜的不可控障礙物。后續(xù)研究的環(huán)境感知算法能夠準(zhǔn)確的對三維環(huán)境中障礙物的感知，環(huán)境模型構(gòu)造算法能夠根據(jù)采集到的障礙物信息進(jìn)行三維環(huán)境重構(gòu)，準(zhǔn)確獲取環(huán)境中的障礙物形狀、大小、空間分布等信息，為避障路徑規(guī)劃提供輸入。此外，對于運(yùn)動(dòng)中的障礙物，在三維環(huán)境重構(gòu)時(shí)還需預(yù)測出障礙物的運(yùn)動(dòng)軌跡，防止無人機(jī)在規(guī)避過程中與運(yùn)動(dòng)的障礙物發(fā)生碰撞。

高效最優(yōu)的避障路徑規(guī)劃算法

對于無人機(jī)如何實(shí)現(xiàn)高效最優(yōu)的避障功能，未來研究的路徑規(guī)劃算法需根據(jù)無人機(jī)感知到障礙物時(shí)自身的姿態(tài)信息（位置、速度、加速度等參數(shù)），考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，使無人機(jī)沿合力梯度方向調(diào)整其飛行航線，保證無人機(jī)能夠快速準(zhǔn)確的規(guī)避障礙物，并能及時(shí)返回原先飛行航線上繼續(xù)完成后續(xù)任務(wù)。

對于復(fù)雜環(huán)境還得實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的三維路徑規(guī)劃功能。當(dāng)環(huán)境中同時(shí)存在好幾個(gè)障礙物時(shí)，需根據(jù)各個(gè)障礙物在空間中的分布情況，通過三維避障路徑規(guī)劃算法，尋找障礙物之間的空隙作為無人機(jī)避障的航跡路線，并根據(jù)飛行約束條件，使得無人機(jī)的避障航跡路線更加圓滑，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的高效避障。

基于深度學(xué)習(xí)的無人機(jī)智能避障

近年來，人工智能、深度學(xué)習(xí)的技術(shù)迅速發(fā)展。深度學(xué)習(xí)技術(shù)目前主要應(yīng)用于機(jī)器人的識(shí)別、避障方面，對于無人機(jī)避障方面的應(yīng)用較少。后續(xù)可考慮將深度學(xué)習(xí)的技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)的感知避障，通過訓(xùn)練模型精確識(shí)別出不同種類的障礙物，通過深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)無人機(jī)良好的避障路徑規(guī)劃功能，提升無人機(jī)的避障性能。

應(yīng)用于軍用無人機(jī)低空作戰(zhàn)的避障技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在未來高科技戰(zhàn)爭中，軍事裝備越來越向智能化、無人化方向發(fā)展。軍用無人機(jī)——智能化、無人化武器裝備的主要代表之一，在未來的戰(zhàn)爭中必將發(fā)揮主導(dǎo)作用。但由于現(xiàn)如今對于軍用無人機(jī)在低空環(huán)境下的感知避障系統(tǒng)研究較少，導(dǎo)致軍用無人機(jī)在低空環(huán)境的作戰(zhàn)能力還有所欠缺。未來需針對軍用無人機(jī)平臺(tái)，研究適用于軍用無人機(jī)的感知避障系統(tǒng)，在保證軍用無人機(jī)一定飛行速度的條件下，使其具備自主感知與規(guī)避能力，避免在低空作戰(zhàn)過程與障礙物發(fā)生碰撞。

結(jié)束語

無人機(jī)的感知避障技術(shù)是支撐無人機(jī)進(jìn)入低空飛行的重要保障，也是現(xiàn)如今無人機(jī)研究課題的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。這是一門新興的多學(xué)科技術(shù)綜合方法，涉及到環(huán)境感知、多傳感器數(shù)據(jù)融合、環(huán)境構(gòu)建、無人機(jī)自主導(dǎo)航控制、路徑規(guī)劃、軌跡精確跟蹤等諸多技術(shù)，未來對于無人機(jī)的感知避障技術(shù)還需進(jìn)行更加深入的研究。■