曾干敏 唐文琦 明蕊

摘 要：無人機(jī)在物流、巡航、航拍等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)的無人機(jī)仍然是由人進(jìn)行手動控制，但是考慮到人力成本和無人機(jī)數(shù)量增大等問題，無人機(jī)的自主飛行成為了當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。在無人機(jī)的自主飛行技術(shù)中，避障技術(shù)又是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)。無人機(jī)避障技術(shù)涉及障礙物識別和路線規(guī)劃，障礙識別通常采用傳感器實(shí)現(xiàn)，而路線規(guī)劃則通過決策算法實(shí)現(xiàn)。本文闡述了基于激光雷達(dá)、超聲波、單目色攝像頭的避障系統(tǒng)，簡要說明了各個系統(tǒng)信息采集的原理和避障功能的實(shí)現(xiàn)。在無人機(jī)飛行高度較高的情況下，可以采用地圖導(dǎo)航避障，這種方案可以極大地節(jié)省電池消耗。在實(shí)際應(yīng)用，無人機(jī)的避障系統(tǒng)會采用多個傳感器。

關(guān)鍵詞：避障系統(tǒng)；傳感器；地圖導(dǎo)航

1 激光雷達(dá)避障系統(tǒng)

激光雷達(dá)向四周發(fā)射激光束，激光束遇到障礙物后被反射，雷達(dá)的接受系統(tǒng)接收反射回來的信號，通過信號處理系統(tǒng)的分析后得到與障礙物的距離、方位以及相對速度的信息。激光雷達(dá)通過對四周環(huán)境的快速掃描測量，可以建立起完整的環(huán)境模型。開源激光雷達(dá) SLAM 算法有使用了RBP和 Hector算法，[1]可以構(gòu)建出精確的三維地圖。

在實(shí)際的應(yīng)用中，無人機(jī)的避障系統(tǒng)根據(jù)構(gòu)建后的環(huán)境地圖，對比自身的GPS位置和四周障礙物的信息，調(diào)整自身的飛行速度和方向，尋找可行的路徑，選擇合適的路徑規(guī)避障礙物。在成功規(guī)避障礙物后，再次構(gòu)建環(huán)境三維地圖，并進(jìn)行替換，然后再次調(diào)整飛行狀態(tài)進(jìn)行避障飛行。重復(fù)操作，直到無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置。激光雷達(dá)精度高、靈敏度好，配合較好的算法可以構(gòu)建出高精度的三維地圖模型，同時它的體積和重量都很輕，因此激光雷達(dá)特別適合搭載在小型的旋翼無人機(jī)上。

2 超聲波避障系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的信息采集

聲波是一種可以在氣體、液體或者固體中傳播的機(jī)械波。一般根據(jù)聲波振動頻率不同，可以將超聲波分為次聲波、聲波、超聲波。超聲波一般具有以下的特點(diǎn)：（1）頻率高，波長短，像光線一樣沿著一定方向傳播，其傳播能量較為集中；（2）幅很小，加速度非常大，因而可以產(chǎn)生較大的力量。（3）穿過兩種不同的介質(zhì)時，大部分能量會被反射回來。超聲波的傳播速度一般受傳播介質(zhì)密度、彈性和實(shí)時環(huán)境條件等特性的影響。當(dāng)采用時間差進(jìn)行測距，碰到障礙物時聲波立即進(jìn)行被反射，當(dāng)超聲波接收器接收到反射波時立即停止計(jì)時，根據(jù)開始到結(jié)束的時間差計(jì)算距離。多次采集同一個目標(biāo)物的發(fā)射信息，可以計(jì)算出目標(biāo)物的方位和速度等信息。

2.2 避障系統(tǒng)

人工勢場算法是一種虛擬力法。人工勢場算法多用于機(jī)器人避障，其原理是通過模擬引力和斥力對運(yùn)動的物體進(jìn)行牽引，威脅物作為斥力場源產(chǎn)生斥力，目標(biāo)點(diǎn)作為引力場源產(chǎn)生引力，通過計(jì)算運(yùn)動物體每一位置的合力來計(jì)算下一個運(yùn)動點(diǎn)的坐標(biāo)。[2]將障礙物作為斥力場，有效的通道作為引力場，無人機(jī)作為目標(biāo)物，以此建立人工勢場模型。通過對各個參數(shù)進(jìn)行合理的復(fù)制，通過計(jì)算目標(biāo)物的合力，可以得到當(dāng)前較優(yōu)的避障路徑。每完成一次避障飛行操作便要根據(jù)傳感器采集的信息，更新模型中的斥力場和引力場，再次求解模型得到規(guī)避路徑。超聲波傳感器成本較低，靈敏度和精度相對于激光雷達(dá)較差。

3 視覺避障系統(tǒng)

3.1 圖像信息采集

通過相機(jī)獲得當(dāng)前幀的景深圖像，通過對景深圖像的分層和分割，獲得障礙物的方向和距離信息，以此達(dá)到感知障礙物的目的。在感知到障礙物的空間相對位置后，無人機(jī)需要對任務(wù)路徑進(jìn)行重新規(guī)劃，圖像采集和處理設(shè)備體積小，非常適合無人機(jī)在任務(wù)中攜帶。傳統(tǒng)的視覺識別是通過特征提取方法來處理圖像信息。在無人機(jī)避障系統(tǒng)，只需要得到障礙物的相對位置和速度等信息，無需得到障礙物的詳細(xì)特征。

3.2 避障系統(tǒng)

基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的四旋翼無人機(jī)避障方法，通過訓(xùn)練集對模型進(jìn)行訓(xùn)練，使能夠辨認(rèn)出一定數(shù)量的障礙物，并能識別前方障礙的類型，即具有障礙物分類的功能。通過機(jī)載協(xié)同計(jì)算機(jī)將目標(biāo)障礙物識別并框選出來，得到目標(biāo)障礙物在圖像中的位置，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)障礙物的圖上尺寸，再利用相似三角形原理估量出目標(biāo)障礙物到無人機(jī)之間的間隔，再由機(jī)載協(xié)同計(jì)算機(jī)判斷是否執(zhí)行避障動作。

4 無人機(jī)地圖導(dǎo)航

對于大型或飛行高度較高的無人機(jī)，其航行上障礙物較少或只有高樓。在這種情況下，如果沿用上述傳感器避障的方法，將會消耗大量無用的能量。比如在用激光雷達(dá)避障時，長時間得開啟雷達(dá)系統(tǒng)將會消耗無人機(jī)大量的電力，這大大縮減了無人機(jī)的航程。在這種情況下，地圖導(dǎo)航將會是一個很好的選擇?？紤]到減少無人機(jī)的電力消耗，我們可以采用客戶——服務(wù)器的方式來搭建這個導(dǎo)航系統(tǒng)，無人機(jī)作為客戶端，遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器為其提供服務(wù)?？蛻舳撕头?wù)器端可以通過4G網(wǎng)絡(luò)來傳遞信息。

在無人機(jī)主板上搭建linux系統(tǒng)，為其插上4G網(wǎng)卡，配置相應(yīng)文件使其可以連接互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。分別在無人機(jī)和遠(yuǎn)程服務(wù)器上運(yùn)行客戶端和服務(wù)器程序，配置必要的IP信息和端口信息，保證兩者之間的正常通信。無人機(jī)實(shí)時得向服務(wù)器發(fā)送自己的位置信息已經(jīng)飛行狀態(tài)，同時實(shí)時接收服務(wù)器對其給出的指令信息，調(diào)整自身的飛行狀態(tài)。在服務(wù)器是上調(diào)用高德地圖接口，根據(jù)無人機(jī)的位置信息，運(yùn)行相應(yīng)的路徑?jīng)Q策程序。決策程序根據(jù)無人機(jī)的位置和該位置的障礙物信息，對無人機(jī)的飛行路徑和飛行狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃，并將處理的結(jié)果信息發(fā)送給無人機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬富華.基于多傳感器的無人機(jī)定位和避障技術(shù)研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]毛晨悅，吳鵬勇.基于人工勢場法的無人機(jī)路徑規(guī)劃避障算法[J].電子科技，2018（31）.