張雄

中國人民解放軍77115部隊(duì)

近程無人機(jī)在山區(qū)飛行，航線規(guī)劃或改變飛行路徑時(shí)也許存在失誤，導(dǎo)致飛行中可能發(fā)生安全事故，例如碰撞山體等障礙。本文通過分析和比較無人機(jī)常用避障技術(shù)，提出近程無人機(jī)采用激光雷達(dá)探測障礙物的方法，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算、識別和輸出避障信號，向飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，飛控計(jì)算機(jī)輸出控制信號或人工操控?zé)o人機(jī)改變航線，機(jī)動飛行避開障礙物，實(shí)現(xiàn)山區(qū)飛行避障。

無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位越來越重要，在偵察、監(jiān)視、機(jī)動攻擊、火力校射、電子對抗等作戰(zhàn)任務(wù)中，顯示出極大優(yōu)越性。近程無人機(jī)作為各國主要戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)裝備，在山谷低空飛行時(shí)能很好避開敵方雷達(dá)探測，提高戰(zhàn)場生存能力。但是，近程無人機(jī)在復(fù)雜山地環(huán)境和低空飛行時(shí)，對操控人員提出了更高要求，既要考慮無線電通視條件，又要防止與山體等障礙物發(fā)生碰撞，技術(shù)準(zhǔn)備更加復(fù)雜，要投入較多精力仔細(xì)校對航線高度與地形高程有無交叉。如果需要人員臨機(jī)操控?zé)o人機(jī)飛行，改變?nèi)蝿?wù)地域和航程點(diǎn)時(shí)，準(zhǔn)備時(shí)間緊張，指定航程點(diǎn)可能不盡合理，無人機(jī)有可能與山體、障礙等相撞，飛行存在極大安全隱患。在山地環(huán)境組織近程無人機(jī)飛行，主動預(yù)警避障顯得尤為必要。

主要無人機(jī)避障技術(shù)

無人機(jī)在空中飛行時(shí)，通過傳感器收集飛行器周邊環(huán)境信息，測量安全距離內(nèi)的障礙物距離，通過計(jì)算、處理、發(fā)出預(yù)警信息、規(guī)劃航線或者做出機(jī)動飛行，從而達(dá)到避礙目的。小型消費(fèi)級多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)應(yīng)用已走在前列，部分產(chǎn)品已能初步滿足普通用戶需求，在很大程度上能減少因操控失誤造成的墜機(jī)事故，以及無人機(jī)墜毀對人和建筑物造成的危害。但是，近程無人機(jī)外形尺寸和最大起飛重量，均超過小型多旋翼無人機(jī)多個(gè)數(shù)量級，且飛行速度快、航程遠(yuǎn)，現(xiàn)有小型多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)無法滿足近程無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境的飛行需求。

障礙物距離探測和預(yù)警避障算法是避障技術(shù)的核心，常見的測距方法有超聲波探測、紅外探測、激光探測以及視覺探測等。

超聲波測距

利用聲波遇到障礙物會反射的原理，根據(jù)聲波收發(fā)時(shí)間差和速度，計(jì)算出障礙物距離。

紅外測距

利用紅外線在物體上的漫反射原理，不同距離的障礙物反射的角度不同，通過三角測量計(jì)算，測出物體距離。

激光測距

利用收發(fā)光線的時(shí)差、相位、速度計(jì)算目標(biāo)距離。

視覺測距

猶如人類的雙眼，用兩個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，根據(jù)兩幅圖像的景深視差，利用復(fù)雜算法模型計(jì)算出物體距離。

幾種測距方法適用于不同應(yīng)用場境，各有優(yōu)劣。超聲波探測距離太近、容易被吸收，紅外線易受外界環(huán)境干擾，視覺測距系統(tǒng)復(fù)雜、在夜間和受天氣影響大，這三種測距方法不適用于近程無人機(jī)。激光測距技術(shù)成熟，探測分辨率高、速度快、距離遠(yuǎn)，設(shè)備重量輕、體積小，適合應(yīng)用于近程無人機(jī)測距避障。

以某無人機(jī)激光雷達(dá)（Lidar）正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例，按點(diǎn)密度3～10個(gè)點(diǎn)/平方米進(jìn)行采集，點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到正射影像，圖2所示為正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)影像，能精確呈現(xiàn)高度數(shù)據(jù)。同理，將機(jī)載激光雷達(dá)向正前方掃描，可獲取無人機(jī)飛行前方的障礙物距離點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如果障礙物方向和高度在飛行航線上，則無人機(jī)需執(zhí)行避障策略，自動判定障礙物，并改變飛行航向、俯仰姿態(tài)進(jìn)行避障。

圖1 消費(fèi)級多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)已基本能滿足用戶需求。

圖2 正射點(diǎn)云數(shù)據(jù)影像。

近程無人機(jī)避障措施

在無人機(jī)機(jī)頭安裝可旋轉(zhuǎn)掃描的面陣激光雷達(dá)，飛行中不間斷掃描前方180°范圍內(nèi)的障礙物，生成障礙目標(biāo)點(diǎn)云，每個(gè)點(diǎn)含有三維坐標(biāo)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算，與設(shè)定安全距離閾值比對后，向飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出避障信號，飛控計(jì)算機(jī)發(fā)指令給相應(yīng)舵面，控制無人機(jī)改變航向、俯仰姿態(tài)做出避障動作，達(dá)到避障目的。圖3為近程無人機(jī)避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 近程無人機(jī)避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

近程無人機(jī)避障算法設(shè)計(jì)

參考部分近程無人機(jī)技術(shù)指標(biāo)，以平均巡航速度160km/h、轉(zhuǎn)彎半徑500m進(jìn)行建模分析。設(shè)定有障礙物K1，無人機(jī)與前方障礙物距離SK＞2000m、與左右障礙物距離DK＞100m為安全距離，2000～1000m為預(yù)警距離，1000～500m為避障執(zhí)行距離，＜500m為危險(xiǎn)距離。無人機(jī)沿X軸方向飛行，障礙物K與航向夾角為α，圖4所示為無人機(jī)飛行模型圖。

圖4 無人機(jī)飛行模型圖。

激光雷達(dá)不間斷掃描航向X軸方向180°范圍內(nèi)的障礙目標(biāo)，獲取障礙物距離點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理設(shè)備讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，過濾掉因折射、云層等產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)，提取航向XY平面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，將獲取當(dāng)前航向和高度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)判定為障礙物。設(shè)無人機(jī)距前方障礙物距離為SK，無人機(jī)左側(cè)90°范圍內(nèi)障礙物距離點(diǎn)云數(shù)據(jù)為L1,L2…Ln, 右側(cè)90°范圍障礙物距離點(diǎn)云數(shù)據(jù)為R1,R2…Rn,圖5為無人機(jī)障礙探測模型圖。

圖5 無人機(jī)障礙探測模型圖。

(1) 當(dāng)SK＞2000m，且DK≥100m時(shí)， 無人機(jī)按設(shè)定航線飛行。

(2)當(dāng)1000＜SK＜2000m，且DK≥100m時(shí)，1000m的時(shí)間間隔t=1000÷(160×1000÷3600)=22.5s ⑦

數(shù)據(jù)處理設(shè)備向飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出預(yù)警信息，預(yù)警信息通過數(shù)據(jù)鏈路回傳至地面控制站，在飛行控制界面以圖文或聲音信息發(fā)出障礙預(yù)警提示，飛行操控手在t時(shí)間內(nèi)，可以對當(dāng)前飛行狀態(tài)、航線、高程和地形圖進(jìn)行檢查比對，制定應(yīng)對策略，如降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速減緩飛行速度、改變航向，發(fā)出爬升、盤旋等指令進(jìn)行人工干預(yù)，避開障礙物。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路中斷時(shí)，探測到前方有障礙物影響飛行，飛控系統(tǒng)執(zhí)行無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)定的現(xiàn)行普遍應(yīng)用的鏈路中斷策略，當(dāng)無人機(jī)爬升至預(yù)設(shè)安全高度后，按照預(yù)設(shè)航線進(jìn)行返航自動處置，避障系統(tǒng)進(jìn)行輔助引導(dǎo)返航。

（3）如果錯(cuò)過人工操控時(shí)間，當(dāng)SK＜1000m，或者DK＜100m時(shí)，進(jìn)入避障執(zhí)行程序，如果不采取措施，無人機(jī)將會在10s左右與障礙物碰撞，發(fā)生事故。

無人機(jī)距左右側(cè)障礙物距離差值D=L-R

當(dāng)D＞0或DK＜100m時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出向左盤旋2°“航向調(diào)”指令，根據(jù)不同機(jī)型試驗(yàn)后可選取合理數(shù)據(jù)，保持當(dāng)前航向后，沒有探測到危險(xiǎn)障礙物，按當(dāng)前航向飛行。

當(dāng)D＜0或DK＜100m時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出向右盤旋2°“航向調(diào)”指令，保持當(dāng)前航向后，沒有探測到危險(xiǎn)障礙物，按當(dāng)前航向飛行。

循環(huán)執(zhí)行第（3）步，可改變無人機(jī)飛行航向避開障礙物。

使無人機(jī)處于兩側(cè)山體中心線或避開障礙物飛行，是最理想狀態(tài)。但是，由于無人機(jī)與兩側(cè)山體的距離不斷在變化，從而導(dǎo)致無人機(jī)飛行時(shí)不斷尋找兩側(cè)障礙物中心線位置，造成無人機(jī)頻繁調(diào)整姿態(tài)和航線，導(dǎo)致飛行不夠平穩(wěn)。通過設(shè)定一定的距離余度差值范圍，過濾掉一些細(xì)小距離數(shù)據(jù)變化，減少無人機(jī)不必要的機(jī)動。

當(dāng)D＞0時(shí)，假如設(shè)定距離余度差值在0～0.1R之間不執(zhí)行動作，差值大于0.1R時(shí)執(zhí)行避障，當(dāng)L-R＞0.1R ,則L＞1.1R，數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出向左盤旋2°“航向調(diào)”指令；同樣D＜0時(shí)，則R＞1.1 L，數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出向右盤旋2°“航向調(diào)”指令。不斷檢測障礙距離調(diào)整航線，直至調(diào)整到安全狀態(tài)后，無人機(jī)沿預(yù)設(shè)航線經(jīng)下一航程點(diǎn)飛行至任務(wù)區(qū)。建模數(shù)據(jù)可根據(jù)不同機(jī)型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理調(diào)整匹配。

（4）當(dāng)前述條件都不滿足，避障措施均未被執(zhí)行或者執(zhí)行后安全距離內(nèi)仍有障礙物，且距離障礙物越來越近，無人機(jī)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，當(dāng)S＜500m時(shí)，應(yīng)立即發(fā)出“盤旋爬升”指令，無人機(jī)爬升至預(yù)先設(shè)定的門限值安全高度，待脫離危險(xiǎn)時(shí)改為沿預(yù)設(shè)航線飛行。圖6為算法邏輯框圖。

圖6 數(shù)據(jù)處理模塊算法邏輯框圖。

仿真模擬驗(yàn)證

構(gòu)建任意連續(xù)山體邊、在山谷之間預(yù)設(shè)任意航線進(jìn)行模擬，根據(jù)柵格法計(jì)算出山谷中心線，如表1所示。假如預(yù)設(shè)航線出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，在A點(diǎn)高度低于地圖上山體高程，若按預(yù)設(shè)航線飛行將會發(fā)生撞山事故。采用近程無人機(jī)避障技術(shù)，根據(jù)前述模型算法計(jì)算，求出校正航跡。無人機(jī)根據(jù)校正數(shù)據(jù)調(diào)整姿態(tài)改變航線，飛行路徑為校正航線，成功在A點(diǎn)避開與山體碰撞，圖7為仿真模擬驗(yàn)證過程示意圖。

圖7 仿真模擬驗(yàn)證過程示意圖。

表1 仿真計(jì)算數(shù)據(jù)表。

在近程無人機(jī)安裝激光雷達(dá)和數(shù)據(jù)處理模塊等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在山區(qū)飛行的避障，通過分析和仿真計(jì)算，該避障技術(shù)具備一定可行性，但離實(shí)際運(yùn)用還有較大差距，需進(jìn)行系列試驗(yàn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證，而且單一技術(shù)也有很大局限性，需要多種技術(shù)手段相互補(bǔ)充才能達(dá)到更好的避障效果，為近程無人機(jī)安全飛行提供更全面的保障?！?/p>