施詩(shī) 陳凱婷

摘 要 多旋翼無(wú)人機(jī)的避障系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)安全飛行和工作的保障。本文從多旋翼無(wú)人機(jī)的避障需求、避障技術(shù)的種類等方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外重要研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，為今后的研究提供參考和建議，并對(duì)無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展做了展望。

關(guān)鍵詞 多旋翼無(wú)人機(jī);避障技術(shù)

中圖分類號(hào)： V279;V249? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

AbstractThe obstacle avoidance system of multi rotor UAV is the guarantee of UAV's safe flight and work. This paper systematically summarizes the important research results at home and abroad from the aspects of obstacle avoidance requirements and types of obstacle avoidance technology of multi rotor UAV，provides reference and suggestions for future research，and makes a prospect for the development of obstacle avoidance technology of UAV.

Key WordsMulti rotor UAV;Obstacle avoidance technology

0 引言 近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，多旋翼無(wú)人機(jī)由于可懸停、易操控、體積小、載重大等特性，在軍民用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。民用方面，旋翼無(wú)人機(jī)可以用于勘探、攝像、工程檢測(cè)、搶險(xiǎn)救援、貨物運(yùn)送、交通監(jiān)察等領(lǐng)域。軍用方面，旋翼無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)偵察、通訊、掛載武器、物資投遞等領(lǐng)域。隨著無(wú)人機(jī)承擔(dān)任務(wù)的日益多樣，在城市建筑和復(fù)雜地形低空飛行時(shí)，就要求無(wú)人機(jī)能避開(kāi)電線、樹(shù)木、建筑等障礙物，否則容易造成無(wú)人機(jī)損毀，砸傷地面人員，破壞其他設(shè)施等事故。由此可見(jiàn)，多旋翼無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展在工程實(shí)踐中有著重要的意義。

1 多旋翼無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀

現(xiàn)階段的避障方法通常采用傳感器感知得到周圍環(huán)境和無(wú)人機(jī)姿態(tài)位置信息，通過(guò)特定算法對(duì)信息進(jìn)行分析，然后及時(shí)反饋規(guī)劃無(wú)人機(jī)避障路線，最終實(shí)現(xiàn)避障功能。傳統(tǒng)的慣性定位裝置只能實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自身飛行姿態(tài)的控制，但是無(wú)法感知外部環(huán)境，并控制無(wú)人機(jī)主動(dòng)避障。21世紀(jì)初，SAGEM公司研發(fā)了一種避障技術(shù)，解決了無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間飛行遇到的避障問(wèn)題。隨著傳感器的小型化發(fā)展，研究人員提出了很多新的避障方案。目前主要的避障方案根據(jù)傳感器的不同可以分為：超聲波測(cè)距、基于可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光的激光測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距、被動(dòng)式的機(jī)器視覺(jué)測(cè)距等。

1.1 超聲波測(cè)距

該方法是通過(guò)計(jì)算發(fā)射到接受超聲波回聲的時(shí)間差來(lái)計(jì)算出障礙物的距離，并及時(shí)控制無(wú)人機(jī)飛行軌跡來(lái)規(guī)避障礙的方法。超聲波測(cè)距比其他測(cè)距裝置成本更低，質(zhì)量更輕，便于安裝在小型旋翼無(wú)人機(jī)上。但是存在探測(cè)距離近（探測(cè)距離在5～6米左右），在吸聲環(huán)境和干擾較大的環(huán)境中無(wú)法正常工作等問(wèn)題。所以現(xiàn)階段的研究多采用其他傳感器配合測(cè)距。邵芳[1]基于超聲波測(cè)距方法對(duì)障礙物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)CCD圖像采集系統(tǒng)采集圖像。通過(guò)處理圖像得到障礙物邊緣，進(jìn)而控制無(wú)人機(jī)飛行軌跡。于建均[2]基于超聲波傳感器搭建了障礙物的三維檢測(cè)裝置，基于多級(jí)模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)旋翼無(wú)人機(jī)室內(nèi)環(huán)境的避障路徑規(guī)劃。

1.2 激光雷達(dá)測(cè)距

該方法是用無(wú)人機(jī)搭載的激光雷達(dá)裝置發(fā)射紅外線或者激光。其中根據(jù)不同的計(jì)算距離方法可以分為三角測(cè)量法和時(shí)間差測(cè)量法。三角測(cè)距（Rplidar激光雷達(dá)）是通過(guò)接收器光斑成像位置解三角形得到距離信息。時(shí)間差法（TOF避障法）通過(guò)記錄反射時(shí)間差來(lái)計(jì)算障礙物和無(wú)人機(jī)的間距。該方法測(cè)量距離比超聲波更遠(yuǎn)，可以達(dá)到十米。且具有較高精度，在黑暗環(huán)境中也可以工作。但是成本較高，且易受到強(qiáng)光干擾。

激光避障技術(shù)在工程上已經(jīng)獲得了應(yīng)用。王海群[3]等人基于激光雷達(dá)對(duì)無(wú)人機(jī)避障進(jìn)行控制。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無(wú)人機(jī)避障精度可達(dá)96.7%。國(guó)家電網(wǎng)針對(duì)復(fù)雜溝道內(nèi)無(wú)法采用GPS等傳統(tǒng)方法進(jìn)行飛行控制的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于激光雷達(dá)的SLAM避障方法，對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)避障進(jìn)行自適應(yīng)控制。郭大山針對(duì)山地丘陵地帶果樹(shù)植保機(jī)飛行過(guò)程中地形復(fù)雜的問(wèn)題，基于激光雷達(dá)的無(wú)人機(jī)避障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的避障功能。

1.3 毫米波雷達(dá)測(cè)距

毫米波雷達(dá)一般工作模式分為脈沖方式（Pulsed）和調(diào)頻連續(xù)波方式（FMCW）。毫米波雷達(dá)避障方法通過(guò)計(jì)算反射和發(fā)射電磁波信號(hào)間隔來(lái)測(cè)定障礙物距離。該方法具有功耗低、探測(cè)距離遠(yuǎn)、穿透灰塵霧能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。高迪等人基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)雷達(dá)避障問(wèn)題進(jìn)行了研究，并對(duì)信號(hào)處理算法與路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，驗(yàn)證了該方法的探測(cè)跟蹤性能。

1.4 機(jī)器視覺(jué)避障方法

以上幾種方法都有不同程度的局限性，近年來(lái)機(jī)器視覺(jué)方法逐漸引起人們的重視。機(jī)器視覺(jué)避障方法采用攝像頭拍攝環(huán)境圖像，通過(guò)圖像處理算法得到周圍障礙物的位置和輪廓信息。相對(duì)于超聲波和雷達(dá)測(cè)距裝置等主動(dòng)式傳感器，機(jī)器視覺(jué)方法是被動(dòng)式方法，可以獲取豐富的環(huán)境信息。

從搭載的攝像頭數(shù)量，機(jī)器視覺(jué)方法可以分為單/雙目視覺(jué)避障方法。單目視覺(jué)避障采用單個(gè)攝像頭以一定頻率連續(xù)拍攝，對(duì)比前后兩幀圖像的像素變化或特征區(qū)域得到障礙物位置信息。雙目視覺(jué)避障是利用兩個(gè)攝像頭從不同角度進(jìn)行拍攝，根據(jù)視圖差異和幾何關(guān)系得到周圍環(huán)境的三維信息。雙目視覺(jué)避障方法更加精確，但在相機(jī)標(biāo)定、圖像融合匹配等方面計(jì)算量大，對(duì)處理器要求高。單目方法無(wú)法直接測(cè)量距離但是可以根據(jù)圖像提供的信息對(duì)障礙物進(jìn)行規(guī)避，成本更低。視覺(jué)方法對(duì)環(huán)境中光線亮度要求較高，在昏暗環(huán)境下會(huì)影響測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。

國(guó)外在21世紀(jì)初就開(kāi)始了機(jī)器視覺(jué)避障方法的研究。早在2009年研究人員就在四旋翼無(wú)人機(jī)上安裝了一個(gè)全向鏡頭，通過(guò)采集處理光流信號(hào)來(lái)控制無(wú)人機(jī)的航向。但是光流法對(duì)光滑的比如玻璃等平面探測(cè)效果不好。所以研究人員后續(xù)又開(kāi)發(fā)了基于單目和雙目的避障方法。Moore[4]等研究人員設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)人機(jī)的雙目視覺(jué)避障方法獲得障礙物的地面高度和距離信息。Asada等設(shè)計(jì)了一種自學(xué)習(xí)的雙目立體視覺(jué)避障系統(tǒng)，基于雙目立體視覺(jué)的三角測(cè)距原理，通過(guò)自適應(yīng)算法跟蹤未知趨勢(shì)目標(biāo)。國(guó)內(nèi)，張躍東等人[5]提出了基于無(wú)人機(jī)的單目視覺(jué)避障探測(cè)算法，采用單攝像頭收集圖像信息，根據(jù)無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)和圖像序列特征點(diǎn)變化得到與障礙物的間距。張博翰等人[6]設(shè)計(jì)了一種雙目視覺(jué)裝置，在室內(nèi)環(huán)境下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的有效性。國(guó)內(nèi)有研究人員將雙目視覺(jué)避障方法運(yùn)用到多旋翼無(wú)人機(jī)降落時(shí)的自主定位功能上，并取得了很好的效果。

2 展望

避障技術(shù)的發(fā)展方向取決于無(wú)人機(jī)將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。由于多旋翼技術(shù)越發(fā)成熟，多旋翼無(wú)人機(jī)會(huì)變得更加專業(yè)化，智能化。外形結(jié)構(gòu)更多，功能更具有針對(duì)性，大航時(shí)航程、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的無(wú)人機(jī)將成為發(fā)展趨勢(shì)。旋翼無(wú)人機(jī)將承擔(dān)更多任務(wù)，比如充當(dāng)城市載人交通工具、微型偵察設(shè)備、巖洞勘探等。這就對(duì)無(wú)人機(jī)避障技術(shù)提出了更高的要求。

就探測(cè)模塊而言，硬件設(shè)備小型化，多種探測(cè)技術(shù)融合是一個(gè)趨勢(shì)。通過(guò)多種傳感器融合探測(cè)，可以建立精確而詳細(xì)的周圍環(huán)境立體信息，甚至是全地形信息。就算法而言，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和處理器能力的不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)算法速度慢，計(jì)算量大，不能提前感知?jiǎng)討B(tài)變化等缺點(diǎn)將得到彌補(bǔ)。基于深度學(xué)習(xí)的自適應(yīng)避障技術(shù)，使得無(wú)人機(jī)可以自主判斷周圍環(huán)境，提前做出規(guī)避動(dòng)作，并根據(jù)周圍環(huán)境的變化，及時(shí)調(diào)整避障策略。

參考文獻(xiàn)

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