陳陽明，何劍鐘

航空工業(yè)直升機設計研究所

隨著無人機技術的發(fā)展，低空飛行的無人機日益增多，其安全性變得更加嚴峻，無人機的感知避障技術隨之成為全球無人機領域的研究熱點之一。本文介紹了感知避障技術的原理，歸納了常用的感知避障方法，并簡要闡述了無人機感知避障技術的研究進展，對未來無人機感知避障技術的發(fā)展趨勢進行了展望。

無人機是利用遙控或自動駕駛程序控制的飛行器，能在無人駕駛的條件下完成復雜空中飛行任務和各種負載任務，可以被看作是“空中機器人”。進入新世紀，科學技術的進步帶動著無人機技術的井噴式發(fā)展，無人機已經在當今社會的各行各業(yè)展現(xiàn)出自身的應用潛力。越來越多的無人機進入低空區(qū)域工作，開展災害搜求、偵察航拍、城市測繪保障、電力輸電線巡檢、低空貨運等任務。由于低空區(qū)域環(huán)境復雜，存在著多種不確定因素。因此，如何保證無人機在飛行過程躲避障礙物，這已經成為無人機在低空環(huán)境下安全飛行的關鍵。

早期的無人機主要集中應用于軍事領域，由于高空環(huán)境相對穩(wěn)定，軍用無人機在高空飛行時很少碰到障礙物。而隨著低空區(qū)域的放開，無人機在低空飛行時，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)有的感知避障技術主要是面向中高空穩(wěn)定環(huán)境的防碰撞控制算法，側重于應對事先預料到的簡單避障情形。但低空環(huán)境威脅多、障礙物復雜多樣，難以事先預知障礙物的形狀、大小等，使得現(xiàn)有感知避障技術很難保證無人機在低空環(huán)境下的安全飛行。為此，通過參考昆蟲、鳥類等在復雜障礙環(huán)境中規(guī)避碰撞的能力，結合智能感知、無人機控制的相關知識，研究了一系列的低空無人機感知避障控制方法。

感知避障技術的簡介

感知避障系統(tǒng)是無人機順利完成飛行任務的重要安全保障，很大程度上反映了無人機的智能化水平。對于自動避障系統(tǒng)，它需具備準確、實時應激性，在無人機的飛行過程中實時監(jiān)控外部環(huán)境，及時發(fā)現(xiàn)障礙物，根據(jù)障礙物信息實時規(guī)劃路徑，實現(xiàn)無人機的自動避障功能。

圖1 無人機避開障礙物后再回到原先設定的航線。

感知避障技術的原理

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

圖2 無人機感知避障技術原理。

除此之外，由于無人機通常具有較大的飛行速度，可能存在無人機已經感知到了障礙物，但卻來不及做出反應，導致無人機避障失敗。所以，無人機不僅應具備在近距離有識別障礙物的功能，還應具備對遠距離障礙物的預警功能。

為了實現(xiàn)無人機在低空區(qū)域飛行時對環(huán)境中的障礙物具備預警、識別乃至主動避開障礙物的功能，主要有以下技術難點需要得到解決：第一，無人機自主避障系統(tǒng)對低空環(huán)境中障礙物的有效識別和預警，即通過避障系統(tǒng)上安裝的傳感器能準確及時地獲取障礙物的相關信息（空間位置、尺寸等）；第二，無人機如何能夠根據(jù)實時獲取到的障礙物信息，合理地對自身進行航跡規(guī)劃，高效快速的規(guī)避障礙物。

感知避障技術的分類

常見的無人機感知避障技術可分為主動式避障、被動式避障和復合式避障。

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

而機體不主動向外界發(fā)送信號，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，這種方式稱為被動式避障系統(tǒng)，基于視覺的避障系統(tǒng)就是典型的被動式避障系統(tǒng)。

復合型避障系統(tǒng)集成了主動式與被動式避障手段，將主動式避障方法與被動式避障方法相結合。相對于使用單一傳感器的避障系統(tǒng)，復合式避障系統(tǒng)更加復雜，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行篩選識別、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感知避障技術。

（1）超聲波測距

圖3 無人機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間差來計算出目標與無人機的距離?；诔暡ㄌ綔y系統(tǒng)的信號處理簡單，實時性高，成本低，穿透性好。但由于超聲波在介質中傳播會衰減，且如果障礙物表面吸收超聲波的能力強，則會影響測距精度進而對避障系統(tǒng)造成很大的影響；此外，超聲波模塊的抗震能力較差，如果無人機上沒有減震模塊的話，會嚴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)射波與接收波的時間差測量目標的距離，不過其發(fā)射的為紅外光線。紅外測距的技術比較成熟、成本較低、精度較高，但是其測距范圍小，在雨霧、強光的環(huán)境下測距效果會大大折扣，故在無人機上的應用比較少。目前，有植保無人機為了滿足夜間作業(yè)的需要搭載了紅外避障系統(tǒng)，在夜間作業(yè)時接收外界反射的紅外光線，從而達到夜間成像的目的，實現(xiàn)無人機在夜間避障的功能。

（3）雷達探測

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

（4）結構光探測

結構光（Structured Light）探測是以光學手段為主要技術支撐的主動式測繪技術?；驹頌橛山Y構光投射器向近距離場景投射可控制光點、光條或光面結構，并由圖像傳感器捕獲經過場景調制的圖像，通過光學測量系統(tǒng)的幾何關系與經典的三角測量原理還原出場景的三維信息，進而判斷無人機的周圍是否有障礙物，實現(xiàn)對障礙物的探測。但光波容易受到城市樓宇光、太陽光、強光燈等的干擾。

（5）視覺感知

圖4 預先規(guī)劃無人機的航線。

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、識別、跟蹤等處理算法獲取障礙物的詳細信息，為無人機提供避障依據(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，能夠更加準確的獲取障礙物信息，但也存在信息處理復雜、實時性不高、易受光照影響等缺點。

無人機感知避障技術的研究現(xiàn)狀

無人機感知避障技術的研究是近年來國內外關注的一個熱點。對于無人機的感知避障技術，主要包括感知與規(guī)避兩個方面。感知研究的是如何保證無人機及時準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躲避可能發(fā)生的碰撞。

國外研究情況

國外在無人機本身以及無人機的避障方法領域已經發(fā)展的較為成熟，所掌握的技術水平也較高。

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

美國因特爾公司（Intel）的團隊借助360°全景4K視覺傳感器和感應球開發(fā)的避障系統(tǒng)，能讓無人機在跟蹤人行走的同時避開環(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（直徑710mm）的避障技術，開發(fā)了安裝有X波段雷達的體積小、重量輕的旋翼無人機感知避障系統(tǒng)。并做了進一步研究，證明雷達能夠用于更大型無人直升機的感知避障。

瓦塔納貝（Watanabe）提出了一種基于單目視覺的無人機導航系統(tǒng)，應用擴展卡爾曼濾波器（EKF）對障礙物的相對位置進行估計。

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

扎弗里（Zufferey）等人采用了機器視覺中經典的光流法對相機視場范圍內的障礙物進行感知，驗證了基于視覺傳感導航系統(tǒng)的可行性。

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

麻省理工學院設計了一套多傳感器融合的導航系統(tǒng)方案，包括激光測距儀、雙目立體視覺系統(tǒng)、IMU。該導航系統(tǒng)幫助四旋翼無人機在室內環(huán)境中實現(xiàn)自主飛行定位與避險避障。

斯特凡尼克（Stefanik）設計了一種以立體視覺系統(tǒng)為主，結合 IMU、GPS的傳感系統(tǒng)，可近似實時的生成三維地形圖，實現(xiàn)無人機的自主避障。

國內研究情況

國內關于無人機自主避障方面的研究雖然起步較晚，但是在無人機自主避障方面已經有大量的研究工作。

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

廣東電網公司電力科學研究院王柯等發(fā)明了一種無人機避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)可裝在小型無人機上，實現(xiàn)無人機的避障。

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

張午陽等人研究了基于深度學習的無人機單目視覺避障方法，該方法可實現(xiàn)無人機低速條件下的避障。

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

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

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

無人機感知避障技術的發(fā)展趨勢

圖5 國內外有關無人機感知避障的智能化、實時性是主流研究課題。

目前國內外有關感知避障的無人機研究中，智能化、實時性是主流研究課題。但由于涉及的技術較多，對于性能優(yōu)良的智能感知避障無人機仍然處于探索階段。首先，對于未知、復雜三維環(huán)境下障礙物的感知能力較差，由于復雜環(huán)境下的障礙物數(shù)量多、三維分布復雜，現(xiàn)有的感知識別算法不能準確識別出障礙物信息。其次，對于無人機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、實時性差等缺點，不能實現(xiàn)無人機的最優(yōu)避障。因此，為了實現(xiàn)無人機的精確感知避障功能，未來還需在以下關鍵技術上取得不斷改進和重大突破。

復雜環(huán)境下障礙物的精確識別算法

對于如何實現(xiàn)無人機準確實時的感知功能，特別是對于樹木、電線、鳥類、其他飛行器等狀態(tài)復雜的不可控障礙物。后續(xù)研究的環(huán)境感知算法能夠準確的對三維環(huán)境中障礙物的感知，環(huán)境模型構造算法能夠根據(jù)采集到的障礙物信息進行三維環(huán)境重構，準確獲取環(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，對于運動中的障礙物，在三維環(huán)境重構時還需預測出障礙物的運動軌跡，防止無人機在規(guī)避過程中與運動的障礙物發(fā)生碰撞。

高效最優(yōu)的避障路徑規(guī)劃算法

對于無人機如何實現(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)無人機感知到障礙物時自身的姿態(tài)信息（位置、速度、加速度等參數(shù)），考慮運動學約束，使無人機沿合力梯度方向調整其飛行航線，保證無人機能夠快速準確的規(guī)避障礙物，并能及時返回原先飛行航線上繼續(xù)完成后續(xù)任務。

對于復雜環(huán)境還得實現(xiàn)無人機的三維路徑規(guī)劃功能。當環(huán)境中同時存在好幾個障礙物時，需根據(jù)各個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避障的航跡路線，并根據(jù)飛行約束條件，使得無人機的避障航跡路線更加圓滑，實現(xiàn)無人機在復雜環(huán)境下的高效避障。

基于深度學習的無人機智能避障

近年來，人工智能、深度學習的技術迅速發(fā)展。深度學習技術目前主要應用于機器人的識別、避障方面，對于無人機避障方面的應用較少。后續(xù)可考慮將深度學習的技術應用于無人機的感知避障，通過訓練模型精確識別出不同種類的障礙物，通過深度學習算法實現(xiàn)無人機良好的避障路徑規(guī)劃功能，提升無人機的避障性能。

應用于軍用無人機低空作戰(zhàn)的避障技術

隨著科學技術的發(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——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)揮主導作用。但由于現(xiàn)如今對于軍用無人機在低空環(huán)境下的感知避障系統(tǒng)研究較少，導致軍用無人機在低空環(huán)境的作戰(zhàn)能力還有所欠缺。未來需針對軍用無人機平臺，研究適用于軍用無人機的感知避障系統(tǒng)，在保證軍用無人機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。

結束語

無人機的感知避障技術是支撐無人機進入低空飛行的重要保障，也是現(xiàn)如今無人機研究課題的關鍵領域之一。這是一門新興的多學科技術綜合方法，涉及到環(huán)境感知、多傳感器數(shù)據(jù)融合、環(huán)境構建、無人機自主導航控制、路徑規(guī)劃、軌跡精確跟蹤等諸多技術，未來對于無人機的感知避障技術還需進行更加深入的研究?！?/p>