對(duì)小型多旋翼飛行器輔助避障技術(shù)的探討

向思齊 門云閣 李思儒 邵澤盟 葛慧杰

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714007

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，小型多旋翼飛行器技術(shù)得到了快速的發(fā)展，在民用、軍事等領(lǐng)域當(dāng)中，都發(fā)揮了重要的作用。在一些地形復(fù)雜惡劣、環(huán)境危險(xiǎn)的情況下，可以使用小型多旋翼飛行器，代替人完成工作，降低了發(fā)生安全事故的幾率。在小型多旋翼飛行器飛行的過(guò)程中，由于通常面對(duì)較為復(fù)雜的飛行環(huán)境，因此，為了確保飛行安全，需要對(duì)各種障礙進(jìn)行有效的躲避。基于此，本文對(duì)小型多旋翼飛行器輔助避障技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。

關(guān)鍵詞：小型；多旋翼；飛行器；輔助避障技術(shù)

小型多旋翼飛行器具有很多方面的優(yōu)勢(shì)，例如價(jià)格便宜、起降環(huán)境要求低、針對(duì)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等，因此在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，都逐漸得到廣泛的應(yīng)用。隨著旋翼飛行器的不斷發(fā)展，其飛行安全也受到了更大的重視。旋翼飛行器的工作環(huán)境通常是低空領(lǐng)域，因而在飛行中會(huì)面臨較多的障礙物，如果不能準(zhǔn)確有效的躲避障礙，將會(huì)造成旋翼飛行器的墜毀。而就目前的技術(shù)水平來(lái)看，要想實(shí)現(xiàn)自主避障，仍具有較大的難度，因此，輔助避障技術(shù)的研究就顯得更為重要。

1 輔助避障系統(tǒng)原理技術(shù)

旋翼飛行器在飛行當(dāng)中，依靠螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流轉(zhuǎn)動(dòng)提供升力，其與直升機(jī)相類似，都是用螺旋槳提供動(dòng)力，但也存在較大的不同。以四旋翼飛行器為例，其升力、方向的調(diào)節(jié)，是通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變實(shí)現(xiàn)的，從而對(duì)飛行姿態(tài)、位置進(jìn)行控制，利用四個(gè)輸入控制，實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度，因而屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在飛行控制系統(tǒng)中，主控芯片是最重要的部分，通常采用嵌入式處理器模塊。飛行器遙控信號(hào)、姿態(tài)數(shù)據(jù)包、控制命令等，都是利用無(wú)線傳輸通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和信息的交互，其中，無(wú)線串口、WiFi模塊、4G通信技術(shù)等，都是常用的無(wú)線傳輸技術(shù)[1]。

旋翼飛行器可以通過(guò)不同類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)飛行中的智能感知。依靠測(cè)距傳感器，能夠?qū)︼w行器和障礙物之間的距離進(jìn)行感知。測(cè)距傳感器可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，各自也具有不同的原理，因而也具有不同的性能，常用的方法原理包括了超聲波測(cè)距、激光紅外測(cè)距、毫米波測(cè)距等。此外，成像傳感器是人們對(duì)客觀世界直觀感受的獲取方式，通過(guò)對(duì)顯示器接收的圖像信息，可實(shí)現(xiàn)超視距遠(yuǎn)程控制。

2 輔助避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在輔助避障系統(tǒng)中，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)模塊，主要包括通信系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、旋翼機(jī)機(jī)體系統(tǒng)等。根據(jù)不同的位置，還可分為上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)等。在無(wú)人機(jī)平臺(tái)中，包括了數(shù)傳收發(fā)器、圖傳系統(tǒng)、氣壓計(jì)、磁偏計(jì)、微型MEMS、GPS系統(tǒng)、熱紅外成像儀、高精度激光掃描儀、飛控系統(tǒng)等部分。在無(wú)人機(jī)機(jī)型的選擇中，由于具備多樣的選擇范圍，因此，應(yīng)綜合考慮載重能力、云臺(tái)穩(wěn)定能力、通信鏈路、飛行高度、飛行距離、續(xù)航時(shí)間等性能。在激光掃描儀的選型當(dāng)中，激光測(cè)距技術(shù)測(cè)量精度較高[2]。

激光掃描儀通過(guò)二維激光束平面掃描，可實(shí)現(xiàn)精確、快速的距離檢測(cè)。不過(guò)，激光測(cè)距儀同時(shí)也具有價(jià)格昂貴、安裝精度要求高等問(wèn)題，因而難以在短時(shí)間內(nèi)普及應(yīng)用。在可見(jiàn)光相機(jī)選型中，應(yīng)考了安裝、旋翼機(jī)載重等因素。此外，還包括無(wú)線傳輸設(shè)備、紅外設(shè)備等，也要綜合各方面因素進(jìn)行選擇。圖像處理電路板是一個(gè)較為重要的部分，在設(shè)計(jì)當(dāng)中，要綜合考慮硬件電路時(shí)鐘、電路電源、存儲(chǔ)空間配置、I2C接口電路、視頻捕捉電路、RS232接口、通用輸入輸出接口GPIO、視頻輸出電路等[3]。在軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中，要根據(jù)實(shí)際需求，分別對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)進(jìn)行妥善的設(shè)計(jì)。

3 輔助避障系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

輔助避障系統(tǒng)激光數(shù)據(jù)，除了對(duì)障礙物分布進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示之外，也在地面站文件下進(jìn)行存儲(chǔ)。工作人員根據(jù)要求，對(duì)旋翼飛行器飛行區(qū)域全局地圖進(jìn)行監(jiān)理。在激光數(shù)據(jù)處理中，由于激光掃描儀頻率較高，數(shù)據(jù)量大，因而可能會(huì)產(chǎn)生毛刺，影響算法性能。對(duì)此，需要先對(duì)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。然后對(duì)激光數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行提取，從激光數(shù)據(jù)點(diǎn)當(dāng)中，對(duì)有用的信息進(jìn)行提取，對(duì)環(huán)境特征進(jìn)行反映。在地圖創(chuàng)建的過(guò)程中，特征匹配是一項(xiàng)重要工作，可以利用改進(jìn)ICP算法，通過(guò)不斷重復(fù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)搜索，變化參數(shù)求解，得到最優(yōu)化的匹配。利用獲取及處理后的激光數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以通過(guò)不斷的迭代過(guò)程，完成對(duì)環(huán)境地圖的創(chuàng)建。

在紅外圖像的處理中，需要對(duì)飛行狀態(tài)下的環(huán)境噪聲進(jìn)行分析，將背景輻射造成的干擾排除[4]。對(duì)于已知環(huán)境，可以將背景噪聲減去，或?qū)ο嚓P(guān)基準(zhǔn)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)噪聲的消除。消除噪聲后，需要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。采用中值濾波器，對(duì)圖像進(jìn)行非線性處理，對(duì)領(lǐng)域內(nèi)采樣數(shù)據(jù)排序，進(jìn)而對(duì)中心像素灰度進(jìn)行確定，能夠有效消除脈沖噪聲。進(jìn)行高斯平滑濾波，進(jìn)行線性濾波，對(duì)領(lǐng)域中不同位置像素點(diǎn)，分別賦予不同位置像素點(diǎn)不同權(quán)值。通過(guò)直方圖均衡化，提高圖像的清晰度和對(duì)比度，從而為目標(biāo)提取提供基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

旋翼無(wú)人機(jī)是當(dāng)前一種較為常用的設(shè)備，在很多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。而在旋翼無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程中，如何對(duì)障礙進(jìn)行有效的躲避，是一項(xiàng)重要的研究課題。基于此，對(duì)小型多旋翼飛行器輔助避障技術(shù)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，確保飛行器在飛行過(guò)程中，能夠更好的躲避障礙，完成飛行拍攝任務(wù)。

指導(dǎo)老師：門云閣

參考文獻(xiàn)：

[1]章志誠(chéng)，杜昌平.基于激光雷達(dá)的多旋翼飛行器實(shí)時(shí)避障系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（9）：117121.

[2]王一凱，陳磊，裴哲浩，等.基于最少燃耗的飛行器著陸避障控制策略[J].科學(xué)通報(bào)，2016（13）：14881494.

[3]吳鴻，馮登超.基于四旋翼飛行器的低空空域智能搜救系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2016，35（1）：7479.

[4]王卉，李麗霞，劉慧潔，等.基于四旋翼飛行器的光流法動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，13（1）：7681.