無人機(jī)避障技術(shù)研究

張志彪

摘 要：文章研究了無人機(jī)避障技術(shù)無人駕駛飛行器（UAV）或無人駕駛飛行器（UAV）是由無線電遙控器或機(jī)載自動駕駛儀控制的動力無人機(jī)。它具有無需駕駛員駕駛和重復(fù)使用的優(yōu)點。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。依托現(xiàn)代通信技術(shù)，無線傳感器，導(dǎo)航引導(dǎo)技術(shù)，高新技術(shù)新材料和動力系統(tǒng)的不斷突破和創(chuàng)新，無人機(jī)相關(guān)產(chǎn)業(yè)取得了很大進(jìn)展，也促進(jìn)了無人機(jī)的迅速普及。

關(guān)鍵詞：無人駕駛飛行器；避障；控制；科技

根據(jù)美國國會2003年的一項研究，無人機(jī)的碰撞率是人類飛機(jī)的100倍。根據(jù)美國聯(lián)邦條例的14 CFR91.113條款，美國航空無線電技術(shù)委員會發(fā)布的 RCTADO-304和美國聯(lián)邦航空管理局發(fā)布的指令7610.4，無人機(jī)必須達(dá)到同樣的安全標(biāo)準(zhǔn)。在空域飛行中作為駕駛飛機(jī)的要求。因此，無人機(jī)需要配備自主意識和避障系統(tǒng)。

1 無人機(jī)的避障意義

隨著全球軍用、民用和商用無人機(jī)的不斷增長，飛行空間將越來越擁擠，無人機(jī)在任務(wù)飛行中的安全性也越來越受到關(guān)注。ASTMF-38委員會發(fā)布了防撞標(biāo)準(zhǔn)，要求無人機(jī)探測在高程15和方位角110內(nèi)感知到的其他飛機(jī)，并采取防撞措施，以避免距離無人機(jī)500英尺的障礙物或飛機(jī)[1]。無人機(jī)避碰（避障）系統(tǒng)可根據(jù)不同的工作模式分為合作模式和非合作模式。代表性的合作避障系統(tǒng)，例如交通預(yù)警和逃避系統(tǒng)，可以通過轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸信息。但是，該系統(tǒng)將增加無人機(jī)系統(tǒng)的總重量。對于一些小型和微型無人機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)的功能將被削弱并受到不同程度的限制，甚至根本無法安裝。自動監(jiān)視系統(tǒng)是一種相對較新的技術(shù)，它可以通過地面基站和飛行員在感應(yīng)空域中檢測與其他類似設(shè)備的飛機(jī)。配備的無人機(jī)可以通過信息數(shù)據(jù)鏈接收其精確位置和其他數(shù)據(jù)（如速度、水平、轉(zhuǎn)彎狀態(tài)、爬升或下降狀態(tài)等）[2]。由美國工業(yè)部和阿拉斯加聯(lián)邦航空管理局聯(lián)合開發(fā)的項目大大降低了阿拉斯加的無人機(jī)事故率，并有效地驗證了無人機(jī)避障應(yīng)用的有效性。然而，無人機(jī)在飛行中遇到的其他無人機(jī)無法保證它們都采用相同的協(xié)同控制系統(tǒng)，甚至可能是敵方飛機(jī)。非合作避障系統(tǒng)可以為這種無法響應(yīng)和傳遞信息的空中威脅機(jī)提供飛行安全的必要保障。在非合作避障系統(tǒng)中，無人機(jī)主要依靠自身的傳感器在感知環(huán)境中探測障礙物或其他飛機(jī)，實時跟蹤空中障礙物的運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)一步預(yù)測無人機(jī)碰撞的概率，并通過規(guī)劃和計算有效的避障路徑來實現(xiàn)避免威脅。

總之，無人機(jī)路徑規(guī)劃是搜索和規(guī)劃從初始位置到目標(biāo)任務(wù)執(zhí)行點的最佳飛行路徑，在一定限制條件下滿足其自身動態(tài)特性和戰(zhàn)場的特殊要求。路徑規(guī)劃是無人機(jī)控制的重要組成部分，是確保精確打擊成功實施的重要途徑，提高無人機(jī)的作戰(zhàn)效能非常重要。此外，路徑規(guī)劃也是無人機(jī)安全飛行的重要技術(shù)支持。目前，世界上許多國家都在非合作避障系統(tǒng)上投入了大量的研發(fā)資源。由于避障路徑規(guī)劃在無人機(jī)軍事領(lǐng)域的重要作用，發(fā)展中國自主知識產(chǎn)權(quán)的非合作避障和路徑規(guī)劃技術(shù)具有重要意義。

2 避障路徑規(guī)劃

避障路徑規(guī)劃是任務(wù)執(zhí)行期間自主無人機(jī)面臨的問題。隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，世界各地的研究人員開始研究復(fù)雜場景中機(jī)器人的避障問題。根據(jù)不同的環(huán)境建模方法和不同的路徑規(guī)劃算法，有幾種常用的方法。（1）概率圖規(guī)劃方法：該方法主要用于移動機(jī)器人的實時定位和地圖構(gòu)建，估計當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)向量的均值和方差。（2）基于單元分解的規(guī)劃方法：移動機(jī)器人整個路徑環(huán)境區(qū)域的人工勢場方法，主要原理是將環(huán)境中移動機(jī)器人的運(yùn)動抽象為人工重力場的運(yùn)動，并生成目的地路徑點。機(jī)器人上的“重力”，以及環(huán)境中的障礙物和機(jī)器人的路徑“排斥”。它通過計算機(jī)器人整個環(huán)境的合力數(shù)據(jù)來引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動。（3）數(shù)學(xué)編程方法：根據(jù)機(jī)器人環(huán)境觀測數(shù)據(jù)和機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立模型，計算機(jī)器人與環(huán)境之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到機(jī)器人路徑的最優(yōu)解。常見的編程方法是線性編程、非線性編程、動態(tài)編程和全局優(yōu)化。基于進(jìn)化計算的規(guī)劃方法也稱為智能算法。受生物進(jìn)化中“適者生存”自然選擇機(jī)制和遺傳信息傳遞規(guī)律的影響，該過程使用該算法進(jìn)行迭代模擬[3]。

基于CAA系統(tǒng)，英國設(shè)計了兩種無人機(jī)碰撞現(xiàn)場避障方案。通過設(shè)置無人機(jī)避讓點，根據(jù)CAA規(guī)則實現(xiàn)避障飛行，設(shè)計了無人機(jī)避障事件樹。通過使用龐大的統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，將無人機(jī)的機(jī)動性特征與飛行場景環(huán)境相關(guān)聯(lián)，然后計算碰撞風(fēng)險。理查德和麻省理工學(xué)院如何通過MILP方法找到無人機(jī)艦隊的最佳避障路徑。Statny提出了一種適用于高速大慣性固定翼無人機(jī)的自適應(yīng)在線威脅預(yù)測和最優(yōu)路徑規(guī)劃避障方法，并考慮了飛機(jī)的動態(tài)特性和固定翼的約束。對于復(fù)雜環(huán)境中的避障，應(yīng)考慮環(huán)境因素和無人機(jī)性能約束（例如最大或最小速度，最大轉(zhuǎn)彎速度和最大飛行路徑角度），這可能使避障方案復(fù)雜化。過去，大多數(shù)方法都側(cè)重于優(yōu)化協(xié)作框架，提高路徑計算的效率和質(zhì)量。通過一種協(xié)同和幾何學(xué)習(xí)算法來解決碰撞避免和數(shù)據(jù)共享問題。通過實時更新單一成本矩陣、權(quán)重矩陣和風(fēng)險評估，可以獲得多個無人機(jī)的防撞規(guī)劃路徑。文獻(xiàn)中采用了一種新的混合模型，并提出了一種神經(jīng)動態(tài)規(guī)劃算法來指導(dǎo)無人機(jī)避障[4]。然而，上述方法主要針對二維路徑問題，而在復(fù)雜的三維環(huán)境中，計算復(fù)雜度將急劇增加。并且所獲得的路徑的平滑度不好，因此，需要通過一些平滑策略來進(jìn)一步修改這些路徑。采用自回歸方法預(yù)測障礙物的運(yùn)動，并采用滾動人工勢場算法規(guī)劃無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中的在線路徑。用網(wǎng)格方法對三維環(huán)境空間進(jìn)行建模。將蟻群算法的靜態(tài)路徑規(guī)劃與人工蜂群算法的突發(fā)威脅路徑規(guī)劃相結(jié)合，實現(xiàn)了無人機(jī)的整體路徑規(guī)劃。改進(jìn)的概率圖方法用于規(guī)劃無人機(jī)的實時避障。對于固定翼無人機(jī)路徑規(guī)劃，A *算法用于三維環(huán)境中的靜態(tài)障礙物以規(guī)劃無人機(jī)的全局路徑。當(dāng)遇到移動障礙物時，本地路徑規(guī)劃被切換到人工勢場算法。通過在有限時間內(nèi)設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)收斂制導(dǎo)律，無人機(jī)“觀察”障礙物的視線迅速收斂為零。相對速度方向收斂到期望的避障方向，允許無人機(jī)在飛行環(huán)境中安全飛行。綜上所述，雖然避障手段相似，但路徑優(yōu)化方法卻截然不同。然而，對于無人機(jī)避障路徑規(guī)劃的研究，有必要對基于特定目標(biāo)跟蹤對象和環(huán)境的方法進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計[5]。

3 應(yīng)用案例

目前，市場上有3種主要的電動多旋翼無人機(jī)避障系統(tǒng)，即超聲波、激光雷達(dá)測距和視距測距，有望成為主流。以下是國內(nèi)外無人機(jī)避障技術(shù)的應(yīng)用案例。

零度Xplorer2激光雷達(dá)飛行時間（Time of Flight，TOF）測距。所謂的飛行時間3D成像是連續(xù)向目標(biāo)發(fā)送光脈沖，然后通過傳感器接收物體返回的光，并通過檢測飛行（往返）時間獲得目標(biāo)的距離光脈沖。以這種方式，光波容易受到干擾。系統(tǒng)發(fā)出的光必須避開太陽光的主要能帶，以避免陽光的直接干擾和避障系統(tǒng)的反射。該原理需要非常精確的時間測量，并且特殊處理芯片和芯片的價格相對較高[6]。

昊翔Typhoon H單目+結(jié)構(gòu)光Realsense。Realsense屬于“單眼+結(jié)構(gòu)光”，即單個攝像頭和結(jié)構(gòu)光發(fā)射器構(gòu)成深度攝像頭。由于3D深度相機(jī)被2D深度相機(jī)取代，其“單眼+結(jié)構(gòu)光”智能導(dǎo)航模塊僅需200元。

大疆精靈Phantom 4雙目視覺+超聲波雙目測距的原理，就像人眼一樣，可以看到不同的圖像。如果兩只眼睛看到相同的點，則兩個圖像是不同的，并且可以通過三角形測距來測量該點的距離。幻影4增加了雙目避障。實際上，它遵循核心算法的指導(dǎo)。它可以識別距離最近的0.7 m和最遠(yuǎn)15 m的障礙物。水平視角為60°，垂直視角為30°。雙目視覺的優(yōu)點在于雙目視覺可以保證遠(yuǎn)距離的三維精確信息，例如兩個遠(yuǎn)山可以看到近距離和遠(yuǎn)距離。

極飛夜間避障采用主動近紅外照射技術(shù)。事實上，它們在夜間避開障礙的原則并不復(fù)雜。首先，避障原則是避免前方避障，是雙重避障。為了避免夜間障礙，使用這種主動近紅外照明技術(shù)，只需添加一個特殊的手電筒并重塑眼睛。第二次世界大戰(zhàn)期間的美國、德國和其他國家，第一代主動紅外探測裝置被用于戰(zhàn)場。目標(biāo)區(qū)域通過其自身的光源裝置由近紅外輻射照射，然后接收目標(biāo)返回的紅外信號并將其轉(zhuǎn)換為可見圖像以供觀察和分析。例如，德國開發(fā)的車載主動紅外夜視裝置可用于夜間沒有光線的秘密駕駛[7]。

4 結(jié)語

未來，無人機(jī)不能僅使用單一技術(shù)來實現(xiàn)避障，還要利用各種綜合避障技術(shù)，在不同情況下實現(xiàn)避障。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張躍東，李麗，劉曉波，等.基于單目視覺的無人機(jī)障礙探測算法研究[J].激光與紅外，2009（6）：673-676.

[2]戴碧霞.基于光流的微小型飛行器室內(nèi)避障方法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[3]王一凡，諶德榮，張立燕.一種用于小型無人機(jī)避障的快速視差測距方法[J].中國測試，2008（3）：114-116.

[4]鄭波.軍民通用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)蓄勢待發(fā)[J].中國工業(yè)評論，2015（3）：90-99.

[5]李文倩，賀在華，段嘉宣，等.2016—2020年中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)投資分析及前景預(yù)測報告[R].深圳：中投顧問產(chǎn)業(yè)與政策研究中心，2016.

[6]劉麗，汪濤，陳瑛.美國陸軍無人機(jī)系統(tǒng)概述[J].飛航導(dǎo)彈，2011（8）：53-58.

[7]王林，彭輝，朱華勇，等.應(yīng)用無人機(jī)跟蹤地面目標(biāo)—最新研究進(jìn)展[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010（1）：172-177.