一種小型化、遠距離、平面掃描式激光雷達避障系統

潘世光，尚建華，羅 遠，馬鴻斌，賀 巖

(1.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620；2.中國科學院上海光學精密機械研究所 空間激光信息技術研究中心，上海 201800)

0 引言

現代科技和信息技術的飛速進步，給人類的生活帶來了翻天覆地的變化，越來越多的智能化、自動化、無人化的儀器和設備不斷涌現。人類傳統的生產和生活方式，正在逐步向智能化、無人化的模式過渡，有關無人化技術和設備的研發也得到了廣泛的關注。其中，無人機是無人化智能設備的典型代表，它的出現給人們的生活帶來了巨大的便利，在工業、農業、商業以及旅游業等領域均得到了廣泛的應用。然而，無人機的工作環境通常較為復雜、多變，為了靈敏、準確地感知外界環境，精確避免與障礙物發生碰撞，實現安全、高效的自主作業，配置性能優異的智能避障系統尤為重要。

1 無人機避障技術發展概述

良好的避障系統是確保無人機正常作業的重要前提，也是無人化設備的關鍵研發技術。本節首先對現有的無人機避障技術進行介紹，并分析各技術的優缺點；其次，對基于激光雷達的無人機避障技術的研究現狀進行闡述；最后，針對基于激光雷達的無人機避障技術在實際應用中的不足進行討論。

1.1 無人機避障技術

無人機避障技術主要包括紅外避障、超聲波避障、雙目視覺避障以及激光雷達避障四種。

紅外避障技術是利用紅外發射器發射紅外光，通過發射光和回波光時間差的測量獲得障礙物的距離信息，進而達到避障的目的。紅外避障系統發展較為成熟，避障精度高且實現成本低，但其較依賴于障礙物的反射能力且屬于單點測距，只能獲得特定方向上的距離信息，且測距范圍較小，因此，其避障的效率和精度有限[1]。

超聲波避障技術能夠在一個方向范圍內利用超聲波實現測距，并具有方向性好、穿透能力強、能量消耗慢、成本低、易于獲得較集中的聲能等特點。然而，超聲波屬于機械波，容易受到聲波的干擾，致使無人機避障系統在某些應用場合中面臨嚴重的干擾，嚴重影響了避障系統的測量精度。另外，超聲波的有效距離僅為5 m且檢測角度有限，因此，超聲波避障技術不利于實現大動態范圍的精確避障[2]。

雙目視覺避障技術的基本工作原理是利用兩個平行的攝像頭進行拍攝，然后采用一系列的算法對兩幅圖像之間的差異(視差)進行計算，進而獲得特定點的距離。雙目視覺技術具有隱蔽性好、信息全面、測量束角較大、測量精度高等優勢；但是，對于工作在復雜、惡劣環境下的無人機而言，其數據計算量龐大且對光敏感，因此較難完成高效可靠的避障任務[3]。

基于激光雷達的無人機避障技術的工作原理是利用激光測量障礙物的相對距離和角度信息。無人機利用激光雷達進行避障時，系統內部的光源按照一定的角度向外發射激光，當遇到障礙物時會發生反射，回波信號光經系統內部的光電探測單元接收檢測；然后，通過計算光信號的飛行時間即可獲得與障礙物的距離、角度等信息。按照測距方法的不同，基于激光雷達的無人機避障系統分為脈沖式激光避障和相位式激光避障兩種[4]。較上述三種避障技術而言，該技術具有分辨率高、抗干擾能力強、探測距離遠、適于弱光環境下探測等優勢。并且，與傳統的微波雷達相比，基于激光雷達系統的無人機避障技術能夠提供更強大的感知能力，且避障系統的體積和質量均得到了顯著優化，并逐步在市場化產品應用方面獲得了快速推廣[5]。

1.2 基于激光雷達的無人機避障技術的研究現狀

目前，將激光雷達與其他避障技術相結合的新型避障系統，逐漸成為新的避障技術研究趨勢。多種避障技術手段的融合使用能夠較好地規避單一避障方案的不足，有效提高避障效率。2016年，北京理工大學的何守印[6]在四旋翼無人機的避障系統中融合了雙目視覺、2D激光雷達、超聲波、機載IMU和GPS等多種感知、探測、定位、導航傳感器，通過上述多種避障方案的使用為室內、室外、城市、野外等不同尺度、不同環境條件下的自主避障飛行提供了可靠保證。2017年，長春理工大學的邴麗媛[7]綜合使用超聲波、激光雷達、電磁場檢測以及GPS等多種傳感器，提出了有效規避障礙物的運動策略，并在無人機電力巡線時實現了復雜環境的全方位、多角度探測和自動規避。2018年，PAPA U[8]等人在小型旋翼UAS上綜合使用了激光雷達技術和聲吶技術，為探測和躲避障礙物應用中多技術的融合使用提供了新的思路。北京航空航天大學的唐志勇研究團隊則是將激光雷達避障系統與雙目視覺攝像機結合在一起，采用人工勢場法實現了四旋翼無人機的避障，并通過仿真實驗證明了系統的可行性[9]。

1.3 基于激光雷達的無人機避障技術的應用限制

實際應用中，當在無人機上搭載激光雷達避障系統用以實現300 m甚至更遠距離的測距和避障時，不僅要保證較高的測距精度和探測概率，還要具有較高的數據傳輸速率，這樣才能使無人機實時掌控自身的飛行高度信息。然而，基于傳統的激光雷達測距系統實現這一目標時，卻面臨著一個不可忽視的問題，即隨著無人機飛行高度的提高，系統的避障性能會受到激光器的自重和功耗的限制。其次，常規的低重量、低功耗的激光測距系統往往是通過長時間測量、以犧牲輸出速率為代價來滿足300 m以上范圍的測距需求的。為了滿足測距精度和距離信息輸出速率的要求，需要擴大系統的接收口徑或提升激光器的發射功率，這將會增加激光雷達避障系統的重量和功耗，并將嚴重影響無人機的帶載能力。

近年來，單光子激光雷達測距技術得到了快速發展，為基于激光雷達的無人機避障技術提出了新的思路。避障系統借助單光子探測器實現光電信號的轉換，進而獲取障礙物的距離、角度等信息。然而，該類探測器雖然有效提升了探測靈敏度，但卻無法分辨回波光子數。因此，在對不同反射率目標測距時，基于單光子探測器的激光測距避障系統無法進行回波灰度修正，這將嚴重影響測距精度并會引起較大的距離誤差。

2 小型化、遠距離、平面掃描式激光雷達避障系統

為了滿足無人機避障的實際應用需求，本文提出了一種小型化、遠距離、平面掃描式激光雷達避障系統解決方案，依次介紹了系統的設計參數及信號處理中的核心算法思想。

2.1 系統解決方案

為了克服傳統激光雷達避障技術在無人機應用上存在的重量、體積和功耗的限制，并在復雜地形下實現仿地飛行，無人機需要裝配智能的避障系統。隨著無人機飛行速度的不斷提升，激光雷達避障系統還需要具備遠距離探測和定位障礙物的能力，并要達到指定的探測距離和掃描角分辨率的要求，此外，還要考慮無人機對激光雷達避障系統的重量、體積和功耗的限制。因此，在激光雷達避障系統的設計實施中，需要對上述關鍵技術和問題進行充分考慮。

針對上述問題，本文提出的小型化、遠距離、平面掃描式激光雷達避障系統結構框圖如圖1所示。該系統綜合利用單光子測距技術以及高速脈沖調制、回波高速采集、轉鏡掃描控制和網絡通信等技術，并以FPGA作為主控芯片實現激光發射、回波信號采集、掃描角度獲取、信號處理、數據傳輸等功能的邏輯控制，將所得平面掃描數據傳輸至避障系統，進而在飛行視場內實現可靠避障。

圖1 平面掃描式激光雷達避障系統結構框圖

圖2所示為平面掃描式激光雷達避障系統的工作過程。系統上電后，溫控模塊根據當前溫度值，對核心部件進行溫度控制；然后，避障系統開始自檢，實時讀取內部各核心部件的溫度，當達到指定工作溫度之后，自檢完成并向上位機上傳自檢結果；其次，上位機發布測距指令，避障系統按照預設工作模式開始工作，激光器按照預設重頻和占空比發射工作波長為1 064 nm 的激光脈沖，信號采集模塊按照固定的時序采集信號并對信號進行累加處理，再計算獲得探測距離和掃描角度等信息；與此同時，原始數據和計算所得信息通過以太網傳送給上位機，并且，系統對內部參數進行實時監測和預警；最后，當收到停止測距指令時，系統執行程序關閉的操作。

圖2 平面掃描式激光雷達避障系統工作流程圖

目前，國內許多機構都在開展基于激光雷達的無人機避障技術的相關研究，在優化避障性能、減少激光雷達自重和功耗限制、提高產品競爭力等方面均有所突破。表1所示為北京數字綠土科技有限公司的LiAir V無人機激光雷達掃描系統、北京富斯德科技有限公司的超輕型無人機載激光掃描儀miniVUX-1DL以及本文提出的平面掃描式激光雷達避障系統的性能指標比較。

表1 三種激光雷達避障系統的性能比較

從表1可知，本文提出的小型化、遠距離、平面掃描式激光雷達避障系統突破了傳統激光雷達在重量、功耗、距離范圍和掃描角分辨率等指標之間相互制約的限制。在系統重量、功耗不變以及目標反射率不同的情況下，該避障系統具有更高的探測靈敏度、更快的測距響應和更好的反射率分辨能力，能夠有效提升測距精度、測距范圍和數據輸出率，較好地滿足無人機安全飛行的需求。

2.2 信號處理算法

為了提高系統信噪比，實現灰度修正，確保不同反射率目標的測距精度，需要采取相關算法對采集到的信號進行處理。目前，提升信噪比的算法主要包括FIR濾波算法、小波分解算法、奇異值分解算法、自相關濾波算法，其中，自相關濾波是利用了脈沖信號之間的相關性和噪聲之間的不相關性，其信噪比提升效果較其他幾種方法更加優異。本節將描述該信號處理算法的實現原理，并分析參數對性能的影響。

設有效回波信號為s，噪聲信號為n，單脈沖信號幅度為A。將采集到的N個離散回波信號進行累加操作，累加得到的第j個信號表述如下：

(1)

(2)

基于相鄰脈沖噪聲信號間的不相關性，式(2)可進一步化簡得到：

(3)

綜上所述，N次采集回波信號累加后第j個信號可表示為：

(4)

因此，N次累加后的系統信噪比與累加前的信噪比之間的關系為：

(5)

3 結論

本文在總結無人機激光雷達避障國內外研究進展的基礎上，提出了一種小型化、遠距離、平面掃描式激光雷達避障系統方案，該系統旨在保證探測概率的前提下實現高靈敏測距和避障，能夠有效抑制背景光的干擾。較其他激光測距避障方案而言，該系統能較好地滿足功耗、體積和重量等方面的需求，尤其適用于對體積、重量要求較為苛刻的場合。針對實際避障應用，較其他方案而言，激光雷達的研制成本過高且其自重和功耗問題在一定程度上限制了其進一步發展，因此，需要結合具體需求，綜合考慮系統的設計參數，并進行適當的優化。

隨著科技的發展和研究的不斷深入，未來基于激光雷達的無人機避障技術會繼續朝著更加小型化、智能化的方向發展，多技術的融合和創新，會使該技術的功能更加全面、性能更加優異，其應用領域也會更為廣闊，在不同的復雜環境下都將扮演著重要的角色。