近程無人機避障技術研究

張雄

中國人民解放軍77115部隊

近程無人機在山區飛行，航線規劃或改變飛行路徑時也許存在失誤，導致飛行中可能發生安全事故，例如碰撞山體等障礙。本文通過分析和比較無人機常用避障技術，提出近程無人機采用激光雷達探測障礙物的方法，經過數據處理模塊計算、識別和輸出避障信號，向飛控計算機發出指令，飛控計算機輸出控制信號或人工操控無人機改變航線，機動飛行避開障礙物，實現山區飛行避障。

無人機在現代戰爭中的地位越來越重要，在偵察、監視、機動攻擊、火力校射、電子對抗等作戰任務中，顯示出極大優越性。近程無人機作為各國主要戰術無人機裝備，在山谷低空飛行時能很好避開敵方雷達探測，提高戰場生存能力。但是，近程無人機在復雜山地環境和低空飛行時，對操控人員提出了更高要求，既要考慮無線電通視條件，又要防止與山體等障礙物發生碰撞，技術準備更加復雜，要投入較多精力仔細校對航線高度與地形高程有無交叉。如果需要人員臨機操控無人機飛行，改變任務地域和航程點時，準備時間緊張，指定航程點可能不盡合理，無人機有可能與山體、障礙等相撞，飛行存在極大安全隱患。在山地環境組織近程無人機飛行，主動預警避障顯得尤為必要。

主要無人機避障技術

無人機在空中飛行時，通過傳感器收集飛行器周邊環境信息，測量安全距離內的障礙物距離，通過計算、處理、發出預警信息、規劃航線或者做出機動飛行，從而達到避礙目的。小型消費級多旋翼無人機避障技術應用已走在前列，部分產品已能初步滿足普通用戶需求，在很大程度上能減少因操控失誤造成的墜機事故，以及無人機墜毀對人和建筑物造成的危害。但是，近程無人機外形尺寸和最大起飛重量，均超過小型多旋翼無人機多個數量級，且飛行速度快、航程遠，現有小型多旋翼無人機避障技術無法滿足近程無人機在復雜環境的飛行需求。

障礙物距離探測和預警避障算法是避障技術的核心，常見的測距方法有超聲波探測、紅外探測、激光探測以及視覺探測等。

超聲波測距

利用聲波遇到障礙物會反射的原理，根據聲波收發時間差和速度，計算出障礙物距離。

紅外測距

利用紅外線在物體上的漫反射原理，不同距離的障礙物反射的角度不同，通過三角測量計算，測出物體距離。

激光測距

利用收發光線的時差、相位、速度計算目標距離。

視覺測距

猶如人類的雙眼，用兩個攝像機進行拍攝，根據兩幅圖像的景深視差，利用復雜算法模型計算出物體距離。

幾種測距方法適用于不同應用場境，各有優劣。超聲波探測距離太近、容易被吸收，紅外線易受外界環境干擾，視覺測距系統復雜、在夜間和受天氣影響大，這三種測距方法不適用于近程無人機。激光測距技術成熟，探測分辨率高、速度快、距離遠，設備重量輕、體積小，適合應用于近程無人機測距避障。

以某無人機激光雷達（Lidar）正射點云數據為例，按點密度3～10個點/平方米進行采集，點云數據經處理后得到正射影像，圖2所示為正射點云數據影像，能精確呈現高度數據。同理，將機載激光雷達向正前方掃描，可獲取無人機飛行前方的障礙物距離點云數據，如果障礙物方向和高度在飛行航線上，則無人機需執行避障策略，自動判定障礙物，并改變飛行航向、俯仰姿態進行避障。

圖1 消費級多旋翼無人機避障技術已基本能滿足用戶需求。

圖2 正射點云數據影像。

近程無人機避障措施

在無人機機頭安裝可旋轉掃描的面陣激光雷達，飛行中不間斷掃描前方180°范圍內的障礙物，生成障礙目標點云，每個點含有三維坐標信息，經過數據處理模塊計算，與設定安全距離閾值比對后，向飛控計算機發出避障信號，飛控計算機發指令給相應舵面，控制無人機改變航向、俯仰姿態做出避障動作，達到避障目的。圖3為近程無人機避障系統結構圖。

圖3 近程無人機避障系統結構圖。

近程無人機避障算法設計

參考部分近程無人機技術指標，以平均巡航速度160km/h、轉彎半徑500m進行建模分析。設定有障礙物K1，無人機與前方障礙物距離SK＞2000m、與左右障礙物距離DK＞100m為安全距離，2000～1000m為預警距離，1000～500m為避障執行距離，＜500m為危險距離。無人機沿X軸方向飛行，障礙物K與航向夾角為α，圖4所示為無人機飛行模型圖。

圖4 無人機飛行模型圖。

激光雷達不間斷掃描航向X軸方向180°范圍內的障礙目標，獲取障礙物距離點云數據，數據處理設備讀取點云數據，過濾掉因折射、云層等產生的無效數據，提取航向XY平面點云數據進行計算處理，將獲取當前航向和高度的點云數據判定為障礙物。設無人機距前方障礙物距離為SK，無人機左側90°范圍內障礙物距離點云數據為L1,L2…Ln, 右側90°范圍障礙物距離點云數據為R1,R2…Rn,圖5為無人機障礙探測模型圖。

圖5 無人機障礙探測模型圖。

(1) 當SK＞2000m，且DK≥100m時， 無人機按設定航線飛行。

(2)當1000＜SK＜2000m，且DK≥100m時，1000m的時間間隔t=1000÷(160×1000÷3600)=22.5s ⑦

數據處理設備向飛控計算機發出預警信息，預警信息通過數據鏈路回傳至地面控制站，在飛行控制界面以圖文或聲音信息發出障礙預警提示，飛行操控手在t時間內，可以對當前飛行狀態、航線、高程和地形圖進行檢查比對，制定應對策略，如降低發動機轉速減緩飛行速度、改變航向，發出爬升、盤旋等指令進行人工干預，避開障礙物。當數據鏈路中斷時，探測到前方有障礙物影響飛行，飛控系統執行無人機系統設定的現行普遍應用的鏈路中斷策略，當無人機爬升至預設安全高度后，按照預設航線進行返航自動處置，避障系統進行輔助引導返航。

（3）如果錯過人工操控時間，當SK＜1000m，或者DK＜100m時，進入避障執行程序，如果不采取措施，無人機將會在10s左右與障礙物碰撞，發生事故。

無人機距左右側障礙物距離差值D=L-R

當D＞0或DK＜100m時，數據處理模塊發出向左盤旋2°“航向調”指令，根據不同機型試驗后可選取合理數據，保持當前航向后，沒有探測到危險障礙物，按當前航向飛行。

當D＜0或DK＜100m時，數據處理模塊發出向右盤旋2°“航向調”指令，保持當前航向后，沒有探測到危險障礙物，按當前航向飛行。

循環執行第（3）步，可改變無人機飛行航向避開障礙物。

使無人機處于兩側山體中心線或避開障礙物飛行，是最理想狀態。但是，由于無人機與兩側山體的距離不斷在變化，從而導致無人機飛行時不斷尋找兩側障礙物中心線位置，造成無人機頻繁調整姿態和航線，導致飛行不夠平穩。通過設定一定的距離余度差值范圍，過濾掉一些細小距離數據變化，減少無人機不必要的機動。

當D＞0時，假如設定距離余度差值在0～0.1R之間不執行動作，差值大于0.1R時執行避障，當L-R＞0.1R ,則L＞1.1R，數據處理模塊發出向左盤旋2°“航向調”指令；同樣D＜0時，則R＞1.1 L，數據處理模塊發出向右盤旋2°“航向調”指令。不斷檢測障礙距離調整航線，直至調整到安全狀態后，無人機沿預設航線經下一航程點飛行至任務區。建模數據可根據不同機型試驗結果進行合理調整匹配。

（4）當前述條件都不滿足，避障措施均未被執行或者執行后安全距離內仍有障礙物，且距離障礙物越來越近，無人機處于危險狀態，當S＜500m時，應立即發出“盤旋爬升”指令，無人機爬升至預先設定的門限值安全高度，待脫離危險時改為沿預設航線飛行。圖6為算法邏輯框圖。

圖6 數據處理模塊算法邏輯框圖。

仿真模擬驗證

構建任意連續山體邊、在山谷之間預設任意航線進行模擬，根據柵格法計算出山谷中心線，如表1所示。假如預設航線出現人為錯誤，在A點高度低于地圖上山體高程，若按預設航線飛行將會發生撞山事故。采用近程無人機避障技術，根據前述模型算法計算，求出校正航跡。無人機根據校正數據調整姿態改變航線，飛行路徑為校正航線，成功在A點避開與山體碰撞，圖7為仿真模擬驗證過程示意圖。

圖7 仿真模擬驗證過程示意圖。

表1 仿真計算數據表。

在近程無人機安裝激光雷達和數據處理模塊等設備，實現在山區飛行的避障，通過分析和仿真計算，該避障技術具備一定可行性，但離實際運用還有較大差距，需進行系列試驗和數據驗證，而且單一技術也有很大局限性，需要多種技術手段相互補充才能達到更好的避障效果，為近程無人機安全飛行提供更全面的保障。■