基于光流定位的室內無人機自主避障研究

周洲　陳祥祥　汪玲　丁志斌　彭渴望　胡明敏

摘 要：無人機的研究逐步成為當今的熱點，尤其是旋翼無人機，其具有空中懸停、機動性好等優勢，適合在低空環境中執行偵察及目標捕捉等任務。因而成了各大高校的研究對象。文章以一架小型四旋翼無人機為平臺，設計了無人機在無GPS定位情況下，通過光流定位模塊及飛控接收信息，進而利用激光測距實現無人機室內自主避障。

關鍵詞：室內無人機;光流定位;激光避障

1 研究的背景和意義

隨著科學技術的發展，無人機的研究成了當今熱點。由于其具有垂直起降、機動性好等方面優勢，特別適合在低空環境中執行偵察、及目標捕捉等任務。因而成了各大高校和研究機構的研究對象。然而無人機的室內飛行面臨著諸多技術問題。首先是無人機室內定位導航技術，如何在室內環境中實現無人機精確定位是其實現室內飛行的重要前提條件。其次是無人機的實時運動控制、對目標和障礙物的檢測等。對于這些技術難題，2014年國際空中機器人大賽提出了第七代任務，要求無人機在室內無外界輔助導航的情況下對多個地面機器人進行交互。在此發展背景下，不論是各大學實驗室，還是科技公司，都加入無人機的研發和應用行業。

本項目主要是為達成室內無人機在無GPS支持的工況下實現室內自主避障與精確定位飛行，通過飛控接收不同的信息，從而實現無人機的避障飛行。

2 四旋翼無人機平臺的整體設計

采用F450多旋翼無人機，整個系統主要有4個部分組成，一是飛行控制模塊，本文選用的是開源的飛控開發板;二是系統的導航模塊;三是避障模塊，采用激光避障模式;四是上位機，用來接收飛控數據。

2.1 飛行控制器

匿名飛控凌霄，其源碼可因后續開發需要進行編寫，添加新程序實現不同的功能。

2.2 避障系統

TFmini-S是一款高性價比激光測距模組。在保證12m量程（@90%反射率）的基礎上，TFmini-S據有精度高、盲區小、低功耗等優勢，在智能無人場景中，保證實時非接觸式高精度測量體驗。

2.3 光流傳感器

光流定位是借助無人機底部的一個攝像頭采集圖像數據，然后采用光流算法計算兩幀圖像的位移，進而實現無人機在室內無GPS信號的情況下高精度定位，達到更加平穩的控制[1]。

3 無人機的避障策略

3.1 激光測距系統原理

本系統基于TOF（Time of Flight）即飛行時間原理，使用 TFmini-S模塊可對障礙物實施測距，該模塊可對外發射周期性近紅外光調制波，該波遇到障礙物后發生反射。從而通過測量調制波往返相位差得到飛行時間，再經過一系列算法，可得與障礙物之間的距離[2]。

通過調用匿名飛控程序優化算法，從而實現加裝TFmini-S模塊的無人機，完成自主避障的預期目標。

3.2 激光避障系統結構設計

在自動任務中執行避障的程序流程如圖1所示。

3.3 通信協議

采用UART方式接收數據，TFmini發送數據遵循標準通信協議（見表1）。

3.4 代碼解析

對代碼通訊執行判斷，判斷飛機的飛行條件。具體代碼如圖2所示。

4 結語

此項目采用便捷輕巧多旋翼無人機，加載光流進行精確定位，遵循通信協議的前提下，進行TM模塊測距算法優化，從而實現自主避障。

因室內光照環境不明，探測元件在感知外部環境信息時無法準確獲取障礙物信息，室內布局不明朗，對飛行器機械結構和工作原理進行分析，定位和避障系統能夠滿足在普通室內環境中自主飛行的能力，可通過搭載相關設備執行多種室內任務。

[參考文獻]

[1]金正康，秦工，李朝陽，等.光流定位自主無人機的研究與應用[J].電子測試，2020（19）：52-55.

[2]薛喜地.基于深度強化學習的室內無人機避障[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2020.

（編輯 傅金睿）

Study on autonomous obstacle avoidance of indoor UAV based on optical flow positioning

Zhou Zhou， Chen Xiangxiang， Wang Ling， Ding Zhibin， Peng Kewang， Hu Mingmin

（College of Automotive Engineering， Nanjing University of Technology Pujiang，? Nanjing 211100， China）

Abstract：The research of UAV has gradually become a hot spot， especially the rotor UAV， which has the advantages of hovering in the air and good mobility， and is suitable for reconnaissance and target acquisition in low altitude environment. Therefore， it has become the research object of universities. In this paper， a small four rotor UAV is used as the platform to design a UAV. In the case of GPS positioning， the UAV can receive information through optical flow positioning module and flight control， and then realize autonomous obstacle avoidance indoor by laser ranging.

Key words：indoor UAV; optical flow positioning; laser obstacle avoidance

作者簡介：周洲（1999— ），男，江蘇沭陽人，本科生;研究方向：汽車服務工程。