基于超聲波與視覺的飛行安全探測研究

摘" 要：隨著科技不斷進步，無人機得到飛速發展和廣泛應用，無人機具有驅動簡單和適應性強等優點，但是其飛行安全仍有待進一步探討研究。該文利用對射式超聲波傳感器實現無人機的目標跟蹤算法，基于超聲波傳感器的指向性，調整超聲波傳感器之間的安裝方式以擴大對目標的檢測范圍，同時設計目標跟蹤算法，搭建跟蹤算法實驗驗證平臺。利用反演法的思想設計無人機的軌跡跟蹤控制算法，并利用李雅普諾夫函數證明整個系統的全局穩定性。最后，通過數值仿真與實驗的方法利用無人機對圓形軌跡和直線軌跡進行跟蹤，驗證算法的有效性和穩定性。

關鍵詞：無人機;飛行安全探測;超聲波傳感器;軌跡跟蹤;反演法

中圖分類號：V279" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0141-04

Abstract： With the continuous progress of science and technology， UAV has been rapidly developed and widely used. UAV has the advantages of simple drive and strong adaptability， but its flight safety still needs further discussion and research. In this paper， the target tracking algorithm of UAV is realized by using the shooting ultrasonic sensor. Based on the directivity of the ultrasonic sensor， the installation mode between the ultrasonic sensors is adjusted to expand the target detection range. At the same time， the target tracking algorithm is designed and the tracking algorithm experimental verification platform is built. The trajectory tracking control algorithm of UAV is designed by using the idea of inversion method， and the global stability of the whole system is proved by Lyapunov function. Finally， the circular trajectory and straight line trajectory are tracked by UAV through numerical simulation and experiments to verify the effectiveness and stability of the algorithm.

Keywords： UAV; flight safety detection; ultrasonic sensor; trajectory tracking; inversion method

隨著無人機的民用化、對軍民融合的倡導與發展，無人直升機因具有高機動性、可垂直起落、懸停等特點，被廣泛應用于軍事、農業、民用等領域。在農業植保方面，因無人直升機相對于多旋翼擁有續航時間久、負載大的優點被更加廣泛的應用。利用無人直升機噴灑農藥和對農作物生長狀態進行整體觀測時，由于應用場合復雜、飛行任務多變，對其可靠性有較高的要求，因此保障無人直升機的飛行安全有非常重要的意義。

1" 飛行安全探測硬件設計

1.1" 超聲波測距技術

無人直升機在飛行過程中的感知與避障功能的實現依賴于高可靠性的傳感器系統，而超聲波系統靈敏度高、穿透性強，能夠在夜間和黑暗環境中使用，測量精度較高，根據無人直升機實際飛行過程中出現的問題，對飛行安全探測系統的硬件及軟件進行設計，并通過實驗對所設計的系統進行性能驗證。

1.1.1" 超聲波測距原理

超聲波測距原理主要包括相位差檢測法、多頻測距法、渡越時間檢測法。相位差檢測法測距精度高[1-2]，但實現方法復雜;多頻測距法對硬件要求較高[3];渡越時間檢測法的原理是通過檢測從超聲波發射到接收回波的時間來計算距離[4-5]，原理簡單，對系統硬件要求較低，適用于實時性要求較高的場合，是目前大多數超聲波傳感器的工作原理。本文采用渡越時間檢測法對距離進行探測，原理式如式（1）所示

s=， （1）

式中：s為超聲波測得距離，m;v為超聲波的傳播速度，m/s;t為時間，s。

1.1.2" 超聲測距數據預處理與概率模型

無人直升機平臺在建立周圍環境時，傳感器讀取的數據極易受周圍環境干擾，經常會引入一些偏差較大的錯誤數據，使得環境地圖的建立精確度下降?；谏鲜鲈?，需要對超聲波測距技術進行預處理，去除錯誤數據。具體措施如下。

1）設定閾值范圍Rmin～Rmax。

2）去除連續數據中的跳變數據。

3）超聲波傳感器組間數據互擾處理。

超聲波讀數時，由于波束角大、角分辨率低，會導致無人直升機與障礙物的相對位置具有不確定性?？刹捎贸暩怕誓Ｐ徒档驼系K物相對位置的不確定性。

1.1.3" 超聲波實物與應用

本文采用HC-SR04和SRF02兩種超聲波傳感器模塊進行實驗研究，得到不同距離下的測距數據。HC-SR04模塊的成本低，測距的盲區也只有30 mm，然而穩定性和精度較SRF02模塊低;SRF02模塊測距穩定，精度高，但分辨率為厘米級。因此，可選用以SRF02模塊為主，HC-SR04模塊為輔的形式進行障礙物定位。

1.2" 視覺避障技術

1.2.1" 雙目攝像頭

在無人直升機執行農保任務的飛行過程中需要及時反應，避免與障礙物發生碰撞[6]，因此不僅需要較快的處理速度與較遠的探測距離，同時還需要較輕的質量與相對合適的尺寸，并適應系統在PC端統一處理數據的需求。如圖1所示。

雙目立體相機[6]是通過傳感器同步獲取雙目圖像并在計算機上進行深度計算，擁有高分辨率與較遠的檢測距離的同時適用于飛行區安全探測系統在PC端處理數據的要求。

1.2.2" 雙目立體相機性能參數

可以捕捉高分辨率和高幀率的3D視頻，20 m的室內和室外的深度感知距離和6自由度的位置跟蹤是雙目立體相機的主要特征。雙目立體相機捕捉的視頻的基本模式與速度見表1。

雙目立體相機的每個傳感器都有4 M像素的分辨率，可對相機的分辨率、幀率、曝光、亮度、對比度和飽和度等進行設置。雙目立體相機的幾何參數與連接方式見表2。

1.3" 飛行安全探測硬件測試

檢測平臺需要保證功能的實現并與直升機主飛控隔離，避免干擾主飛控。故對于設備的可靠性與安全性要求較高，先對所設計系統的采集板與傳感器進行測試。

系統硬件組成后需要對傳感器進行測試與標定，以確保測量的準確性。視覺傳感器采用棋盤格的方法進行標定，而溫度、轉速等傳感器和采集板采用實驗對比的方法進行標定。

1）雙目立體視覺標定。雙目立體視覺相機的標定選用棋盤格法，使用標準的棋盤格圖片，以不同位置不同角度拍攝多張圖片，對每張圖片提取角點，為了提高標定精度，降低相機的標定偏差，在提取的角點上進一步提取亞像素角點信息，將偏差控制在0.5個像素之內。獲得棋盤標定圖的內角點坐標后，對棋盤的空間坐標系進行初始化，生成相機的內參矩陣和畸變系數。最后利用棋盤格對標定結果進行驗證。

2）傳感器與采集板標定。為了使測量結果更加準確，需要設置地面站軟件的標定系數。以開發板進行傳感器標定參數測試，從而確定需要設置的標定系數[7]。標定實驗的設備連接圖如圖2所示。

先將通過系統測得的溫度與實際測量溫度進行對比，進行傳感器的測試。再將傳感器分別與開發板和采集板連接后從地面站軟件讀取的數據進行對比，對采集板進行測試。

利用雙目立體相機標定經過初步的測試，傳感器和采集板的性能基本穩定，可滿足設計要求，功能基本實現。

2" 飛行安全探測軟件設計

2.1" 通信協議

信息采集部分基于CAN總線進行模塊間串行級聯，并通過CAN總線接收上位機指令，來執行數據采集程序，并返回測得的數據。

2.2" 地面站系統設計

本文采用自主研制的某型號無人直升機系統進行研究，其系統主要包括無人直升機機體系統、任務載荷系統、地面站系統、遙控接收系統和通信系統等。圖3展示了該型號無人直升機的系統構成與工作原理。

2.2.1" 地面站系統介紹

地面站系統分為飛行控制與信息收集2部分，由飛行控制系統控制無人直升機的飛行，由信息收集部分采集無人直升機相關參數監測無人直升機的飛行狀態。

2.2.2" 無人直升機機載信息采集系統地面站任務

無人直升機機載信息采集系統地面站需實現顯示與存儲功能，通過點擊地面站采集按扭控制設備開始顯示與存儲所測數據。

2.3" 地面站搭建

地面站搭建主要依靠Visual Studio軟件，通過MFC（Microsoft Foundation Classes）程序設計繪制窗口界面，給每個按鍵賦值，實現開啟采集、保存記錄等功能。MFC有著清晰的類層次結構、操作簡單、完成的程序資源占用較少等優點，是一種面向對象的程序設計。

2.3.1" 串口庫設計

數據采集其實是對串口庫進行多線程調用。通過串口程序可以實現讀取、查詢、調用當前采集的電氣狀態，包括采集板采集的油量、溫度、轉速等數據。

2.3.2" 視覺感知信息處理

無人直升機系統采集地面站上加入視覺感知部分回傳的圖像信息，以確定無人直升機前方障礙物的形狀、距離等信息。雙目立體相機的內外參數結果見表3。

利用SIFT特征提取特征點，提取后通過Ratio Test方法對匹配結果進行誤匹配的排除，得到匹配點的坐標，通過findEssentialMat（）函數求取本征矩陣，分解后得到R、T變換矩陣，最后利用OpenCV的三角化函數進行重建。其中Ratio Test方法利用KNN算法找到與之最匹配的2個特征，若2個特征的匹配距離之比小于設定閾值，則認為匹配正確，否則視為誤匹配。

3" 飛行安全探測系統測試

3.1" 系統標定

將傳感器與開發板連接后從地面站軟件讀取數據，與實際數據進行對比，進行標定實驗。將溫度傳感器測得的溫度與溫度計對比，確定標定系數。

由于油量傳感器自身分為5檔的原因，采用分級標定的方式進行油量傳感器的標定，將油量傳感器放入滿油量20 L的油箱中，記錄阻值，隨著油量的減少，每減少4 L為一個等級，記錄阻值，確定標定系數。將轉速傳感器連接至發動機上，將測得的數據與FUTABA遙控器顯示的數據進行對比，確定速度調節系數（周期系數與分頻系數）。標定系數見表4。

軟硬件結合標定的最大好處就是在傳感器需要更換時，無須將系統整個卸下，僅需要拆卸需要更換的傳感器，更換后通過軟件進行修正補償即可。省去了后期煩瑣的修繕工作。

3.2" 采集系統測試

檢測平臺需要保證功能的實現并與無人直升機主飛控隔離，避免干擾主飛控。故對于設備的可靠性與安全性要求較高。

經過初期階段的摸索，并發現大量問題之后，意識到需要制作出適合本項目使用的多接口、多芯片的采集板，所以對實驗設備進行了升級，去掉了之前煩瑣的設備，取而代之的是自主制作的帶有減振設施與電源隔離的主控板。較之初期的實驗設備，現階段的設備主要有以下方面的優勢：

1）可同時將多組傳感器數據回傳至地面站中進行顯示與記錄;

2）安裝時增加了減振墊，使無人直升機在飛行過程中采集板不會因振動過大而發生破壞;

3）設計的采集板增設了電源隔離與電磁屏蔽，在采集板電源不干涉直升機主控電源的同時保證了傳輸信號的準確性。

4" 結論

本文搭建了農用無人直升機飛行安全探測系統，對農用無人直升機飛行安全探測系統的穩定性與準確性進行了測試，驗證了系統的性能?；诹黧w擾動的航路規劃，并將其與無人直升機的飛行性能融合，制定了避障策略;以超聲波測距作為預警，保證直升機不與障礙物發生碰撞，保障了直升機可以安全飛行。但由于超聲波傳感器存在一定的指向性與互擾性，無法實現四周探測，后續將依靠視覺系統優化無人直升機的四周安全。

參考文獻：

[1] 沈夢婷.基于相位檢測的高精度異體收發式超聲波測距系統[D].天津：天津大學，2014.

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[3] 田偉.無人作戰飛機航路規劃研究[D].西安：西北工業大學，2007：15-26.

[4] 王麗娜.基于小波變換高精度在線超聲波測距技術研究[D].長春：長春理工大學，2009.

[5] 夏繼強，鄭昆，鄭健峰，等.基于STM32的收發一體式超聲波測距系統[J].儀表技術與傳感器，2014（8）：43-45，52.

[6] 張博翰，蔡志浩，王英勛.電動VTOL飛行器雙目立體視覺導航方法[J].北京航空航天大學學報，2011，37（7）：882-887.

[7] 任佳，高曉光，張艷.移動威脅情況下的無人機路徑規劃[J].控制理論與應用，2010，27（5）：641-647.