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(qū)飛行，航線規(guī)劃或改變飛行路徑時也許存在失誤，導致飛行中可能發(fā)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(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊計算、識別和輸出避障信號，向飛控計算機發(fā)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(xiàn)山區(qū)飛行避障。

無人機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位越來越重要，在偵察、監(jiān)視、機動攻擊、火力校射、電子對抗等作戰(zhàn)任務中，顯示出極大優(yōu)越性。近程無人機作為各國主要戰(zhàn)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(zhàn)場生存能力。但是，近程無人機在復雜山地環(huán)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(fā)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(huán)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(huán)境信息，測量安全距離內的障礙物距離，通過計算、處理、發(fā)出預警信息、規(guī)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(chǎn)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(shù)量級，且飛行速度快、航程遠，現(xiàn)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(huán)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(jù)聲波收發(fā)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(fā)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(jù)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(yōu)劣。超聲波探測距離太近、容易被吸收，紅外線易受外界環(huán)境干擾，視覺測距系統(tǒng)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(shù)據(jù)為例，按點密度3～10個點/平方米進行采集，點云數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到正射影像，圖2所示為正射點云數(shù)據(jù)影像，能精確呈現(xiàn)高度數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)，如果障礙物方向和高度在飛行航線上，則無人機需執(zhí)行避障策略，自動判定障礙物，并改變飛行航向、俯仰姿態(tài)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(shù)據(jù)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(jīng)過數(shù)據(jù)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(fā)出避障信號，飛控計算機發(fā)指令給相應舵面，控制無人機改變航向、俯仰姿態(tài)做出避障動作，達到避障目的。圖3為近程無人機避障系統(tǒng)結構圖。

圖3 近程無人機避障系統(tǒng)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(zhí)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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理設備讀取點云數(shù)據(jù)，過濾掉因折射、云層等產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)，提取航向XY平面點云數(shù)據(jù)進行計算處理，將獲取當前航向和高度的點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)為L1,L2…Ln, 右側90°范圍障礙物距離點云數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理設備向飛控計算機發(fā)出預警信息，預警信息通過數(shù)據(jù)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(fā)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(tài)、航線、高程和地形圖進行檢查比對，制定應對策略，如降低發(fā)動機轉速減緩飛行速度、改變航向，發(fā)出爬升、盤旋等指令進行人工干預，避開障礙物。當數(shù)據(jù)鏈路中斷時，探測到前方有障礙物影響飛行，飛控系統(tǒng)執(zhí)行無人機系統(tǒng)設定的現(xiàn)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(tǒng)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(zhí)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(fā)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(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出向左盤旋2°“航向調”指令，根據(jù)不同機型試驗后可選取合理數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)處理模塊發(fā)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(huán)執(zhí)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(tài)。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(tài)和航線，導致飛行不夠平穩(wěn)。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(shù)據(jù)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(zhí)行動作，差值大于0.1R時執(zhí)行避障，當L-R＞0.1R ,則L＞1.1R，數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出向左盤旋2°“航向調”指令；同樣D＜0時，則R＞1.1 L，數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)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(tài)后，無人機沿預設航線經(jīng)下一航程點飛行至任務區(qū)。建模數(shù)據(jù)可根據(jù)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(zhí)行或者執(zhí)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(tài)，當S＜500m時，應立即發(fā)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(shù)據(jù)處理模塊算法邏輯框圖。

仿真模擬驗證

構建任意連續(xù)山體邊、在山谷之間預設任意航線進行模擬，根據(jù)柵格法計算出山谷中心線，如表1所示。假如預設航線出現(xiàn)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(fā)生撞山事故。采用近程無人機避障技術，根據(jù)前述模型算法計算，求出校正航跡。無人機根據(jù)校正數(shù)據(jù)調整姿態(tài)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(shù)據(jù)表。

在近程無人機安裝激光雷達和數(shù)據(jù)處理模塊等設備，實現(xiàn)在山區(qū)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(shù)據(jù)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?！?/p>