对小型多旋翼飞行器辅助避障技术的探讨

向思齐 门云阁 李思儒 邵泽盟 葛慧杰

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714007

摘要：随着科技的不断发展，小型多旋翼飞行器技术得到了快速的发展，在民用、军事等领域当中，都发挥了重要的作用。在一些地形复杂恶劣、环境危险的情况下，可以使用小型多旋翼飞行器，代替人完成工作，降低了发生安全事故的几率。在小型多旋翼飞行器飞行的过程中，由于通常面对较为复杂的飞行环境，因此，为了确保飞行安全，需要对各种障碍进行有效的躲避。基于此，本文对小型多旋翼飞行器辅助避障技术进行了设计和研究。

关键词：小型；多旋翼；飞行器；辅助避障技术

小型多旋翼飞行器具有很多方面的优势，例如价格便宜、起降环境要求低、针对性强、机动性强等，因此在各个领域当中，都逐渐得到广泛的应用。随着旋翼飞行器的不断发展，其飞行安全也受到了更大的重视。旋翼飞行器的工作环境通常是低空领域，因而在飞行中会面临较多的障礙物，如果不能准确有效的躲避障碍，将会造成旋翼飞行器的坠毁。而就目前的技术水平来看，要想实现自主避障，仍具有较大的难度，因此，辅助避障技术的研究就显得更为重要。

1 辅助避障系统原理技术

旋翼飞行器在飞行当中，依靠螺旋桨旋转产生的气流转动提供升力，其与直升机相类似，都是用螺旋桨提供动力，但也存在较大的不同。以四旋翼飞行器为例，其升力、方向的调节，是通过电机转速的改变实现的，从而对飞行姿态、位置进行控制，利用四个输入控制，实现六个自由度，因而属于欠驱动系统。在飞行控制系统中，主控芯片是最重要的部分，通常采用嵌入式处理器模块。飞行器遥控信号、姿态数据包、控制命令等，都是利用无线传输通信系统实现的。通过无线传输系统，能够实现数据的共享和信息的交互，其中，无线串口、WiFi模块、4G通信技术等，都是常用的无线传输技术[1]。

旋翼飞行器可以通过不同类型的传感器，实现飞行中的智能感知。依靠测距传感器，能够对飞行器和障碍物之间的距离进行感知。测距传感器可以通过多种方式实现，各自也具有不同的原理，因而也具有不同的性能，常用的方法原理包括了超声波测距、激光红外测距、毫米波测距等。此外，成像传感器是人们对客观世界直观感受的获取方式，通过对显示器接收的图像信息，可实现超视距远程控制。

2 辅助避障系统设计方案

在辅助避障系统中，根据不同的设计模块，主要包括通信系统、任务载荷系统、地面站系统、旋翼机机体系统等。根据不同的位置，还可分为上位机系统、下位机系统等。在无人机平台中，包括了数传收发器、图传系统、气压计、磁偏计、微型MEMS、GPS系统、热红外成像仪、高精度激光扫描仪、飞控系统等部分。在无人机机型的选择中，由于具备多样的选择范围，因此，应综合考虑载重能力、云台稳定能力、通信链路、飞行高度、飞行距离、续航时间等性能。在激光扫描仪的选型当中，激光测距技术测量精度较高[2]。

激光扫描仪通过二维激光束平面扫描，可实现精确、快速的距离检测。不过，激光测距仪同时也具有价格昂贵、安装精度要求高等问题，因而难以在短时间内普及应用。在可见光相机选型中，应考了安装、旋翼机载重等因素。此外，还包括无线传输设备、红外设备等，也要综合各方面因素进行选择。图像处理电路板是一个较为重要的部分，在设计当中，要综合考虑硬件电路时钟、电路电源、存储空间配置、I2C接口电路、视频捕捉电路、RS232接口、通用输入输出接口GPIO、视频输出电路等[3]。在软件设计当中，要根据实际需求，分别对上位机和下位机进行妥善的设计。

3 辅助避障系统数据处理

辅助避障系统激光数据，除了对障碍物分布进行实时显示之外，也在地面站文件下进行存储。工作人员根据要求，对旋翼飞行器飞行区域全局地图进行监理。在激光数据处理中，由于激光扫描仪频率较高，数据量大，因而可能会产生毛刺，影响算法性能。对此，需要先对激光数据进行预处理。然后對激光数据的特征进行提取，从激光数据点当中，对有用的信息进行提取，对环境特征进行反映。在地图创建的过程中，特征匹配是一项重要工作，可以利用改进ICP算法，通过不断重复对应点搜索，变化参数求解，得到最优化的匹配。利用获取及处理后的激光数据点，可以通过不断的迭代过程，完成对环境地图的创建。

在红外图像的处理中，需要对飞行状态下的环境噪声进行分析，将背景辐射造成的干扰排除[4]。对于已知环境，可以将背景噪声减去，或对相关基准电路进行设计，从而实现噪声的消除。消除噪声后，需要对图像进行增强处理。采用中值滤波器，对图像进行非线性处理，对领域内采样数据排序，进而对中心像素灰度进行确定，能够有效消除脉冲噪声。进行高斯平滑滤波，进行线性滤波，对领域中不同位置像素点，分别赋予不同位置像素点不同权值。通过直方图均衡化，提高图像的清晰度和对比度，从而为目标提取提供基础。

4 结论

旋翼无人机是当前一种较为常用的设备，在很多领域中都得到了广泛的应用。而在旋翼无人机的飞行过程中，如何对障碍进行有效的躲避，是一项重要的研究课题。基于此，对小型多旋翼飞行器辅助避障技术进行研究设计，确保飞行器在飞行过程中，能够更好的躲避障碍，完成飞行拍摄任务。

指导老师：门云阁

参考文献：

[1]章志诚，杜昌平.基于激光雷达的多旋翼飞行器实时避障系统[J].计算机测量与控制，2016，24（9）：117121.

[2]王一凯，陈磊，裴哲浩，等.基于最少燃耗的飞行器着陆避障控制策略[J].科学通报，2016（13）：14881494.

[3]吴鸿，冯登超.基于四旋翼飞行器的低空空域智能搜救系统设计[J].国外电子测量技术，2016，35（1）：7479.

[4]王卉，李丽霞，刘慧洁，等.基于四旋翼飞行器的光流法动态目标检测[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2017，13（1）：7681.