浅谈多旋翼无人机避障系统

张燚 王伟杰 田家璇 王子瑞

摘 要：为保障多旋翼无人机在低空安全飞行，搭载自动避障系统是必不可少的。无人机避障技术包含感知障碍物、绕过障碍物、场景建模和路径搜索等三个阶段。避障系统检测障碍物方法主要有红外/激光TOF测距、超声波测距、双目视觉测距、电子地图测距等。

关键词：多旋翼无人机;避障;超声波测距

1 绪论

近年来，随着计算机、传感器、人工智能技术的发展，多旋翼无人机越来越广泛地被应用于航拍、监控、探测、电力巡线、安保、农业等领域。由于城市环境多人工建筑物，无人机在低空飞行，极易发生碰撞，造成飞行事故，因而避障就成了无人机设计和使用中需要考量的地方。

2 多旋翼无人机避障系统的发展及现状

自动避障系统是保障无人机顺利完成飞行任务的重要系统，有助于无人机飞行路径的规划。自动避障系统应具备可靠、实用、灵活反应等特点，这样无人机在飞行过程中才能快速制定新的飞行路径，并及时将路径数据直接传送到飞行控制器中，完成飞行任务。

目前无人机避障技术可分为三个阶段，即感知障碍物阶段、绕过障碍物阶段，以及场景建模和路径搜索阶段。在感知障碍物阶段中，无人机只是简单地感知障碍物。当遇到障碍物时快速识别并悬停下来，等待操纵者的进一步指令。在第二阶段中，无人机通过获取障碍物的深度图像，精确判断和感知障碍物的具体轮廓，然后自主绕开障碍物。最后阶段，无人机对飞行区域形成三维立体地图模型，并规划合理线路进行飞行活动。

3 避障系统检测障碍物方法比较

避障系统检测障碍物方法主要有红外/激光TOF测距、超声波测距、双目视觉测距、电子地图测距等。

（1）红外/激光TOF测距：这种方法是利用红外线感应原理来实现测距的。红外线避障的常见实现方式就是“三角测量原理”。红外感应器包含红外发射器与CCD检测器。红外线发射器发射红外线，红外线碰到物体会发生反射，CCD检测器接收到反射光线后，根据不同距离的物体，就得到不同的反射角度，进而产生不同的偏移值，得到这些数据再经过计算，就能得出物体的距离。简言之，就是传感器发射一定频率的红外/激光信号，然后根据反射信号与原信号的相位差计算信号的飞行时间，即可换算出距离障碍物的距离。这种方法技术比较成熟，作用距离较超声波更远（数米到数百米），而且高等级的TOF传感器可以获得障碍物的深度图像，但成本高、抗干扰能力较差。该方案在当前市场中占有一定的应用规模。

（2）超声波测距：这种方法是利用超声波检测障碍物实现测距的。超声波是声波的一种，因频率高于20kHz，所以人耳听不见，且指向性强。超声波测距的原理比红外线简单。声波遇到障碍物发生反射，因已知声波的传播速度，所以只需知道发射到接收的时间差，就能计算出测量距离，再结合发射器和接收器的距离，就能算出障碍物的实际距离。超声波测距相比红外测距，价格更便宜，相应的感应速度和精度也逊色一些。但是对于较远的障碍物，测量精度会降低。此外，对于海绵等吸收声波的物体或者在大风干扰的情况下，超声波将无法工作。超声波测距传感器常用于旋翼机的距离测量，因为固定翼无人机飞的太高太快，超声波传感器用不上。

（3）双目视觉测距：这种方法是利用两个平行的摄像头进行拍摄，然后根据两幅图像之间的差异，通过复杂的算法计算出特定点的距离，当数据足够时还能生成深度图。这种方法运用了人眼估计距离的原理，即同一个物体在两个镜头画面中的坐标稍有不同，经过转换即可得到障碍物的距离。这种方法的缺点在于技术难度较高，且距离估计的误差会随着距离的变大而呈现指数型增长，但这一缺点不影响在无人机避障领域中的应用。

（4）电子地图测距：借助高分辨率的数字高程地图和城市三维建筑地图，既能避免无人机撞击重要建筑物（即禁飞区功能），也能实现多数情况下的无人机避障。数字高程地图是一个能够实时更新的三维立体地图，在军事上，例如战斧巡航导弹的远程飞行在很大程度上依赖于该地图。

4 实例应用分析

避障系统大体包括如下三个部分：避障探测系统、避障信息处理和避障策略。在旋翼机避障系统中，避障探测系统由多种传感器组成，是旋翼机感知和探测外部环境信息的途径，是决定避障系统能否实现无人机避障的基础。所以传感器的选择很重要，为数据融合提供稳定可靠的硬件基础。

鉴于项目和资源的限制，本项目选择超声波测距方法。超声波测距的避障系统进行避障大致分为三个步骤：

（1）使用空间阵列超声波模块测量前方的障碍物距离。首先利用电调作为供电模块，使用芯片驱动超声波探测距离，模块上电前，首先插上模式选择跳线上的跳线帽，使模块处于串口触发模式，输入信号即可发出超声波脉冲，然后检测回波信号，对温度值进行测量，根据温度进行校正，然后输出距离结果。

（2）飞控中的芯片根据接受数据和设定的安全距离做出决策。芯片根据设定的两级安全距离，如果有超声波传感器测得前方的距离小于第一级安全距离则产生一级报警信号，实行小量程控制，多旋翼飞行器缓慢制动;如果小于第二级安全距离，实行紧急停止的命令，达到避障提高安全性的效果。

（3）根据操作员的操作指令和报警信號综合决策。操作员的操作指令和报警信号通过组合的传输门进行最后决策，完成对前方不同级别安全距离采取不同的控制策略，实现人工和超声波智能的综合避障。

参考文献：

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