一种小型化、远距离、平面扫描式激光雷达避障系统

潘世光，尚建华，罗 远，马鸿斌，贺 岩

(1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.中国科学院上海光学精密机械研究所 空间激光信息技术研究中心，上海 201800)

0 引言

现代科技和信息技术的飞速进步，给人类的生活带来了翻天覆地的变化，越来越多的智能化、自动化、无人化的仪器和设备不断涌现。人类传统的生产和生活方式，正在逐步向智能化、无人化的模式过渡，有关无人化技术和设备的研发也得到了广泛的关注。其中，无人机是无人化智能设备的典型代表，它的出现给人们的生活带来了巨大的便利，在工业、农业、商业以及旅游业等领域均得到了广泛的应用。然而，无人机的工作环境通常较为复杂、多变，为了灵敏、准确地感知外界环境，精确避免与障碍物发生碰撞，实现安全、高效的自主作业，配置性能优异的智能避障系统尤为重要。

1 无人机避障技术发展概述

良好的避障系统是确保无人机正常作业的重要前提，也是无人化设备的关键研发技术。本节首先对现有的无人机避障技术进行介绍，并分析各技术的优缺点；其次，对基于激光雷达的无人机避障技术的研究现状进行阐述；最后，针对基于激光雷达的无人机避障技术在实际应用中的不足进行讨论。

1.1 无人机避障技术

无人机避障技术主要包括红外避障、超声波避障、双目视觉避障以及激光雷达避障四种。

红外避障技术是利用红外发射器发射红外光，通过发射光和回波光时间差的测量获得障碍物的距离信息，进而达到避障的目的。红外避障系统发展较为成熟，避障精度高且实现成本低，但其较依赖于障碍物的反射能力且属于单点测距，只能获得特定方向上的距离信息，且测距范围较小，因此，其避障的效率和精度有限[1]。

超声波避障技术能够在一个方向范围内利用超声波实现测距，并具有方向性好、穿透能力强、能量消耗慢、成本低、易于获得较集中的声能等特点。然而，超声波属于机械波，容易受到声波的干扰，致使无人机避障系统在某些应用场合中面临严重的干扰，严重影响了避障系统的测量精度。另外，超声波的有效距离仅为5 m且检测角度有限，因此，超声波避障技术不利于实现大动态范围的精确避障[2]。

双目视觉避障技术的基本工作原理是利用两个平行的摄像头进行拍摄，然后采用一系列的算法对两幅图像之间的差异(视差)进行计算，进而获得特定点的距离。双目视觉技术具有隐蔽性好、信息全面、测量束角较大、测量精度高等优势；但是，对于工作在复杂、恶劣环境下的无人机而言，其数据计算量庞大且对光敏感，因此较难完成高效可靠的避障任务[3]。

基于激光雷达的无人机避障技术的工作原理是利用激光测量障碍物的相对距离和角度信息。无人机利用激光雷达进行避障时，系统内部的光源按照一定的角度向外发射激光，当遇到障碍物时会发生反射，回波信号光经系统内部的光电探测单元接收检测；然后，通过计算光信号的飞行时间即可获得与障碍物的距离、角度等信息。按照测距方法的不同，基于激光雷达的无人机避障系统分为脉冲式激光避障和相位式激光避障两种[4]。较上述三种避障技术而言，该技术具有分辨率高、抗干扰能力强、探测距离远、适于弱光环境下探测等优势。并且，与传统的微波雷达相比，基于激光雷达系统的无人机避障技术能够提供更强大的感知能力，且避障系统的体积和质量均得到了显著优化，并逐步在市场化产品应用方面获得了快速推广[5]。

1.2 基于激光雷达的无人机避障技术的研究现状

目前，将激光雷达与其他避障技术相结合的新型避障系统，逐渐成为新的避障技术研究趋势。多种避障技术手段的融合使用能够较好地规避单一避障方案的不足，有效提高避障效率。2016年，北京理工大学的何守印[6]在四旋翼无人机的避障系统中融合了双目视觉、2D激光雷达、超声波、机载IMU和GPS等多种感知、探测、定位、导航传感器，通过上述多种避障方案的使用为室内、室外、城市、野外等不同尺度、不同环境条件下的自主避障飞行提供了可靠保证。2017年，长春理工大学的邴丽媛[7]综合使用超声波、激光雷达、电磁场检测以及GPS等多种传感器，提出了有效规避障碍物的运动策略，并在无人机电力巡线时实现了复杂环境的全方位、多角度探测和自动规避。2018年，PAPA U[8]等人在小型旋翼UAS上综合使用了激光雷达技术和声呐技术，为探测和躲避障碍物应用中多技术的融合使用提供了新的思路。北京航空航天大学的唐志勇研究团队则是将激光雷达避障系统与双目视觉摄像机结合在一起，采用人工势场法实现了四旋翼无人机的避障，并通过仿真实验证明了系统的可行性[9]。

1.3 基于激光雷达的无人机避障技术的应用限制

实际应用中，当在无人机上搭载激光雷达避障系统用以实现300 m甚至更远距离的测距和避障时，不仅要保证较高的测距精度和探测概率，还要具有较高的数据传输速率，这样才能使无人机实时掌控自身的飞行高度信息。然而，基于传统的激光雷达测距系统实现这一目标时，却面临着一个不可忽视的问题，即随着无人机飞行高度的提高，系统的避障性能会受到激光器的自重和功耗的限制。其次，常规的低重量、低功耗的激光测距系统往往是通过长时间测量、以牺牲输出速率为代价来满足300 m以上范围的测距需求的。为了满足测距精度和距离信息输出速率的要求，需要扩大系统的接收口径或提升激光器的发射功率，这将会增加激光雷达避障系统的重量和功耗，并将严重影响无人机的带载能力。

近年来，单光子激光雷达测距技术得到了快速发展，为基于激光雷达的无人机避障技术提出了新的思路。避障系统借助单光子探测器实现光电信号的转换，进而获取障碍物的距离、角度等信息。然而，该类探测器虽然有效提升了探测灵敏度，但却无法分辨回波光子数。因此，在对不同反射率目标测距时，基于单光子探测器的激光测距避障系统无法进行回波灰度修正，这将严重影响测距精度并会引起较大的距离误差。

2 小型化、远距离、平面扫描式激光雷达避障系统

为了满足无人机避障的实际应用需求，本文提出了一种小型化、远距离、平面扫描式激光雷达避障系统解决方案，依次介绍了系统的设计参数及信号处理中的核心算法思想。

2.1 系统解决方案

为了克服传统激光雷达避障技术在无人机应用上存在的重量、体积和功耗的限制，并在复杂地形下实现仿地飞行，无人机需要装配智能的避障系统。随着无人机飞行速度的不断提升，激光雷达避障系统还需要具备远距离探测和定位障碍物的能力，并要达到指定的探测距离和扫描角分辨率的要求，此外，还要考虑无人机对激光雷达避障系统的重量、体积和功耗的限制。因此，在激光雷达避障系统的设计实施中，需要对上述关键技术和问题进行充分考虑。

针对上述问题，本文提出的小型化、远距离、平面扫描式激光雷达避障系统结构框图如图1所示。该系统综合利用单光子测距技术以及高速脉冲调制、回波高速采集、转镜扫描控制和网络通信等技术，并以FPGA作为主控芯片实现激光发射、回波信号采集、扫描角度获取、信号处理、数据传输等功能的逻辑控制，将所得平面扫描数据传输至避障系统，进而在飞行视场内实现可靠避障。

图1 平面扫描式激光雷达避障系统结构框图

图2所示为平面扫描式激光雷达避障系统的工作过程。系统上电后，温控模块根据当前温度值，对核心部件进行温度控制；然后，避障系统开始自检，实时读取内部各核心部件的温度，当达到指定工作温度之后，自检完成并向上位机上传自检结果；其次，上位机发布测距指令，避障系统按照预设工作模式开始工作，激光器按照预设重频和占空比发射工作波长为1 064 nm 的激光脉冲，信号采集模块按照固定的时序采集信号并对信号进行累加处理，再计算获得探测距离和扫描角度等信息；与此同时，原始数据和计算所得信息通过以太网传送给上位机，并且，系统对内部参数进行实时监测和预警；最后，当收到停止测距指令时，系统执行程序关闭的操作。

图2 平面扫描式激光雷达避障系统工作流程图

目前，国内许多机构都在开展基于激光雷达的无人机避障技术的相关研究，在优化避障性能、减少激光雷达自重和功耗限制、提高产品竞争力等方面均有所突破。表1所示为北京数字绿土科技有限公司的LiAir V无人机激光雷达扫描系统、北京富斯德科技有限公司的超轻型无人机载激光扫描仪miniVUX-1DL以及本文提出的平面扫描式激光雷达避障系统的性能指标比较。

表1 三种激光雷达避障系统的性能比较

从表1可知，本文提出的小型化、远距离、平面扫描式激光雷达避障系统突破了传统激光雷达在重量、功耗、距离范围和扫描角分辨率等指标之间相互制约的限制。在系统重量、功耗不变以及目标反射率不同的情况下，该避障系统具有更高的探测灵敏度、更快的测距响应和更好的反射率分辨能力，能够有效提升测距精度、测距范围和数据输出率，较好地满足无人机安全飞行的需求。

2.2 信号处理算法

为了提高系统信噪比，实现灰度修正，确保不同反射率目标的测距精度，需要采取相关算法对采集到的信号进行处理。目前，提升信噪比的算法主要包括FIR滤波算法、小波分解算法、奇异值分解算法、自相关滤波算法，其中，自相关滤波是利用了脉冲信号之间的相关性和噪声之间的不相关性，其信噪比提升效果较其他几种方法更加优异。本节将描述该信号处理算法的实现原理，并分析参数对性能的影响。

设有效回波信号为s，噪声信号为n，单脉冲信号幅度为A。将采集到的N个离散回波信号进行累加操作，累加得到的第j个信号表述如下：

(1)

(2)

基于相邻脉冲噪声信号间的不相关性，式(2)可进一步化简得到：

(3)

综上所述，N次采集回波信号累加后第j个信号可表示为：

(4)

因此，N次累加后的系统信噪比与累加前的信噪比之间的关系为：

(5)

3 结论

本文在总结无人机激光雷达避障国内外研究进展的基础上，提出了一种小型化、远距离、平面扫描式激光雷达避障系统方案，该系统旨在保证探测概率的前提下实现高灵敏测距和避障，能够有效抑制背景光的干扰。较其他激光测距避障方案而言，该系统能较好地满足功耗、体积和重量等方面的需求，尤其适用于对体积、重量要求较为苛刻的场合。针对实际避障应用，较其他方案而言，激光雷达的研制成本过高且其自重和功耗问题在一定程度上限制了其进一步发展，因此，需要结合具体需求，综合考虑系统的设计参数，并进行适当的优化。

随着科技的发展和研究的不断深入，未来基于激光雷达的无人机避障技术会继续朝着更加小型化、智能化的方向发展，多技术的融合和创新，会使该技术的功能更加全面、性能更加优异，其应用领域也会更为广阔，在不同的复杂环境下都将扮演着重要的角色。