楊淑媛

(山西工程職業(yè)技術學院，山西 太原 030009)

旋翼無人機室內自主避障飛行研究

楊淑媛

(山西工程職業(yè)技術學院，山西 太原 030009)

無人機在軍事和民用上的廣泛應用，使其成為全球范圍的研究熱點。自主飛行控制及避障能力是保障無人機安全飛行的前提條件。本文在研究國內外旋翼無人機控制及現有避障技術的基礎上，針對靜態(tài)未知的復雜室內環(huán)境，設計了一種融合多傳感器測距及視覺技術的自主避障方案，并于四旋翼實物平臺上進行避障飛行實驗，驗證了方案的可行性。

旋翼無人機；飛行控制；避障技術；模糊控制

近年來全球自然災害頻發(fā)，嚴重影響人類生命安全，而二次災難又對營救者帶來了極大的風險，這時搜救機器人進入人們的視野，它可以代替營救者搜救被困人群?，F代科技的發(fā)展，為人們獲取危險艱難環(huán)境的信息提供了便利，尤其是在高度復雜的城市環(huán)境及山區(qū)環(huán)境，用小型無人飛行器搭載偵測設備，進行航拍及信息提取、人員搜救都更為方便。

隨著環(huán)境復雜程度的加大，避障范圍逐漸減小，如何有效安全地實現旋翼無人機自主飛行成為值得深入研究的問題。高效快速的自主避障能力成為衡量無人機智能化水平的重要指標，無人機感知環(huán)境的能力與相應的避障策略也成為避障技術的關鍵點[1]。基于以上背景，本文的研究對推動與發(fā)展旋翼無人機的理論與技術起到一定的作用，同時對加強國家軍事建設，推動各關聯產業(yè)及先進技術的發(fā)展，創(chuàng)造經濟價值等具有一定的推動作用。

1 避障控制系統設計方案

為了成功實現旋翼無人機自主避障飛行，本系統融合了傳感器測距、視覺技術、路徑規(guī)劃、防碰撞等技術[2]，使旋翼無人機能夠實時采集周圍環(huán)境信息，確定障礙物的位置及障礙物四周的開闊程度，并且根據預先設定的特征識別并跟蹤目標，實現追蹤過程中的自動避障功能。避障控制系統方案設計如圖1。

圖1 避障控制系統方案

2 環(huán)境檢測系統

本設計中，環(huán)境檢測部分運用了紅外測距傳感器、超聲波傳感器及CCD攝像機(視覺傳感器)，旋翼無人機飛行環(huán)境信息的獲取是基于多傳感器數據融合，采用模糊邏輯方法實現的。環(huán)境檢測系統方案如圖2。

圖2 環(huán)境檢測系統方案

2.1 傳感器測距

2.1.1 紅外測距傳感器

利用紅外信號遇障礙物反射信號強度的不同來判斷障礙物距離的遠近。當紅外線遇障礙物被反射，則由紅外接收電路的光敏接收管接收前方物體反射光，據此判斷前方是否有障礙物。紅外光電管接反射回的紅外線信號后將其轉化為電信號，電信號的能量大小反映了反射距離信息，旋翼無人機據此來探測機身與障礙物之間的距離，做出避障決策。

本設計選擇GP2Y0A710K0F紅外測距傳感器，其測量距離可達到100～550 cm，符合無人機探測基本要求。

2.1.2 超聲波傳感器

超聲波測距不需要與物體直接接觸，且方向性好，強度比較容易控制，是作為高度測量較為優(yōu)先考慮的手段。但由于發(fā)散角大、方向性較激光寬，超聲探測具有一定的固有角度誤差，在本設計中僅將超聲波傳感器作為定高傳感器，得到的是傳感器和地面之間的距離信息，由此來確定及穩(wěn)定旋翼無人機的飛行高度。

本設計中采用美國高精度超聲波傳感器MaxSoanr-EZ，這款超聲波傳感器分辨率可達到1 cm，有效測量距離5 m，測量信息可以脈寬或電壓兩種方式傳輸，適用于旋翼飛行器的定高測距。

2.2 視覺技術

2.2.1 圖像獲取

圖像獲取單元主要由鏡頭、彩色CCD攝像機和圖像采集卡組成。CCD攝像機裝配在無人機機身正前方，跟隨無人機同步運動實時捕獲圖像[3]。本設計選用亞安S17一體化相機。圖像采集卡通過視頻電纜的傳送獲取攝像機拍攝的模擬視頻信號，并將該信號轉換成數字視頻信號，交給圖形工作站處理。本設計采用凌華PCIe-RTV24實時圖像采集卡，它是一款CompactPCI規(guī)格的圖像采集卡，專為安保和視頻監(jiān)控應用而設計，是PC-based多通道數字視頻監(jiān)控的理想選擇。

2.2.2 圖像處理

從視覺傳感器獲取的圖像易受到噪聲干擾或是背景環(huán)境的影響，需進行圖像預處理，包括圖像的去燥、灰度化、邊緣檢測等。

實驗中原始輸入圖像是攝像頭采集768*576像素的RGB格式圖像，最大幀數25幀/s。先將彩色圖像轉換為灰度圖像，再將圖像的大小依據最近鄰域插值法原理進行縮小以節(jié)約后續(xù)計算時間[3]。此外，本設計中采用canny算子進行邊緣檢測，檢測效果良好。

3 避障路徑規(guī)劃

3.1 避障流程

無人機避障問題是在無人機實現自主飛行的基礎上進一步展開的。在飛行過程中，無人機通過所安裝的測距傳感器、定高傳感器及視覺傳感器獲取障礙物與目標相對于無人機的距離及角度信息。無人機根據障礙物信息判斷避障的緊急程度，連同緊急程度及目標信息通過避障路徑規(guī)劃算法確定下一避障導航點，然后按照backstepping飛行控制實現點到點的飛行來完成自主避障飛行，直至到達目標點為止，避障流程如圖3所示。

圖3 避障流程圖

3.2 避障控制器

本設計中，5個紅外測距傳感器安裝在無人機上，相互間隔45°，底部安裝定高超聲傳感器，正前方安裝攝像機。傳感器數據信息主要有來自攝像機的4個障礙物邊界坐標信息，5個紅外傳感器信息，1個超聲波定高信息，共10個信息。由于傳感器信息較多，而模糊規(guī)則的數量是隨著模糊輸入的增多呈指數般增長的，規(guī)則數量異常龐大，將導致控制器響應速度很慢。為滿足實時控制需求，采用一種模糊規(guī)則的數量呈線性增長的分層模糊控制器來實時控制無人機進行避障。模糊控制系統包含用來處理測距傳感器數據的緊急度模糊控制器(EFC)、速度模糊控制器(VFC)和偏航角模糊控制器(AFC)。

4 飛行試驗

經過軟硬件綜合調試、地面仿真系統測試，對自動駕駛儀控制參數進行初步調整。飛行機架采用塑料材質的Y450，如圖4?；緟等绫?。

圖4 試驗用四旋翼飛行器

相鄰電機軸距450mm起飛重量1．8kg(含電池)控制半徑1km最大滾轉俯仰角30度航向姿態(tài)控制范圍360度有效載荷1kg續(xù)航時間20min(電動)

當傳感器探測到無人機假定的安全范圍內不存在障礙物，那么無人機執(zhí)行趨向目標行為。如圖5所示，三個畫面分別是探測到障礙物，繞過障礙物，趨于目標點的三個狀態(tài)，分別將障礙物用紅色矩形框，目標用藍色矩形框標記，便于對比分析。從實驗結果可以看到無人機很好地繞開了障礙物，飛向目標。

圖5 一般避障行為

當無人機在運動時，距離前方動態(tài)障礙物體非常近，避障危險度非常大時將觸發(fā)緊急避障行為，此時，無人機緊急減速，然后觸發(fā)橫向飛行，即偏航角為零時的運動，直至探測到前方無障礙物時再繼續(xù)前行，如圖6所示。

圖6 緊急避障行為

當障礙物上方的開闊程度大于左右的開闊程度時，實行區(qū)別于地面機器人的三維運動——飛躍障礙行為，如圖7所示。

圖7 飛躍避障行為

5 結束語

本文以旋翼無人機為研究對象，以測距傳感及視覺技術為硬件基礎，以模糊控制系統作為避障控制器實現了旋翼無人機室內自主飛行避障控制，并成功應用于實物平臺實現真實環(huán)境避障穩(wěn)定飛行。

[1] 倪磊，曾慶化.依靠自身傳感器的室內無人機自主導航引導技術綜述[J].計算機應用與軟件，2012,29(8):160-163.

[2] 鐘佳朋.四旋翼無人機的導航與控制[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.

[3] 范艷鋒.室內服務機器人視覺處理與導航方法研究[D].北京:北京工業(yè)大學,2010.

Research on Indoor Obstacle Avoidance of Quad-Rotor UAV’s

Yang Shuyuan

(ShanxiEngineeringVocationalCollege,TaiyuanShanxi030009,China)

Widely applied in both civil and military domain, UAV’s (unmanned aerial vehicle) become the world-wide research focus in recent years. The abilities of autonomous flight and obstacle avoidance are prerequisites to ensure the safety of UAV’s flight. This paper designs a scheme that intergrades sensors range finding and vision technology for autonomous obstacle avoidance in view of the unknown static complex indoor environment based on the domestic and overseas study actuality. After transplanting the algorithm to quadrotor UAV’s physical platform, it makes series flight experiments of different behavior in indoor environment. The results show the feasibility of the configuration.

quadrotor UAVs; flight control; obstacle avoidance technology; fuzzy control

2016-10-31

楊淑媛(1989- )，女，山西介休人，助教，碩士研究生，研究方向：工業(yè)機器人控制。

1674- 4578(2016)06- 0086- 03

V249；V279

A