潘梟 王偉 華錫焱 房德國(guó)

【摘 要】：隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。無人機(jī)智能飛行研究已成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)，無人機(jī)避障技術(shù)的研究增加了無人機(jī)智能飛行的可實(shí)施性。為了更好地研究無人機(jī)避障技術(shù)，論文提出了一種基于毫米波雷達(dá)的多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)的設(shè)計(jì)方案。此方案通過機(jī)載避障傳感器毫米波雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)多旋翼無人機(jī)避障功能，另外，無人機(jī)上同時(shí)需搭載IMU、GPS、地磁等傳感器，以保證無人機(jī)的穩(wěn)定飛行。

【Abstract】With the development of UAV technology， UAV has been widely used in all aspects of production and life. The research of UAV intelligent flight has become the focus of current research， and the research of UAV obstacle avoidance technology increases the feasibility of UAV intelligent flight. In order to better study the obstacle avoidance technology of UAV， a design scheme of multi-rotor UAV obstacle avoidance technology based on millimeter wave radar is proposed in this paper. In this scheme， the millimeter wave radar of airborne obstacle avoidance sensor is used to realize the obstacle avoidance function of multi-rotor UAV. In addition， IMU， GPS， geomagnetism and other sensors are needed to ensure the stable flight of UAV.

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);避障;毫米波雷達(dá);傳感器

【Keywords】 UAV; obstacle avoidance; millimeter wave radar; sensor

【中圖分類號(hào)】TP27? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）07-0170-03

1 引言

無人機(jī)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了地面向天空的變革。近年來，人們利用無人機(jī)進(jìn)行電力巡檢、運(yùn)輸物流、航拍等重大活動(dòng)，又因無人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展，使得無人機(jī)逐步擺脫傳統(tǒng)“飛手”對(duì)飛機(jī)的實(shí)時(shí)操縱，這便給整個(gè)無人機(jī)市場(chǎng)帶來了巨大的變革。目前，無人機(jī)主要依靠機(jī)載避障傳感器來識(shí)別環(huán)境中的障礙物。在我國(guó)無人機(jī)避障的傳感器主要可以劃分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩大類。其中，被動(dòng)式感知環(huán)境的傳感器主要采用的是CMOS和CCD等光學(xué)傳感器[1]，主動(dòng)式感知環(huán)境的傳感器主要有超聲波傳感器、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等。超聲波避障技術(shù)主要是采用超聲波獲得無人機(jī)的飛行環(huán)境信息，對(duì)障礙物的距離、方向、角度等進(jìn)行判斷。利用了聲波反射測(cè)距原理，該方法的優(yōu)點(diǎn)就是技術(shù)成熟，成本很低，但缺點(diǎn)在于作用距離近。激光雷達(dá)傳感器可以獲取飛行環(huán)境信息，然后再通過對(duì)障礙物的距離、角度等信息進(jìn)行計(jì)算。激光雷達(dá)與超聲波傳感器相比，前者測(cè)量距離遠(yuǎn)、方向性好、精度高、抗干擾力強(qiáng)，但價(jià)格昂貴，成本高，遇惡劣天氣時(shí)性能會(huì)嚴(yán)重下降。相比較之下，毫米波雷達(dá)傳感器具有體積小、功耗低、作用距離遠(yuǎn)、穿透霧、煙、灰塵能力強(qiáng)，因而毫米波雷達(dá)已經(jīng)較為廣泛地運(yùn)用于各行各業(yè)[2]。本文介紹了一種基于毫米波雷達(dá)的多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)研究的工程設(shè)計(jì)方案，計(jì)算量小，效果顯著，在小型多旋翼無人機(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用上具有很大的潛力。

2 系統(tǒng)組成

多旋翼無人機(jī)上搭載了IMU、GPS、地磁、毫米波雷達(dá)等傳感器系統(tǒng)，另機(jī)載無人機(jī)控制核心飛控模塊，用于記錄多旋翼無人機(jī)飛行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模塊。IMU傳感器內(nèi)置加速度計(jì)、陀螺儀、氣壓計(jì)。陀螺儀測(cè)得的角速度信息、加速度計(jì)測(cè)得的加速度信息以及氣壓計(jì)測(cè)得的高度信息傳送給飛控，由飛行計(jì)算機(jī)計(jì)算出從機(jī)體坐標(biāo)系到參考坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，再通過這個(gè)矩陣把三軸加速度分量從機(jī)體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)移到參考坐標(biāo)系上，通過積分計(jì)算出速度和位移，再將速度和位移與輔助導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS傳感器和氣壓計(jì)傳感器）的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在這個(gè)過程中可以利用轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行無人機(jī)的姿態(tài)角解算，從而能夠準(zhǔn)確得出無人飛行器的速度和位置?；跓o人機(jī)有一個(gè)穩(wěn)定可靠的飛控系統(tǒng)后，為增添無人機(jī)智能飛行的可實(shí)施性，需機(jī)載避障傳感器。本文介紹的基于毫米波雷達(dá)的多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)研究主要使用的是毫米波雷達(dá)傳感器，機(jī)載各個(gè)傳感器通過CAN通信方式與飛控進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 障礙物探測(cè)硬件設(shè)計(jì)

3.1 毫米波雷達(dá)及其探測(cè)原理

毫米波雷達(dá)，指工作在毫米波頻段的雷達(dá)。毫米波是一種波長(zhǎng)在1～10mm，頻域在30～300GHz的電磁波。雷達(dá)一般工作模式分為Pulsed（脈沖方式）和FMCW調(diào)頻連續(xù)波方式[3]。脈沖工作方式往往要求雷達(dá)在很短時(shí)間里發(fā)射大功率的信號(hào)脈沖，硬件上收發(fā)天線往往是共用的，這樣便會(huì)容易導(dǎo)致出現(xiàn)探測(cè)盲區(qū)。連續(xù)波雷達(dá)是發(fā)射連續(xù)波信號(hào)，主要用來測(cè)目標(biāo)的速度。調(diào)頻連續(xù)波方式，能夠同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的距離，對(duì)比脈沖工作方式的硬件，其收發(fā)天線中間會(huì)有一定的間隔，基本不存在探測(cè)盲區(qū)。針對(duì)FMCW方式，雖然發(fā)射頻率不斷改變，但是頻率變化率保持不變，只需對(duì)發(fā)射和反射回來的信號(hào)做互相關(guān)，通過檢測(cè)這個(gè)頻率差fb和頻移fd，推算出距離和速度。公式如下：

式中：s為距離，v為速度，c為光速，T為信號(hào)發(fā)射周期，Δf為調(diào)頻帶寬，fb為差拍頻率，λ為信號(hào)波長(zhǎng)，fd為多普勒頻移。

3.2 硬件連接

本設(shè)計(jì)選用的是一款莫之比有限公司的避障雷達(dá)傳感器，77GHz毫米波避障雷達(dá)，雷達(dá)波束窄，能量居中，可減少無人機(jī)傾斜姿態(tài)工作時(shí)的地雜波干擾，抗干擾能力強(qiáng)：不受光線、天氣、環(huán)境噪聲影響，不受無人機(jī)電磁干擾的影響，能探測(cè)到35m以外的障礙物。數(shù)據(jù)接口支持UART和CAN口兩種方式。本設(shè)計(jì)采用的是CAN口通信方式。需注意的是，此款雷達(dá)一旦探測(cè)距離無限遠(yuǎn)便輸出負(fù)值。實(shí)物及飛機(jī)連接圖如圖1所示。毫米波雷直接通過CAN將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給飛控，目標(biāo)刷新頻率為50Hz。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)流程

無人機(jī)系統(tǒng)上電后開始進(jìn)行自檢，當(dāng)飛機(jī)檢測(cè)到機(jī)載所有傳感器正常工作并且避障傳感器毫米波雷達(dá)所探測(cè)到無人機(jī)前方無障礙物或者障礙物在安全距離內(nèi)，無人機(jī)系統(tǒng)自檢通過。無人機(jī)上位機(jī)軟件對(duì)無人機(jī)進(jìn)行打點(diǎn)操作。打點(diǎn)操作是為了對(duì)無人機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃，在無人機(jī)規(guī)劃路徑內(nèi)人為地設(shè)置障礙物。無人機(jī)執(zhí)行自主起飛操作后按規(guī)劃軌跡飛行，障礙物在安全距離內(nèi)，無人機(jī)按規(guī)劃軌跡安全飛行。小于安全距離，無人機(jī)按指定策略避開障礙物后，重新會(huì)到原設(shè)定軌跡繼續(xù)飛行，直至到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。避障流程如圖2所示。

4.2 毫米波雷達(dá)避障策略

無人機(jī)起飛后毫米波雷達(dá)開始檢測(cè)障礙物的距離，不斷地對(duì)傳給飛控的距離信息進(jìn)行判斷，如果距離信息大于飛控設(shè)定的安全距離20m（安全距離可以人為設(shè)定），無人機(jī)按照規(guī)劃軌跡安全飛行，如果無人機(jī)雷達(dá)探測(cè)到障礙物距離小于20m大于14m，無人機(jī)開始減速，飛行速度不大于3m/s，若探測(cè)到障礙物距離小于14m且大于8m，飛機(jī)速度不大于1m/s。當(dāng)距離小于8m，無人機(jī)停止前進(jìn)，飛行速度降為0，懸停于空中，此時(shí)無人機(jī)開始做轉(zhuǎn)頭處理，為了進(jìn)行后續(xù)解釋，在此定義一個(gè)機(jī)體坐標(biāo)系，它是一個(gè)正交的坐標(biāo)系且符合右手螺旋定則，為了方便角度識(shí)別，定義機(jī)頭的方向?yàn)閄軸正半軸，轉(zhuǎn)頭處理是以機(jī)頭所在X軸方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，毫米波雷達(dá)在飛機(jī)轉(zhuǎn)頭的這一過程做距離探測(cè)，若檢測(cè)到在無人機(jī)機(jī)頭順時(shí)針方向有障礙物則向逆時(shí)針進(jìn)行躲避障礙物處理，反之，若檢測(cè)到在無人機(jī)機(jī)頭逆時(shí)針方向有障礙物則向順時(shí)針進(jìn)行躲避障礙物處理。躲避障礙物后重新回歸初始設(shè)定軌跡繼續(xù)飛行，并不斷重復(fù)上述操作，直至無人機(jī)按照規(guī)定軌跡飛到最終目標(biāo)點(diǎn)。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

無人機(jī)躲避障礙物上位機(jī)顯示軌跡如圖3所示。A點(diǎn)為無人機(jī)起飛點(diǎn)，B點(diǎn)為無人機(jī)降落點(diǎn)。A、B之間有兩個(gè)障礙物，多旋翼無人機(jī)探測(cè)到障礙物并到達(dá)指定避障距離時(shí)，開始懸停做轉(zhuǎn)頭動(dòng)作，然后按照上述避障策略執(zhí)行避障，軌跡如圖3所示?？汕宄乜匆姛o人機(jī)在遇到第一個(gè)障礙物時(shí)向空曠的非障礙物側(cè)避障，第二個(gè)障礙物同樣如此。在繞過障礙物后，無人機(jī)繼續(xù)按照規(guī)定軌跡飛行，直至到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。毫米波雷達(dá)探測(cè)距離如圖4所示，無人機(jī)起飛時(shí)第一個(gè)障礙物距飛機(jī)大概在36m，無人機(jī)沿規(guī)劃軌跡飛行，距障礙物距離越來越近，當(dāng)距離小于8m時(shí)停止飛行，執(zhí)行避障，成功避障后回到初始設(shè)定軌跡，此時(shí)第二個(gè)障礙物距飛機(jī)大概30m，屬于飛機(jī)安全飛行距離，無人機(jī)正常飛行，直至距第二個(gè)障礙物8m時(shí)，執(zhí)行避障，成功避障后回到原軌跡，繼續(xù)飛行直至完成飛行任務(wù)。

5 結(jié)語

本文以多旋翼無人機(jī)為例，提供了一種基于毫米波雷達(dá)的多旋翼無人機(jī)避障技術(shù)研究方法，首先概述了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，然后研究了避障傳感器毫米波雷達(dá)的工作原理及連接方式以及軟件設(shè)計(jì)方案和避障策略，最后給出本設(shè)計(jì)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本方案已通過大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)于多旋翼無人機(jī)避障研究具有重要意義，在無人機(jī)避障市場(chǎng)上具有很大的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

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