潘世光，尚建華，羅 遠(yuǎn)，馬鴻斌，賀 巖

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 空間激光信息技術(shù)研究中心，上海 201800)

0 引言

現(xiàn)代科技和信息技術(shù)的飛速進(jìn)步，給人類的生活帶來了翻天覆地的變化，越來越多的智能化、自動化、無人化的儀器和設(shè)備不斷涌現(xiàn)。人類傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活方式，正在逐步向智能化、無人化的模式過渡，有關(guān)無人化技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)也得到了廣泛的關(guān)注。其中，無人機(jī)是無人化智能設(shè)備的典型代表，它的出現(xiàn)給人們的生活帶來了巨大的便利，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)以及旅游業(yè)等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。然而，無人機(jī)的工作環(huán)境通常較為復(fù)雜、多變，為了靈敏、準(zhǔn)確地感知外界環(huán)境，精確避免與障礙物發(fā)生碰撞，實現(xiàn)安全、高效的自主作業(yè)，配置性能優(yōu)異的智能避障系統(tǒng)尤為重要。

1 無人機(jī)避障技術(shù)發(fā)展概述

良好的避障系統(tǒng)是確保無人機(jī)正常作業(yè)的重要前提，也是無人化設(shè)備的關(guān)鍵研發(fā)技術(shù)。本節(jié)首先對現(xiàn)有的無人機(jī)避障技術(shù)進(jìn)行介紹，并分析各技術(shù)的優(yōu)缺點；其次，對基于激光雷達(dá)的無人機(jī)避障技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述；最后，針對基于激光雷達(dá)的無人機(jī)避障技術(shù)在實際應(yīng)用中的不足進(jìn)行討論。

1.1 無人機(jī)避障技術(shù)

無人機(jī)避障技術(shù)主要包括紅外避障、超聲波避障、雙目視覺避障以及激光雷達(dá)避障四種。

紅外避障技術(shù)是利用紅外發(fā)射器發(fā)射紅外光，通過發(fā)射光和回波光時間差的測量獲得障礙物的距離信息，進(jìn)而達(dá)到避障的目的。紅外避障系統(tǒng)發(fā)展較為成熟，避障精度高且實現(xiàn)成本低，但其較依賴于障礙物的反射能力且屬于單點測距，只能獲得特定方向上的距離信息，且測距范圍較小，因此，其避障的效率和精度有限[1]。

超聲波避障技術(shù)能夠在一個方向范圍內(nèi)利用超聲波實現(xiàn)測距，并具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、能量消耗慢、成本低、易于獲得較集中的聲能等特點。然而，超聲波屬于機(jī)械波，容易受到聲波的干擾，致使無人機(jī)避障系統(tǒng)在某些應(yīng)用場合中面臨嚴(yán)重的干擾，嚴(yán)重影響了避障系統(tǒng)的測量精度。另外，超聲波的有效距離僅為5 m且檢測角度有限，因此，超聲波避障技術(shù)不利于實現(xiàn)大動態(tài)范圍的精確避障[2]。

雙目視覺避障技術(shù)的基本工作原理是利用兩個平行的攝像頭進(jìn)行拍攝，然后采用一系列的算法對兩幅圖像之間的差異(視差)進(jìn)行計算，進(jìn)而獲得特定點的距離。雙目視覺技術(shù)具有隱蔽性好、信息全面、測量束角較大、測量精度高等優(yōu)勢；但是，對于工作在復(fù)雜、惡劣環(huán)境下的無人機(jī)而言，其數(shù)據(jù)計算量龐大且對光敏感，因此較難完成高效可靠的避障任務(wù)[3]。

基于激光雷達(dá)的無人機(jī)避障技術(shù)的工作原理是利用激光測量障礙物的相對距離和角度信息。無人機(jī)利用激光雷達(dá)進(jìn)行避障時，系統(tǒng)內(nèi)部的光源按照一定的角度向外發(fā)射激光，當(dāng)遇到障礙物時會發(fā)生反射，回波信號光經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部的光電探測單元接收檢測；然后，通過計算光信號的飛行時間即可獲得與障礙物的距離、角度等信息。按照測距方法的不同，基于激光雷達(dá)的無人機(jī)避障系統(tǒng)分為脈沖式激光避障和相位式激光避障兩種[4]。較上述三種避障技術(shù)而言，該技術(shù)具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、探測距離遠(yuǎn)、適于弱光環(huán)境下探測等優(yōu)勢。并且，與傳統(tǒng)的微波雷達(dá)相比，基于激光雷達(dá)系統(tǒng)的無人機(jī)避障技術(shù)能夠提供更強(qiáng)大的感知能力，且避障系統(tǒng)的體積和質(zhì)量均得到了顯著優(yōu)化，并逐步在市場化產(chǎn)品應(yīng)用方面獲得了快速推廣[5]。

1.2 基于激光雷達(dá)的無人機(jī)避障技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，將激光雷達(dá)與其他避障技術(shù)相結(jié)合的新型避障系統(tǒng)，逐漸成為新的避障技術(shù)研究趨勢。多種避障技術(shù)手段的融合使用能夠較好地規(guī)避單一避障方案的不足，有效提高避障效率。2016年，北京理工大學(xué)的何守印[6]在四旋翼無人機(jī)的避障系統(tǒng)中融合了雙目視覺、2D激光雷達(dá)、超聲波、機(jī)載IMU和GPS等多種感知、探測、定位、導(dǎo)航傳感器，通過上述多種避障方案的使用為室內(nèi)、室外、城市、野外等不同尺度、不同環(huán)境條件下的自主避障飛行提供了可靠保證。2017年，長春理工大學(xué)的邴麗媛[7]綜合使用超聲波、激光雷達(dá)、電磁場檢測以及GPS等多種傳感器，提出了有效規(guī)避障礙物的運動策略，并在無人機(jī)電力巡線時實現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境的全方位、多角度探測和自動規(guī)避。2018年，PAPA U[8]等人在小型旋翼UAS上綜合使用了激光雷達(dá)技術(shù)和聲吶技術(shù)，為探測和躲避障礙物應(yīng)用中多技術(shù)的融合使用提供了新的思路。北京航空航天大學(xué)的唐志勇研究團(tuán)隊則是將激光雷達(dá)避障系統(tǒng)與雙目視覺攝像機(jī)結(jié)合在一起，采用人工勢場法實現(xiàn)了四旋翼無人機(jī)的避障，并通過仿真實驗證明了系統(tǒng)的可行性[9]。

1.3 基于激光雷達(dá)的無人機(jī)避障技術(shù)的應(yīng)用限制

實際應(yīng)用中，當(dāng)在無人機(jī)上搭載激光雷達(dá)避障系統(tǒng)用以實現(xiàn)300 m甚至更遠(yuǎn)距離的測距和避障時，不僅要保證較高的測距精度和探測概率，還要具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，這樣才能使無人機(jī)實時掌控自身的飛行高度信息。然而，基于傳統(tǒng)的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)實現(xiàn)這一目標(biāo)時，卻面臨著一個不可忽視的問題，即隨著無人機(jī)飛行高度的提高，系統(tǒng)的避障性能會受到激光器的自重和功耗的限制。其次，常規(guī)的低重量、低功耗的激光測距系統(tǒng)往往是通過長時間測量、以犧牲輸出速率為代價來滿足300 m以上范圍的測距需求的。為了滿足測距精度和距離信息輸出速率的要求，需要擴(kuò)大系統(tǒng)的接收口徑或提升激光器的發(fā)射功率，這將會增加激光雷達(dá)避障系統(tǒng)的重量和功耗，并將嚴(yán)重影響無人機(jī)的帶載能力。

近年來，單光子激光雷達(dá)測距技術(shù)得到了快速發(fā)展，為基于激光雷達(dá)的無人機(jī)避障技術(shù)提出了新的思路。避障系統(tǒng)借助單光子探測器實現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲取障礙物的距離、角度等信息。然而，該類探測器雖然有效提升了探測靈敏度，但卻無法分辨回波光子數(shù)。因此，在對不同反射率目標(biāo)測距時，基于單光子探測器的激光測距避障系統(tǒng)無法進(jìn)行回波灰度修正，這將嚴(yán)重影響測距精度并會引起較大的距離誤差。

2 小型化、遠(yuǎn)距離、平面掃描式激光雷達(dá)避障系統(tǒng)

為了滿足無人機(jī)避障的實際應(yīng)用需求，本文提出了一種小型化、遠(yuǎn)距離、平面掃描式激光雷達(dá)避障系統(tǒng)解決方案，依次介紹了系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)及信號處理中的核心算法思想。

2.1 系統(tǒng)解決方案

為了克服傳統(tǒng)激光雷達(dá)避障技術(shù)在無人機(jī)應(yīng)用上存在的重量、體積和功耗的限制，并在復(fù)雜地形下實現(xiàn)仿地飛行，無人機(jī)需要裝配智能的避障系統(tǒng)。隨著無人機(jī)飛行速度的不斷提升，激光雷達(dá)避障系統(tǒng)還需要具備遠(yuǎn)距離探測和定位障礙物的能力，并要達(dá)到指定的探測距離和掃描角分辨率的要求，此外，還要考慮無人機(jī)對激光雷達(dá)避障系統(tǒng)的重量、體積和功耗的限制。因此，在激光雷達(dá)避障系統(tǒng)的設(shè)計實施中，需要對上述關(guān)鍵技術(shù)和問題進(jìn)行充分考慮。

針對上述問題，本文提出的小型化、遠(yuǎn)距離、平面掃描式激光雷達(dá)避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)綜合利用單光子測距技術(shù)以及高速脈沖調(diào)制、回波高速采集、轉(zhuǎn)鏡掃描控制和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，并以FPGA作為主控芯片實現(xiàn)激光發(fā)射、回波信號采集、掃描角度獲取、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿倪壿嬁刂疲瑢⑺闷矫鎾呙钄?shù)據(jù)傳輸至避障系統(tǒng)，進(jìn)而在飛行視場內(nèi)實現(xiàn)可靠避障。

圖1 平面掃描式激光雷達(dá)避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2所示為平面掃描式激光雷達(dá)避障系統(tǒng)的工作過程。系統(tǒng)上電后，溫控模塊根據(jù)當(dāng)前溫度值，對核心部件進(jìn)行溫度控制；然后，避障系統(tǒng)開始自檢，實時讀取內(nèi)部各核心部件的溫度，當(dāng)達(dá)到指定工作溫度之后，自檢完成并向上位機(jī)上傳自檢結(jié)果；其次，上位機(jī)發(fā)布測距指令，避障系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)工作模式開始工作，激光器按照預(yù)設(shè)重頻和占空比發(fā)射工作波長為1 064 nm 的激光脈沖，信號采集模塊按照固定的時序采集信號并對信號進(jìn)行累加處理，再計算獲得探測距離和掃描角度等信息；與此同時，原始數(shù)據(jù)和計算所得信息通過以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)，并且，系統(tǒng)對內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和預(yù)警；最后，當(dāng)收到停止測距指令時，系統(tǒng)執(zhí)行程序關(guān)閉的操作。

圖2 平面掃描式激光雷達(dá)避障系統(tǒng)工作流程圖

目前，國內(nèi)許多機(jī)構(gòu)都在開展基于激光雷達(dá)的無人機(jī)避障技術(shù)的相關(guān)研究，在優(yōu)化避障性能、減少激光雷達(dá)自重和功耗限制、提高產(chǎn)品競爭力等方面均有所突破。表1所示為北京數(shù)字綠土科技有限公司的LiAir V無人機(jī)激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)、北京富斯德科技有限公司的超輕型無人機(jī)載激光掃描儀miniVUX-1DL以及本文提出的平面掃描式激光雷達(dá)避障系統(tǒng)的性能指標(biāo)比較。

表1 三種激光雷達(dá)避障系統(tǒng)的性能比較

從表1可知，本文提出的小型化、遠(yuǎn)距離、平面掃描式激光雷達(dá)避障系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)激光雷達(dá)在重量、功耗、距離范圍和掃描角分辨率等指標(biāo)之間相互制約的限制。在系統(tǒng)重量、功耗不變以及目標(biāo)反射率不同的情況下，該避障系統(tǒng)具有更高的探測靈敏度、更快的測距響應(yīng)和更好的反射率分辨能力，能夠有效提升測距精度、測距范圍和數(shù)據(jù)輸出率，較好地滿足無人機(jī)安全飛行的需求。

2.2 信號處理算法

為了提高系統(tǒng)信噪比，實現(xiàn)灰度修正，確保不同反射率目標(biāo)的測距精度，需要采取相關(guān)算法對采集到的信號進(jìn)行處理。目前，提升信噪比的算法主要包括FIR濾波算法、小波分解算法、奇異值分解算法、自相關(guān)濾波算法，其中，自相關(guān)濾波是利用了脈沖信號之間的相關(guān)性和噪聲之間的不相關(guān)性，其信噪比提升效果較其他幾種方法更加優(yōu)異。本節(jié)將描述該信號處理算法的實現(xiàn)原理，并分析參數(shù)對性能的影響。

設(shè)有效回波信號為s，噪聲信號為n，單脈沖信號幅度為A。將采集到的N個離散回波信號進(jìn)行累加操作，累加得到的第j個信號表述如下：

(1)

(2)

基于相鄰脈沖噪聲信號間的不相關(guān)性，式(2)可進(jìn)一步化簡得到：

(3)

綜上所述，N次采集回波信號累加后第j個信號可表示為：

(4)

因此，N次累加后的系統(tǒng)信噪比與累加前的信噪比之間的關(guān)系為：

(5)

3 結(jié)論

本文在總結(jié)無人機(jī)激光雷達(dá)避障國內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了一種小型化、遠(yuǎn)距離、平面掃描式激光雷達(dá)避障系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)旨在保證探測概率的前提下實現(xiàn)高靈敏測距和避障，能夠有效抑制背景光的干擾。較其他激光測距避障方案而言，該系統(tǒng)能較好地滿足功耗、體積和重量等方面的需求，尤其適用于對體積、重量要求較為苛刻的場合。針對實際避障應(yīng)用，較其他方案而言，激光雷達(dá)的研制成本過高且其自重和功耗問題在一定程度上限制了其進(jìn)一步發(fā)展，因此，需要結(jié)合具體需求，綜合考慮系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。

隨著科技的發(fā)展和研究的不斷深入，未來基于激光雷達(dá)的無人機(jī)避障技術(shù)會繼續(xù)朝著更加小型化、智能化的方向發(fā)展，多技術(shù)的融合和創(chuàng)新，會使該技術(shù)的功能更加全面、性能更加優(yōu)異，其應(yīng)用領(lǐng)域也會更為廣闊，在不同的復(fù)雜環(huán)境下都將扮演著重要的角色。