王梓豪，朱 波,2，王 奇，厚秉新，秦開宇*

(1.電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院 成都611731；2.中山大學(xué)航空航天學(xué)院 廣州510006)

旋翼機集群編隊穿越障礙技術(shù)是一個多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，涉及到了編隊飛行控制[1-2]、無人機集群自組織網(wǎng)絡(luò)[3-4]、機載傳感器數(shù)據(jù)融合[5-6]及空間環(huán)境智能感知[7-8]等。其中，旋翼機集群對目標(biāo)的感知定位與避障能力是其完成復(fù)雜飛行任務(wù)的重要基礎(chǔ)之一。考慮到旋翼機的載荷能力，輕便型視覺傳感器是作為輔助定位與避障穿越任務(wù)的良好選擇。針對此類問題，國內(nèi)外已經(jīng)展開了相關(guān)研究，文獻[9-12]提供了目前常見的一些基于視覺輔助的旋翼機編隊導(dǎo)航方案；文獻[13-14]提供了基于主?從式(leader-follower)異構(gòu)旋翼機編隊的導(dǎo)航方案。此外，在近地面低空飛行的情況下，由于氣壓計不穩(wěn)定帶來的旋翼機與地面相對測高誤差也是一個需要解決的難題。隨著激光雷達的發(fā)展，小型LiDAR激光傳感器可作為旋翼機低空測高的良好選擇，研究者們也開始關(guān)注該領(lǐng)域的相關(guān)問題，如基于LiDAR的地形測量[15]、機載LiDAR輔助避障[16]、LiDAR與慣性導(dǎo)航器件融合定位[17]等。

旋翼機編隊技術(shù)應(yīng)用廣泛，如空中偵測、編隊作戰(zhàn)打擊、無人機物流等。這些應(yīng)用中涉及穿越復(fù)雜障礙[18-20]，如峽谷、高樓縫隙、大型物流倉庫的門窗等。如何為無人機提供有效的環(huán)境感知和穿越障礙技術(shù)是一個亟待解決的問題。基于以上思考，本文提出一種飛行通道約束的概念，將街道兩邊建筑或者具有直線特征的障礙抽象成類似矩形門框的兩條豎邊，并精準(zhǔn)估計門框的中心點，以此作為期望航點實現(xiàn)對障礙的穿越。

該研究內(nèi)容參加了2018年由空軍裝備部舉辦的首屆“無人爭鋒”智能無人機集群系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽科目1(SC-1)：密集編隊穿越競速賽。主要研究貢獻如下：

1)完成異構(gòu)無人機編隊穿越仿真驗證，并構(gòu)建了一套無人機集群編隊飛行實機軟硬件測試平臺；

2)設(shè)計一種基于單目視覺輔助的目標(biāo)相對定位方法，實現(xiàn)了無人機編隊在線實時穿越與路徑規(guī)劃；

3)設(shè)計一套多傳感器融合的安全飛行策略，并設(shè)計一種基于激光定高數(shù)據(jù)的時域濾波器，為無人機編隊在低空復(fù)雜環(huán)境中的飛行定高提供保障。

1 無人機編隊穿越技術(shù)總體框架

總體框架研究將小旋翼無人機編隊穿越系統(tǒng)分為硬件、軟件和算法3個層面，如圖1所示。

圖1 無人機編隊穿越障礙技術(shù)框圖

以此技術(shù)框架為基礎(chǔ)，進一步研究基于視覺輔助的小旋翼無人機編隊穿越障礙技術(shù)，以解決主?從式異構(gòu)旋翼機編隊飛行任務(wù)中的避障穿越、路徑規(guī)劃、安全飛行策略等技術(shù)問題。

2 無人機編隊硬件平臺構(gòu)建

旋翼機分為主機和從機兩個型號，主機采用550 mm軸距機架和14寸槳葉，質(zhì)量為630 g，最大載重6 kg。從機采用360 mm軸距機架和9寸槳葉，機架總重量為267 g，最大載重3 kg。此外，主機將額外搭載機載英特爾迷你i7處理器、機載路由器、單目視覺傳感器和云臺，擔(dān)負(fù)起地面站軟件控制、WIFI廣播、障礙感知與定位等重要任務(wù)。圖2展示了試飛準(zhǔn)備階段的主機和從機實物圖。

圖2 試飛階段實機展示圖

主機搭載3自由度云臺的單目視覺傳感器為避障穿越提供輔助視覺輸入信息。該攝像頭具有輕便、低成本、安裝便捷等特點，最大分辨率1 600×1 200，焦距2.8 mm，刷新率30 Hz，模塊尺寸30 mm×30 mm。采用采樣率500 Hz工業(yè)級激光傳感器LiDAR Lite輔助定高，實現(xiàn)低空飛行條件下對地面的精確相對定高。根據(jù)光照條件不同，實測該激光雷達有效距離為16～40 m之間。

主機的機載型地面站可以通過WiFi路由器實現(xiàn)和從機的WiFi收發(fā)模塊進行通信，實現(xiàn)位置信息、控制指令的交互。相比于傳統(tǒng)的固定地面站，由于主機采用機載地面站和機載WiFi路由器的形式，較好地保障了與附近從機指令交互的實時性。此外，地面控制人員若發(fā)現(xiàn)異常，可以利用遠距離數(shù)傳模塊實現(xiàn)編隊一鍵返航功能，進一步提升了集群飛行的安全性。

3 編隊飛行軟件設(shè)計

平臺采用的地面站軟件是由北京飛行魔方科技有限公司利用Mission Planner二次開發(fā)的無人機編隊控制地面站軟件。該地面站主要由飛行器管理、任務(wù)設(shè)計、實時控制、實時數(shù)據(jù)查看等部分組成。本文利用Visual Studio 2015開發(fā)了基于視覺避障算法和數(shù)傳通信的專用開發(fā)包，該開發(fā)包基于編隊控制軟件提供的服務(wù)使用命名管道實現(xiàn)雙向通訊，保證了兩個進程通訊的可靠性和時效性，通過管道發(fā)送命令字符控制編隊。利用開發(fā)的視覺避障模塊，可以向該地面站發(fā)布最新航點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無人機集群的在線路徑規(guī)劃與避障穿越功能；利用遠距離數(shù)傳模塊實現(xiàn)緊急返航等功能。利用開發(fā)包和無人機地面站軟件，可以實時監(jiān)控?zé)o人機集群的基本飛行狀態(tài)、定位數(shù)據(jù)、航跡規(guī)劃軌跡等信息。

4 編隊避障穿越算法設(shè)計

4.1 視覺識別與輔助定位算法

當(dāng)旋翼機編隊發(fā)現(xiàn)并接近待穿越的障礙區(qū)域時，主機利用視覺傳感器獲取目標(biāo)障礙的圖像信息后求解其幾何穿越點的相對3D空間位置。利用低精度的GPS獲取了多幀圖像間的基線，采用三角定位初步估計目標(biāo)穿越點并模擬出穿越路徑。由于GPS模塊往往存在1～5 m的定位估計誤差，需要在飛行過程中利用多幀2D圖像進行連續(xù)跟蹤，修正穿越點的空間位置坐標(biāo)使得其保持在2D圖像的中心區(qū)域，算法流程如圖3所示。

圖3 視覺識別與避障算法流程圖

假設(shè)兩張圖中同一特征角點空間坐標(biāo)為P(X,Y,Z)，其投影在2D圖像的坐標(biāo)為p2(x2,y2,z2)和p1(x1,y1,z1)。兩幀間相機運動為[R,t]，其中R為旋轉(zhuǎn)矩陣，t為平行向量。由于相機安裝了云臺，可知旋轉(zhuǎn)矩陣R為單位矩陣，因此兩幀圖像的空間變化由位移向量t表征，可得為基線長度即為t。

根據(jù)對極幾何理論可以知，設(shè)x1,x2為p1,p2特征點歸一化坐標(biāo)，它們滿足：

上式左側(cè)為0，可以看做是未知數(shù)為z2的方程進行求解，同理可以求得z1。已知目標(biāo)深度后，可以利用單目針孔模型獲得穿越點空間位置，并將穿越航點下發(fā)到地面站。利用多幀實時解算連續(xù)修正穿越點定位誤差，以提高成功穿越障礙的概率。當(dāng)發(fā)現(xiàn)穿越點計算偏離原值大于0.1 m時，進行實時路徑規(guī)劃修正。

4.2 編隊飛行與控制策略

4.2.1多傳感器定高保護算法

一方面，考慮到氣壓計和GPS信號融合獲得的高度信息通常存在0.3～0.8 m的誤差，因此采用激光雷達測高作為輔助手段。另一方面，為了防止激光定高數(shù)據(jù)抖動或者故障時旋翼機出現(xiàn)沖高等危險動作，采用激光、氣壓計、GPS信號同時對高度進行估計：

1)在0～16 m：正常飛行避障條件下，激光作為主要參考，利用濾波后的激光數(shù)據(jù)作為無人機相對地面的測高值；

2)在12 m以上：加入Pixhawk內(nèi)部融合的氣壓計和GPS信息作為保護，如果檢測到激光定高數(shù)據(jù)相對Pixhawk內(nèi)部相對高度數(shù)據(jù)值偏離超過2 m即判定激光數(shù)據(jù)異常，則自動切換到Pixhawk內(nèi)部氣壓計和GPS信號融合的定高數(shù)據(jù)。

4.2.2基于激光數(shù)據(jù)的時域濾波方法

考慮到在低空區(qū)域更多關(guān)注無人機集群相對地面的高度，針對激光定高數(shù)據(jù)面對地面變化時抖動大容易引起飛行控制環(huán)路產(chǎn)生過調(diào)節(jié)現(xiàn)象或者震蕩反饋等問題，給出了一種時域濾波方法：

式中， HFn為n時刻待求的無人機期望高度； HFn?1為n?1時 刻已知的無人機期望高度； HLn?1為n?1時刻的激光雷達數(shù)據(jù)。S定義為濾波補償項：

4.2.3編隊飛行安全距離策略

考慮到異構(gòu)無人機編隊采用的是主?從結(jié)構(gòu)，且視覺傳感器搭載在主機上。因此，編隊采用了一字型方案，主機在前，從機跟隨排列，從而提供更可靠和寬闊的視覺輸入信息?？紤]到GPS誤差等因素，設(shè)定單個飛機水平安全防碰撞區(qū)域為2.5 m，機間水平方向間隔保持5 m。垂直地面方向考慮有激光傳感器，定位精度相對較高，設(shè)定單個飛機垂直安全防碰撞區(qū)域為2 m，考慮到氣流氣壓等因素，機間垂直方向安全距離為4 m。

4.3 無人機集群編隊邏輯

結(jié)合“無人爭鋒”比賽的實驗試飛場地，編隊穿越飛行測試流程如下：1)無人機編隊利用機載地面站發(fā)布起飛指令后，一字型編隊飛行到各個門框障礙附近并搜索門框目標(biāo)；2)利用主機的單目相機和LiDAR激光等傳感器實現(xiàn)障礙目標(biāo)定位，解算穿越點的空間坐標(biāo)和穿越航向角，并分配各個無人機的穿越路線；3)利用地面站軟件將最終航點下發(fā)到其他從機，無人機編隊進行穿越障礙并向下一個障礙區(qū)域編隊飛行；4)依次完成4個門框的穿越任務(wù)，返回起飛點完成安全降落。

此外，利用4.2節(jié)中的保護策略和pixhawk中的故障保護設(shè)計，一旦發(fā)生主機丟失、墜毀等嚴(yán)重事故，從機將自動切換一鍵返航，達到減小機群損失的目的。

5 仿真實驗與實機編隊飛行驗證

5.1 定高時域濾波器仿真

針對4.2.2節(jié)的濾波器，仿真中對兩種地形進行模擬與分析：1)具有連續(xù)坑洼和樹木的地形，在該類地形條件下，通常希望濾波器能過濾激烈的數(shù)據(jù)抖動，保持平穩(wěn)飛行。2)具有臺階特征的地形，在該類地形條件下，通常希望無人機能保持和地面的相對高度，并在臺階處作平滑上升動作，減少激烈的陡然攀升動作。

模擬飛行高度相對于地面為5 m，設(shè)定氣壓計噪聲為標(biāo)準(zhǔn)差0.20、方差1、均值0的高斯噪聲；激光噪聲為標(biāo)準(zhǔn)差0.01、方差1、均值0的高斯噪聲；在不同阻力因子R下的仿真激光數(shù)據(jù)的濾波輸出結(jié)果如圖4所示。

圖4 定高時域濾波器仿真

由圖4a可得到，隨著R的減小，過濾效果越來越明顯，且相比于緩慢變化的氣壓計定高，利用激光相對定高數(shù)據(jù)更具穩(wěn)定性。由圖4b可以得，隨著R的減小，通過陡變平臺的平滑效果越來越明顯，平滑過渡防止了無人機控制環(huán)路過高的調(diào)節(jié)量，既節(jié)約了能源，其飛行過程也更加安全平穩(wěn)。

5.2 視覺定位仿真

考慮到無人機飛行測試成本，首先在室內(nèi)設(shè)計按比例縮小的門框障礙，利用機載單目相機離線測試視覺定位算法可靠性。相較于室內(nèi)，室外環(huán)境更多地受到光照和成像質(zhì)量的影響。本文在戶外實驗中還原了比賽場地障礙設(shè)置并進行了實際測量，該門框障礙高2.4 m，寬7.2 m。室內(nèi)和室外的測試效果如圖5和圖6所示。

圖5 室內(nèi)視覺定位仿真示意

圖6 室外視覺定位仿真示意

因研究背景是無人機集群穿越障礙，將問題轉(zhuǎn)換為尋找合適的障礙穿越角度，其中定義a ngle角為門框法線方向與門框中點和鏡頭連線的夾角，即該時刻無人機應(yīng)該選擇的穿越航向角。分別進行的20次室內(nèi)、室外仿真測試中，穿越角度平均誤差分別為0.85°和1.87°，滿足無人機集群的穿越條件。

5.3 ROS無人機編隊穿越仿真

利用ROS(robot operating system)系統(tǒng)的Rviz仿真工具進行了無人機編隊飛行邏輯驗證。其可視化的特點方便分析飛行邏輯，圖7和圖8給出了編隊飛行邏輯示意圖和Rviz下的仿真軌跡，紅點為隨機出現(xiàn)的門框障礙區(qū)域，黃點為主機，黑點為從機。

圖7 無人機集群飛行穿越障礙示意圖

圖8 Rviz仿真無人機集群飛行穿越障礙

5.4 室外實機編隊與穿越實驗

在完成無人機的LiDAR激光傳感器調(diào)試、單目相機與云臺測試、集群離線仿真編隊驗證后，旋翼機編隊在正式的測試場地進行了完整的穿越障礙飛行測試。表1為測試飛行場地中4個障礙門框區(qū)域(障礙門將在該區(qū)域附近隨機出現(xiàn))的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)以及門框法線相對于正北順時針朝向的角度數(shù)據(jù)。

表1 障礙穿越區(qū)域中心坐標(biāo)信息

旋翼機需要完成對目標(biāo)障礙進行搜索、識別、編隊穿越。圖9和圖10展示了編號不同區(qū)域，主機獲取的視覺第一視角。圖11和圖12展示了不同位置觀測到無人機編隊穿越門框障礙的瞬間。

圖9 2號障礙主機第一視角

圖10 1號附近主機第一視角

圖11 1號障礙平視穿越瞬間

圖12 3號障礙仰視穿越瞬間

可以看出，2號門附近地面平坦整潔，1號門附近樹木坑洼較多。在不同的光照條件、地形條件下，無人機集群均能穩(wěn)定地識別、估計定位并穿越障礙目標(biāo)。

在條件允許的情況下盡可能多的在4個區(qū)域進行了編隊穿越障礙測試。通過表2可以看出，由于各個穿越區(qū)地形特點與測試難度不同，飛行成功率也存在差異。其中，2號門區(qū)域地面平坦、環(huán)境簡單的特點提高了其穿越成功率。1、4號門地面坑洼，樹木繁多，且該區(qū)域飛行時測試時出現(xiàn)磁羅盤誤差較大，因此穿越成功率有所下降?？傮w來說，在實機編隊穿越測驗中穿越總體成功率達到77%左右，說明該技術(shù)具備可行性和進一步研究的價值。

表2 給出了比賽場地測試的穿越次數(shù)、穿越航向角與成功率的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

本文完整地構(gòu)建了該小旋翼無人機編隊系統(tǒng)的軟硬件一體化平臺。利用視覺、LiDAR等傳感器實現(xiàn)了對無人機集群的輔助測高與目標(biāo)障礙的定位與穿越，提出了一種小旋翼無人機編隊穿越障礙技術(shù)。針對復(fù)雜室外環(huán)境穿越障礙這一技術(shù)目標(biāo)，提出基于單目視覺的連續(xù)跟蹤定位算法和基于激光雷達的時域濾波方法，提高了對待穿越障礙目標(biāo)的定位精度和可靠性，并通過大量仿真測試和實機編隊飛行實驗驗證了該技術(shù)方案的可行性。