程子嘯

（億航智能設(shè)備（廣州）有限公司技術(shù)部， 廣州 510663）

0 引言

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用需求的不斷升級(jí)，人們對(duì)行業(yè)應(yīng)用級(jí)無人機(jī)的要求也逐漸提升[1]。在此背景下，同時(shí)具備自主飛行、垂直起降、長(zhǎng)航程、長(zhǎng)航時(shí)等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合翼構(gòu)型飛行器受到了國(guó)內(nèi)外科研高校、科技公司、軍方等組織的青睞[2]。隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展與成熟，復(fù)合翼無人機(jī)現(xiàn)已開始應(yīng)用于地理測(cè)繪、電力巡檢、森火探測(cè)等場(chǎng)景[3-5]。預(yù)期在不久的將來，此類無人機(jī)因其優(yōu)勢(shì)，占據(jù)市場(chǎng)的龍頭地位[6]。

在這些應(yīng)用場(chǎng)景下，飛行器因其超視距操控、飛行速度快等特點(diǎn)，存在撞擊山體或高層建筑的隱患。為規(guī)避這種風(fēng)險(xiǎn)，一般的作法是由操作員在進(jìn)行航線規(guī)劃的時(shí)候，基于地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）來規(guī)劃各航點(diǎn)的高度，使無人機(jī)飛行高度高于系統(tǒng)提供的地形高度[4]。同時(shí)輔以影像系統(tǒng)，地面操作員根據(jù)機(jī)載攝像頭回傳的圖像信息，人為判斷和干預(yù)飛行器的飛行來進(jìn)行回避。但受制于地圖可能存在的信息不全、滯后、精度不足等情形，以及回傳圖像信息的滯后或失聯(lián)等情況，飛行器仍存在與地形發(fā)生碰撞損毀的隱患。為更好解決此避障問題，本文提出了一種應(yīng)用于低空多軸固定翼復(fù)合構(gòu)型無人機(jī)的機(jī)載避障預(yù)警系統(tǒng)。

該系統(tǒng)以長(zhǎng)測(cè)距毫米波雷達(dá)作為探測(cè)設(shè)備，輔以與之相配合的對(duì)準(zhǔn)隨動(dòng)裝置，和對(duì)應(yīng)的裝置對(duì)準(zhǔn)算法，可以準(zhǔn)確獲取飛行器相對(duì)于飛行方向路徑上的障礙物距離，而不受飛行器飛行姿態(tài)的影響。同時(shí)系統(tǒng)的預(yù)警-避障算法，將根據(jù)獲取到的障礙物距離數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值條件進(jìn)行匹配，執(zhí)行相應(yīng)的警示、減速或剎停策略，實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。

1 避障系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

避障系統(tǒng)如圖1 所示，虛線框體表示內(nèi)建于飛控中的主要軟件組成部分，實(shí)線框體表示安裝于機(jī)體上與飛控存在數(shù)據(jù)交互的硬件部分。按功能亦可區(qū)分為觀測(cè)部分和決策部分。觀測(cè)部分中，對(duì)準(zhǔn)裝置與探測(cè)裝置配合工作，由對(duì)準(zhǔn)裝置根據(jù)相應(yīng)控制算法的指令，控制探測(cè)裝置朝向飛行速度矢量在水平面投影的方向，而探測(cè)裝置負(fù)責(zé)其探測(cè)范圍內(nèi)與障礙物的相對(duì)距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行路徑前方障礙物的觀測(cè)。決策部分主要為一套設(shè)定的預(yù)警避障控制方案，通過實(shí)時(shí)根據(jù)觀測(cè)到的障礙物距離，進(jìn)行報(bào)警和干預(yù)原飛行動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。

圖1 避障系統(tǒng)框架

1.2 探測(cè)裝置選型

對(duì)常見的無人機(jī)避障裝置及其特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研，整理如表1所示[8-11]。對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景、成本等進(jìn)行綜合考慮，該系統(tǒng)選取毫米波雷達(dá)作為探測(cè)儀器。

表1 障礙物觀測(cè)硬件特點(diǎn)

市面上的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品各有特點(diǎn)，觀測(cè)距離、波速寬度、更新率等各有千秋，需進(jìn)行進(jìn)一步篩選。在該系統(tǒng)所針對(duì)的避障場(chǎng)景中，毫米波雷達(dá)的測(cè)距距離要較遠(yuǎn)，波束寬度需適中不宜過寬。故選用市面上一款滿足需求的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品，并作定制化調(diào)整，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 選用毫米波雷達(dá)參數(shù)

1.3 對(duì)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)飛行器以固定翼方式平飛巡航時(shí)，不可避免存在有側(cè)風(fēng)的場(chǎng)景。在機(jī)載飛控系統(tǒng)的控制作用下，飛行器為保持航行方向，會(huì)使機(jī)頭偏向側(cè)風(fēng)方向，形成側(cè)滑角θ（下文有對(duì)側(cè)滑角的數(shù)學(xué)定義）。對(duì)準(zhǔn)裝置的主要任務(wù)是使雷達(dá)探測(cè)朝向盡可能與飛行器速度方向保持一致。在安全飛行風(fēng)況下，此偏角的角度絕對(duì)值一般不超過30°，極限條件下亦不會(huì)超過45°。同時(shí)考慮飛行時(shí)俯仰橫滾存在變化，姿態(tài)不長(zhǎng)期維持水平的一般性，可采用一組雙舵機(jī)二自由度機(jī)構(gòu)作為對(duì)準(zhǔn)裝置（圖2）。舵機(jī)的控制量為脈沖寬度1000～2000 μs 的PWM 波，線性對(duì)應(yīng)0°～180°。安裝時(shí)使各舵機(jī)初始處于1500 μs/90°的物理中位，則控制目標(biāo)期望角度A與控制量S的線性映射關(guān)系為：

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意及運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá)

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)裝置控制算法

2.1.1 建立坐標(biāo)系

（1）機(jī)體坐標(biāo)系Cp。原點(diǎn)Op取在飛機(jī)質(zhì)心處，Xp軸指向機(jī)頭，Yp軸指向機(jī)身右方，Zp指向機(jī)身下方。

（2）相對(duì)位置坐標(biāo)系Cm。原點(diǎn)Om同取在飛機(jī)質(zhì)心處，Xm軸指向地理北方向，Ym軸指向地理東方向，Zm軸指向地心。

（3）歐拉角E（α，β，γ）表示從Cm到Cp的三維旋轉(zhuǎn)關(guān)系。俯仰角α，機(jī)體軸與地平面（水平面）之間的夾角，飛機(jī)抬頭為正；橫滾角β，飛機(jī)對(duì)稱面繞機(jī)體軸轉(zhuǎn)過的角度，右滾為正；偏航角γ，機(jī)體軸在水平面上的投影與地軸之間的夾角，以機(jī)頭右偏為正。

（4）飛行器速度V（Vx，Vy，Vz）遵循坐標(biāo)系Cm。

（5）定義側(cè)滑角θ。飛行器飛行速度矢量V與其縱向?qū)ΨQ平面（Xp-Zp平面）之間的夾角[12]。

2.1.2 控制目標(biāo)推導(dǎo)

飛行器速度V可從飛控中獲取，為已知量。提取其水平分量設(shè)為Vxy（Vx，Vy，0）?？紤]實(shí)際場(chǎng)景及數(shù)學(xué)約束，約定以下限制條件。

（1）條件A。飛行器的橫滾角絕對(duì)值不超過25°，俯仰角絕對(duì)值不超過25°：

（2）條件B。飛行器速度的水平分量模長(zhǎng)|Vxy|大于設(shè)定值Vmin：

限制條件下，根據(jù)飛行器水平速度得單位列向量U（Ux，Uy，0）：

根據(jù)飛行器偏航角得另一單位列向量H：

則側(cè)滑角θ可由U及H求得：

建立右手坐標(biāo)系Cv，使其Xv軸指向U，Zv軸指向地心，Yz軸指向Zv×Xv方向。從Cv到Cp的旋轉(zhuǎn)可用一組歐拉角Ev（α,β,θ）表示。設(shè)對(duì)準(zhǔn)裝置的需偏轉(zhuǎn)弧度為θT，需俯仰弧度為ηT，則探測(cè)裝置的朝向在機(jī)體坐標(biāo)系下可表示為列向量Tp：

由Ev求旋轉(zhuǎn)矩陣Rv（a1,a2,a3;b1,b2,b3;c1,c2,c3）（下方表達(dá)式中用c表示cos，用s表示sin）：

則探測(cè)裝置朝向在Cv坐標(biāo)系下可表示為列向量Tv（Tvx，Tvy，Tvz）：

為使Tv與Xv重合，建立方程：

求出對(duì)準(zhǔn)裝置控制目標(biāo)：

將（11）所得數(shù)值換算成角度，分別代入（1）中，即可得給各舵機(jī)的PWM控制量。

2.2 預(yù)警避障控制方案

設(shè)觀測(cè)距離為d，定義4個(gè)判斷閾值e1、e2、e3、e4且需滿足：

定義4 個(gè)狀態(tài)等級(jí)，在條件A 與條件B 皆為真的前提下，其功能和觸發(fā)條件如下。

（1）提示預(yù)警狀態(tài)下的功能。向地面站發(fā)送1 級(jí)預(yù)警信息。觸發(fā)條件為：

（2）減速警示狀態(tài)下的功能。向地面站發(fā)送2 級(jí)預(yù)警信息，同時(shí)將飛行器速度降至固定翼飛行狀態(tài)下不失速的最低值v1。觸發(fā)條件為：

（3）預(yù)回避狀態(tài)下的功能。向地面站發(fā)送3 級(jí)預(yù)警信息，同時(shí)將飛行器速度降至比更低的速度v2且啟動(dòng)多旋翼部分輔助控制飛行器姿態(tài)。觸發(fā)條件為：

（4）緊急回避狀態(tài)下的功能。向地面站發(fā)送4 級(jí)預(yù)警信息，將飛行器完全切換至多旋翼部分進(jìn)行懸停控制。觸發(fā)條件為：

此4 組應(yīng)對(duì)策略設(shè)計(jì)為遞進(jìn)式關(guān)系，考慮了飛行器相對(duì)于障礙物由遠(yuǎn)及近的過程，且執(zhí)行方式對(duì)過渡的平滑也進(jìn)行考慮。

3 飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性有效性，設(shè)計(jì)了如下避障飛行實(shí)驗(yàn)。首先選取實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為自研的一臺(tái)四軸-倒V 尾翼-復(fù)合翼構(gòu)型無人機(jī)，長(zhǎng)1735 mm、寬4302 mm、高593 mm，其固定翼飛行模式下的安全巡航空速為18～25 m/s。將本文提出的避障系統(tǒng)硬件設(shè)備安裝于機(jī)頭下方，軟件部分內(nèi)嵌于飛控代碼內(nèi)部。

同時(shí)對(duì)避障系統(tǒng)軟件部分的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置時(shí)需對(duì)考慮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（無人機(jī)）的巡航空速。結(jié)果如表3所示。

表3 避障控制相關(guān)參數(shù)設(shè)定

然后根據(jù)飛行實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地情況，設(shè)計(jì)如圖3 所示的飛行實(shí)驗(yàn)航線，其中箭頭圖標(biāo)位置為無人機(jī)初始擺放位置，飛行器大致朝向1號(hào)點(diǎn)，1號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)高度皆為50 m。實(shí)際障礙物在2號(hào)點(diǎn)與3號(hào)點(diǎn)之間，2號(hào)點(diǎn)與障礙物的距離約250 m。

圖3 復(fù)合翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在設(shè)計(jì)的飛行實(shí)驗(yàn)過程中，無人機(jī)將以多旋翼方式起飛至50 m，后朝著1 號(hào)點(diǎn)加速前飛（尾部電機(jī)加速，多旋翼電機(jī)與固定翼舵面混合控制）。待巡航空速到達(dá)設(shè)定值后切換至純固定翼飛行方式（此時(shí)還未到達(dá)1 號(hào)點(diǎn)），而后按1-2-3 的順序飛行。預(yù)期在避障系統(tǒng)的作用下，無人機(jī)將在第2 點(diǎn)到第3 點(diǎn)之間會(huì)接連觸發(fā)4個(gè)等級(jí)的應(yīng)對(duì)策略，逐步減速并懸停。最后人為控制調(diào)轉(zhuǎn)機(jī)頭并返航至起飛點(diǎn)降落，完成一次飛行實(shí)驗(yàn)。

圖4 飛行實(shí)驗(yàn)航線

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了6 次，無人機(jī)的避障表現(xiàn)皆符合預(yù)期，記錄數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 避障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

飛行實(shí)驗(yàn)航線如圖3所示，將飛控中所記錄的第1次實(shí)驗(yàn)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行下載，截取避障關(guān)鍵部分的主要關(guān)注數(shù)據(jù)繪制如圖5～6所示，數(shù)據(jù)幀率為30 Hz。

圖5 實(shí)驗(yàn)1中觀測(cè)距離、避障狀態(tài)及相關(guān)速度數(shù)據(jù)

圖6 實(shí)驗(yàn)1中飛行器姿態(tài)角與對(duì)準(zhǔn)裝置舵機(jī)目標(biāo)角

可以看出，對(duì)準(zhǔn)裝置控制目標(biāo)能準(zhǔn)確跟隨飛行器的姿態(tài)角及側(cè)滑角變化，毫米波雷達(dá)可以探測(cè)到障礙物距離，預(yù)警避障控制方案能正確根據(jù)設(shè)定參數(shù)和障礙物距離，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)提示并讓飛行器減速或剎停，避免了飛行器與障礙物的相撞。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該避障系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)束語

本文基于毫米波雷達(dá)及與之配合的二自由度對(duì)準(zhǔn)裝置，為復(fù)合翼無人機(jī)設(shè)計(jì)了一種預(yù)警避障系統(tǒng)。該系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)裝置控制算法，考慮了飛行器飛行過程中姿態(tài)角與側(cè)滑角的變化，減少了毫米波雷達(dá)的探測(cè)方向所受影響，提升了探測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。該系統(tǒng)的預(yù)警避障控制方案，合理地細(xì)分了避障過程，規(guī)定了4個(gè)狀態(tài)等級(jí)，使報(bào)警及避障干預(yù)功能具有層級(jí)性。

本文對(duì)此避障系統(tǒng)的功能效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的預(yù)警避障系統(tǒng)是一種有效的復(fù)合翼無人機(jī)避障問題解決方案。