旋翼无人机室内自主避障飞行研究

山西电子技术　２０１６年第６期　研究与探讨　

文章编号：１６７４—４５７８（２０１６）０６—００８６—０３　旋翼无人机室内自主避障飞行研究　

杨淑媛　（山西工程职业技术学院，山西太原０３０００９）　摘要：无人机在军事和民用上的广泛应用，使其成为全球范围的研究热点。自主飞行控制及避障能力是保　障无人机安全飞行的前提条件。本文在研究国内外旋翼无人机控制及现有避障技术的基础上，针对静态未知的复　杂室内环境，设计了一种融合多传感器测距及视觉技术的自主避障方案，并于四旋翼实物平台上进行避障飞行实　验，验证了方案的可行性。　关键词：旋翼无人机；飞行控制；避障技术；模糊控制　中图分类号：Ｖ２４９；Ｖ２７９　文献标识码：Ａ　

近年来全球自然灾害频发，严重影响人类生命安全，而　二次灾难又对营救者带来了极大的风险，这时搜救机器人进　入人们的视野，它可以代替营救者搜救被困人群。现代科技　的发展，为人们获取危险艰难环境的信息提供了便利，尤其　是在高度复杂的城市环境及山区环境，用小型无人飞行器搭　载侦测设备，进行航拍及信息提取、人员搜救都更为方便。　随着环境复杂程度的加大，避障范围逐渐减小，如何有　效安全地实现旋翼无人机自主飞行成为值得深入研究的问　题。高效快速的自主避障能力成为衡量无人机智能化水平　的重要指标，无人机感知环境的能力与相应的避障策略也成　为避障技术的关键点…。基于以上背景，本文的研究对推动　与发展旋翼无人机的理论与技术起到一定的作用，同时对加　强国家军事建设，推动各关联产业及先进技术的发展，创造　经济价值等具有一定的推动作用。　

１避障控制系统设计方案　为了成功实现旋翼无人机自主避障飞行，本系统融合了　传感器测距、视觉技术、路径规划、防碰撞等技术　Ｊ，使旋翼　无人机能够实时采集周围环境信息，确定障碍物的位置及障　碍物四周的开阔程度，并且根据预先设定的特征识别并跟踪　目标，实现追踪过程中的自动避障功能。避障控制系统方案　设计如图１。　

图１避障控制系统方案　２环境检测系统　本设计中，环境检测部分运用了红外测距传感器、超声　波传感器及ＣＣＤ摄像机（视觉传感器），旋翼无人机飞行环　境信息的获取是基于多传感器数据融合，采用模糊逻辑方法　实现的。环境检测系统方案如图２。　

红外　超声　

外部环境　图２环境检测系统方案　２．１传感器测距　２．１．１红外测距传感器　利用红外信号遇障碍物反射信号强度的不同来判断障　碍物距离的远近。当红外线遇障碍物被反射，则由红外接收　电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否　有障碍物。红外光电管接反射回的红外线信号后将其转化　为电信号，电信号的能量大小反映了反射距离信息，旋翼无　人机据此来探测机身与障碍物之间的距离，做出避障决策。　本设计选择ＧＰ２Ｙ０Ａ７１０Ｋ０Ｆ红外测距传感器，其测量　距离可达到１００—５５０　ｅｍ，符合无人机探测基本要求。　２．１．２超声波传感器　超声波测距不需要与物体直接接触，且方向性好，强度　比较容易控制，是作为高度测量较为优先考虑的手段。但由　于发散角大、方向性较激光宽，超声探测具有一定的固有角　度误差，在本设计中仅将超声波传感器作为定高传感器，得　到的是传感器和地面之间的距离信息，由此来确定及稳定旋　翼无人机的飞行高度。　本设计中采用美国高精度超声波传感器Ｍ￣Ｓｏａｎｒ—ＥＺ，　这款超声波传感器分辨率可达到１　ｅｍ，有效测量距离５　ｍ，　测量信息可以脉宽或电压两种方式传输，适用于旋翼飞行器　的定高测距。　２．２视觉技术　２．２．１图像获取　图像获取单元主要由镜头、彩色ＣＣＤ摄像机和图像采　集卡组成。ＣＣＤ摄像机装配在无人机机身正前方，跟随无人　机同步运动实时捕获图像　Ｊ。本设计选用亚安Ｓ１７一体化　相机。图像采集卡通过视频电缆的传送获取摄像机拍摄的　模拟视频信号，并将该信号转换成数字视频信号，交给图形　

收稿日期：２０１６—１０—３１　作者简介：杨淑媛（１９８９．），女，山西介休人，助教，硕士研究生，研究方向：工业机器人控制。　第６期　杨淑媛：旋翼无人机室内自主避障飞行研究　８７　作站处理　本没计采川凌华ＰＣＩｅ—ＲＴＶ２４实时图像采集　卡，它足一款Ｃｏｍｐａｃ！ＰＣ１规格的　像采集卡，々为安保和视　频ｉｉ｛ｊ＝控应用而设计，足ＰＣ—ｂａｓｅｄ多通道数　视频监控的邢　选择　２．２．２图像处理　从视觉传感器获驭的罔像易受到噪声ｆ扰或是背景环　境的影响，需进行图像颅处理，包括　像的去燥、庆度化、边　缘检测等　！　验中原始输入　像是摄像头采集７６８　５７６像素的　ｌ｛（　Ｂ格式图像，最火帧数２５帧／　先将彩色　像转换为灰　度　像，再将【冬ｉ像的人小依据最近邻域插ｆｆｆ法原理进行缩小　以　约后续计算时间　。此外，本设计中采用ｃ·ａｎｎ＞。算子进　行边缘检测，检测效果良好　３避障路径规划　３．１避障流程　尤人机避障问题足在尤人机实现自主　行的基础上进　一步腱开的。在　行过程ｒ｛１，无人机通过所安　的测距传感　器、定高传感器及视觉传感器获取障碍物＿【ｌｊ｝｛标相对于无人　机的距离及角度信息　尢人机根据障碍物信息判断避障的　紧急　度，连同紧急程度及目标信息通过避障路径规划算法　确定下一避障导航点，然　按照ｂａｔ＇ｋｓｌｅｐｐｉｎｇ　亍控制实　点到点的飞行来完成ｆＩ士避障飞行，　剑达¨标点乃止，　避障流程女【１阔３所爪　Ｉ（初始化）Ｉ　循环　Ｙ　获取目标点信息　直接飞向目标点　传感器采集障碍物　距离及角度信息　’　厂面　百］　ｌ　预处理　ｌ　一紧急程度分析　絮　！竺　ｉ　紧急度与目标信息　融合　局部路径规划　（改进型模糊避障算法）　基ＺｌＺｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ￣行　控制算法实现点到点飞行　图３避障流程图　３．２避障控制器　ｌ小设ｉｌ－，ｌＩ，５个红９ｂｉｒ￣４距传感器安装　＿尢人机上，相ｆ『　川Ｉｊｌ！ｌ｛４５。，底部安装定　超声传感器，　．安装摄像机　传感器数据信息蕾　钉来自摄像卡Ｊ【的４个障褂物边界坐标　息，５个红外传感器　，ｎ，１个超声波定舟信息，共ｌ０个信　息　由下传感器信息较多，　模糊规则的数　足随着模糊输　入的增多呈指数般增Ｋ的，规则数址异常庞火，将导敛控制　器响应速度很慢。为满足实时控制需求，采川一种模糊规则　的数量呈线性增Ｋ的分　模糊控制器束实时控制无人机进　行避障　模糊控制系统包含用来处理测距传感器数据的紧　急度模糊控制器（Ｆ　）、速度模糊控制器（ＶＩ＂’（：）和偏航角模　糊　制器（ＡＦＣ）　４飞行试验　经过软硬什综合州　、地断仿真系统测试，对自动驾驶　仪控制参数进行初步渊　，亍机架采川　料材质的　Ｙ４５０，如图４。坫奉参数如表１　

图４试验用四旋翼飞行器　表ｌ　四旋翼飞行器基本参数　ｆＩｊ邻电机轴　４５０　１１１１『１　起飞甄艟　Ｉ　８　ｋｇ（禽电池）　控制半径　ｌ　ｋｍ　最夫滚转俯ｊｉｌｌ，ｆ　３０度　航阳姿态拧制范ｆ１　３６０瞍　仃效哉　Ｉ　ｋｇ　续航时　２０　ｉｎｉｎ（Ｉ电动）　

当传感器探洲到九人机假定的安全范…　不存　障碍　物，邱么无人机执仃趋阳卜ｊ标仃为　『』【１罔５所示，＿三个画曲　分刖是探测到障碍物，绕过障碍物．趋川Ｉ　点的三个状态，　分）ｊ『Ｊ将障碍物用红色姆　形卡【妄．Ｆ１杯川监包鲥　彤框标记，便于　对比分析一从实验　ｌｌ『以看到尤人机，ｆ｛女ｒ地绕开　障碍　物，乜向日畅　

图５一般避障行为　当无人机　运动｝ｉ１ｆ，距离前方功态障碍物体非常近，避　障危险度非常人时将触发紧急避障ｊ　为，此时，无人ｆｊＬ紧急　减速，然后触发横　，即偏航角为零时的运动，直至探测　钏　方允障碍物时ｌｉＪ－｝ｌ￣续前行，如　６所，Ｊｊ　

图６紧急避障行为　

ｚＩ　一＼问碍之障／标在＼＿目薛８８　山西电子技术　２０１６正　当障碍物上方的开阔程度大于左右的开阔程度时，实行　区别于地皿机器人的ｊ维运动——飞跃障碍行为，如　７　所示　图７飞跃避障行为　５　结束语　夺义以旋翼无人机为研究对象，以测距传感及视觉技术　为硬件基础，以模糊控制系统作为避障控制器实现了旋翼无　人机室内自主１｛Ｌ行避障控制，并成功应用于实物平台实现真　实环境避障稳定飞行。　参考文献　［１］　倪磊，曾庆化．依靠自身传感器的室内无人机自主导　航引导技术综述＿Ｊ］．计算机应用与软件，２０１２，２９　（８）：ｌ６Ｏ—ｌ６３．　［２］　钟佳朋．四旋翼无人机的导航与控制［　）］．哈尔滨：哈　尔滨工程大学，２０１０．　［３］　范艳锋．室内服务机器人视觉处理与导航方法研究　［Ｄ］．北京：北京工业大学，２０１０．　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｉｎｄｏｏｒ　Ｏｂｓｔａｃｌｅ　Ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ｏｆ　Ｑｕａｄ·Ｒｏｔｏｒ　ＵＡＶ’ｓ　Ｙａｎｇ　Ｓｈｕｙｕａｎ　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｉ）　ｕａｌＩ　Ｓｈａｎｘｉ　０３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｂｏｔｈ（　ｉｌ　ａｎｄ　ｍｉｌｉｔａｘｙ　ｄｏｍａｉｎ．Ｕ　ＡＶ’ｓ（ｔｌｌｌｍａｌＩｎｅｄ　ａｅｒｉａｌ　ｖｅｈｋ·ｌｅ）ｈｅｅｕｍｅ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ—ｗｉｄｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｏｃｕｓ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ．ＴＩｌｅ　ａｌｆｉｌｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ａｕｔｏｔｉＯｉｎｏｕｓ　ｆｌｉｇｈｔ　ａｎｄ　ｕｈｓｔａ（‘ｌｅ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ａｒｅ　ｐｒｅｉ’ｅｑｕｉｓｉｔｅｓ　ｔｕ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ＵＡＶ’ｓ　ｔｌｉｇｈｔ．　

Ｔｈｉｓ　ｔ）ａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａ　ｓｃｈｅｍｅ　ｔｈａｔ　ｉｎｔｅｒｇｒａｄｅｓ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｒａｎｇｅ　ｆｉｎ（１ｉｎｇ　ａｌｌｄ　ｖｉｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｏｈｓｔａｅｌｅ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｕｋｎｏｗｎ　ｓｔａｔｉｃ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｉｎｄｏｏｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｌ　ｈａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ·ａｎｄ　ｕｖｅｒｓｅａｓ　ｓｔｕｄｙ　ａｃｔｕａｌｉｔｙ．Ａｆｔｅｒ　ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｏ　ｑｕａｄｉ’ｏｌｏｒ　Ｕ　ＡＶ’ｓ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ．ｉｔ　ｍａｋｅｓ　ｓｅ，ｌ‘ｉｅｓ　ｆｌｉｇｈｔ　ｅｘｐｅｌ’ｉｎｌｅｌ１ｔｓ　ｎｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｌｉｔ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｉｎ　ｉｎｄｏｏｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｌ）ｉｌｉｔ．￣’ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｌｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｑｕａｃｈｏｔｕｌ‘ＵＡＶｓ；ｆｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｏｈｓｔａｅｌｅ　ａｖｏｉｄａｎｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ３　；ｆｕｚｚｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ