無人機(jī)規(guī)避技術(shù)和感知技術(shù)解析

無人機(jī)（UAV）是一種無人機(jī)駕駛的空中飛行器，通常由無線電遙控或自身程序控制。由于無需安裝飛行員相關(guān)的設(shè)備，無人機(jī)除了具備常用空中飛行器活動(dòng)空域大、運(yùn)動(dòng)速度快的普遍特征以外，還具有尺寸小，重量輕、隱蔽性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

在軍用領(lǐng)域，無人機(jī)能全天候、全空域執(zhí)行偵察、預(yù)警、通信、精確打擊、戰(zhàn)斗支援、救援、補(bǔ)給甚至自殺性攻擊等多種任務(wù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用越來越顯著。在民用領(lǐng)域，無人機(jī)也可廣泛應(yīng)用于航拍、警力、城市管理、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力、搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域［1］。

但是，制約無人機(jī)在軍事和民用各個(gè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用面臨的飛行安全問題十分突出。隨著無人機(jī)的大量使用，中低空以及超低空的空域越來越“擁擠”，無人飛行器與其他物體發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)與日俱增，造成了極大的安全隱患［2］。

由于無人機(jī)上無飛行人員承擔(dān)障礙物檢測以及規(guī)避的職責(zé)，無人機(jī)系統(tǒng)只能依靠機(jī)載傳感器來完成障礙規(guī)避，這個(gè)過程就是“感知與規(guī)避”，承擔(dān)這一職能的系統(tǒng)被稱之為“感知與規(guī)避系統(tǒng)”。

感知與規(guī)避系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的自主飛行安全至關(guān)重要。世界各國都已認(rèn)識(shí)到無人機(jī)自主感知與規(guī)避技術(shù)是推動(dòng)無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵因素［3］。2017年10月25日，美國啟動(dòng)了無人機(jī)系統(tǒng)整合試點(diǎn)項(xiàng)目（The Unmanned Aircraft Systems Integration Pilot Program），旨在將無人機(jī)系統(tǒng)快速整合至國家空域，無人機(jī)感知與規(guī)避能力就是該項(xiàng)目的重點(diǎn)評(píng)估科目之一。

1.無人機(jī)自主感知與規(guī)避系統(tǒng)

“感知與規(guī)避”是指無人機(jī)能夠探測在其安全鄰域或空域監(jiān)視范圍內(nèi)是否存在障礙物（包括靜止地物或運(yùn)動(dòng)的其它飛行器），通過分析自身和障礙物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由操作手或自動(dòng)進(jìn)行分析決策，從而解除潛在的碰撞危險(xiǎn)［4］。

無人機(jī)自主感知與規(guī)避系統(tǒng)通常包含感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、航路規(guī)劃系統(tǒng)三部分［5］，工作過程一般是：首先通過感知系統(tǒng)來探測是否存在障礙物，當(dāng)存在障礙物，則檢測出障礙物的距離、角度、速度等信息；然后由決策系統(tǒng)根據(jù)感知系統(tǒng)獲取的信息，判斷障礙物是否影響飛行安全，并決定是否需要對(duì)航路進(jìn)行重新規(guī)劃；如果需要進(jìn)行重新規(guī)劃，則由航路規(guī)劃系統(tǒng)通過綜合本機(jī)以及外部信息，調(diào)整航路以規(guī)避碰撞，整個(gè)流程如圖1所示。

圖1 感知與規(guī)避系統(tǒng)工作流程圖2.感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)是無人機(jī)感知與規(guī)避系統(tǒng)中第一個(gè)環(huán)節(jié)，需要檢測并獲取障礙物信息，為決策系統(tǒng)提供支撐。感知系統(tǒng)按工作方式的不同，可分為合作式和非合作式兩種。

2.1 合作式感知系統(tǒng)

合作式感知系統(tǒng)要求空中飛行器都攜帶協(xié)同式傳感器，以完成目標(biāo)檢測，如飛機(jī)交通警戒和防撞系統(tǒng)（TCAS）、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）等。

（1）飛機(jī)交通警戒和防撞系統(tǒng)（TCAS）

TCAS是獨(dú)立運(yùn)行的交通防撞和告警系統(tǒng)，飛機(jī)上需裝備A/C詢問應(yīng)答機(jī)和TCAS天線。TCAS會(huì)主動(dòng)發(fā)出詢問信號(hào)，當(dāng)其他飛機(jī)的應(yīng)答機(jī)接收到詢問信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)射應(yīng)答信號(hào)；詢問方接收到應(yīng)答信號(hào)后，TCAS處理機(jī)根據(jù)發(fā)射信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔來計(jì)算距離，同時(shí)根據(jù)天線指向確定方位，從而確定目標(biāo)飛機(jī)的位置。但由于TCAS系統(tǒng)的探測范圍局限于加載有應(yīng)答機(jī)的飛行器進(jìn)行通信，且受TCAS天線尺寸限制，角度測量誤差較大，單獨(dú)的TCAS系統(tǒng)并不能完成無人機(jī)空域障礙感知的任務(wù)。

（2）廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）是一種裝載于飛行器上的監(jiān)視系統(tǒng)，它將全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、慣導(dǎo)系統(tǒng)（INS）等機(jī)載航電設(shè)備獲取飛機(jī)的四維位置信息（經(jīng)度、緯度、高度、時(shí)間），以及飛機(jī)自身的狀態(tài)信息（速度、方向等）等數(shù)據(jù)，以廣播方式向外發(fā)送，提供給周圍的飛機(jī)或地面用戶接收和顯示。

ADS-B系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)視空域中裝載有ADS-B設(shè)備的飛行器，而且通過與空中交通管制系統(tǒng)（ATC）的交聯(lián)，能夠獲取飛行空域的天氣、地形、空域限制等飛行信息［6］。因此，根據(jù)ADS-B系統(tǒng)提供的飛行規(guī)程、ATC信息、空域內(nèi)其他飛行器詳細(xì)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)的路徑規(guī)劃、空域目標(biāo)感知、威脅評(píng)估、沖突規(guī)避等。另外，ADS-B系統(tǒng)可以將無人機(jī)納入ATC的監(jiān)管和管理，有利于飛行空域安全。國際民航組織（ICAO）已將其確定為未來空域監(jiān)管技術(shù)發(fā)展的主要方向，國際航空界正在積極推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。

2.2 非合作式感知系統(tǒng)

當(dāng)載機(jī)與障礙物之間無法進(jìn)行信息交互時(shí)，需要通過非合作式感知系統(tǒng)進(jìn)行自主檢測，非合作式感知系統(tǒng)通常采用雷達(dá)、激光和光電等傳感器。

（1）雷達(dá)

雷達(dá)系統(tǒng)是一種主動(dòng)探測設(shè)備，利用電磁波的反射來檢測障礙物，該電磁回波中包含有障礙物目標(biāo)方向大小、相對(duì)距離等信息，并具有探測范圍廣、全天候、全天時(shí)工作的特點(diǎn)，然而雷達(dá)系統(tǒng)通常體積、功耗較大，無法適用于中小型無人機(jī)系統(tǒng)，且目標(biāo)精確識(shí)別能力有限。

（2）激光

激光傳感器具有精度高、單向性好等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)載激光感知系統(tǒng)通過向目標(biāo)發(fā)射激光光束，將接收到的反射光束與發(fā)射光束對(duì)比分析得到目標(biāo)的距離，進(jìn)一步處理后，可得到目標(biāo)的方位、速度、形狀等參數(shù)。激光傳感器不易受氣流影響，但易受到煙霧、灰塵和雨滴的干擾。目前，激光傳感器在軍用和民用感知與避障系統(tǒng)中都有一定的應(yīng)用。

激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡單，速度快重量輕。文獻(xiàn)7中作者對(duì)日本Hokuyo公司的URG-04LX雷達(dá)進(jìn)行了分析：URG-04LX工作波段為785nm，掃描半徑為4m的240°扇形區(qū)域，角分辨率0.36°，距離測量精度10mm并采用一種基于角度對(duì)應(yīng)關(guān)系的估計(jì)算法（Polar Scan Matching，PSM），可以得到四旋翼無人機(jī)在復(fù)雜情況下的相對(duì)位置與姿態(tài)信息。該算法的收斂速度快，迭代時(shí)間短。此外，經(jīng)典算法還包括迭代最近點(diǎn)算法（Iterative Closest Point，ICP）、基于迭代的最小方差算法（Iterative Dual Correspondence，IDC）等。其中PSM算法在部分的三維空間內(nèi)計(jì)算速度優(yōu)于ICP算法。

以上算法都是基于即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）思想的路徑規(guī)劃方法，而在應(yīng)用于隨機(jī)出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)物體情況下，也可以直接基于成像點(diǎn)云進(jìn)行伺服動(dòng)作以規(guī)避，而不必迭代計(jì)算無人機(jī)相對(duì)位置。

（3）光電

光電傳感器采用光電元件將目標(biāo)場景的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，具有被動(dòng)無源的特點(diǎn)，且所獲取的圖像中含有豐富的細(xì)節(jié)消息，對(duì)操作手而言是最直觀的一種傳感器系統(tǒng)，也是當(dāng)前軍用大型無人機(jī)非合作目標(biāo)感知與規(guī)避系統(tǒng)必不可少的傳感器［8］。高分辨率可見光CCD相機(jī)作用距離遠(yuǎn)、分辨率高、隱蔽性好，是無人機(jī)感知障礙物的首選，但其無法全天候、全天時(shí)工作，因此目前主流的機(jī)載光電系統(tǒng)通常包含一個(gè)高分辨率的可見光 CCD傳感器和一個(gè)較低分辨率的紅外熱像儀。紅外熱像儀能根據(jù)各類目標(biāo)和背景輻射特性的差異，完成對(duì)障礙物的全天候探測和識(shí)別。

由于單個(gè)光電傳感器所獲取的圖像丟失了深度信息，無法直接獲取目標(biāo)的距離信息，因此需要采用多個(gè)傳感器采用立體視覺的方法實(shí)現(xiàn)障礙物精確信息的獲取，或與激光、雷達(dá)傳感器配合使用［9］。

圖2 雙目視覺算法原理圖2所示的是雙目視覺算法的基本原理，其中P代表目標(biāo)，OL和OR分別代表鏡頭光心，f代表鏡頭焦距，D代表目標(biāo)到兩個(gè)鏡頭連線的垂直位置，T代表基線距離，d表示左右兩個(gè)鏡頭的視差值，d = x l - x r 。通過公式 D = T * f/d可以算出目標(biāo)距離。

雙目視覺的最大優(yōu)點(diǎn)在于三維匹配技術(shù)［10］，它能夠用來感受空間中場景的深度和距離信息。因此，有關(guān)雙目視覺的算法層出不窮。在文獻(xiàn) 11中作者對(duì)一些最優(yōu)估計(jì)的理論方法進(jìn)行了討論。匹配算法一般可以分為局部立體匹配算法和全局立體匹配算法。局部立體匹配算法是基于窗口的算法，選擇圖像的局部特征作為最優(yōu)估計(jì)的依據(jù)；全局立體匹配算法的最優(yōu)化依據(jù)不局限于窗口之內(nèi)。其中基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的立體匹配（Dynamic Programming）、棘突圖割法的立體匹配（Graph Cuts）比較有代表性。

但是，這些算法所能實(shí)現(xiàn)的高精度定位和導(dǎo)航，嚴(yán)重依賴圖像攝像機(jī)的精度、立體匹配算法的高準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性、測距和目標(biāo)識(shí)別的精度等，目前還存在不小的挑戰(zhàn)。

大疆科技的精靈4無人機(jī)采用了立體視覺的方式實(shí)現(xiàn)感知與規(guī)避，無人機(jī)裝有兩套雙目立體視覺系統(tǒng)，一套向前看，一套向下看，一共 4個(gè)相機(jī)，向下看的一套雙目立體視覺系統(tǒng)可以探測下方地面上物體的三維位置，并計(jì)算無人機(jī)的準(zhǔn)確飛行高度；向前看的一套雙目立體視覺系統(tǒng)可以用來探測前方場景中物體的深度，產(chǎn)生深度圖進(jìn)行障礙感知。

2.3 多源信息融合的感知系統(tǒng)

有效的無人機(jī)感知系統(tǒng)通常包含多種傳感器，多源信息融合可以對(duì)來自于多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次、多級(jí)別和全方位的綜合處理，得到對(duì)環(huán)境的最佳描述。無人機(jī)上的各種感知系統(tǒng)都可獲取障礙物的部分信息，通過多源信息融合，將各種實(shí)時(shí)或者非實(shí)時(shí)、速變或漸變、模糊或準(zhǔn)確、相似或矛盾等不同特征的傳感器信息、測量數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，通過聚類方法或卡爾曼濾波對(duì)空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息進(jìn)行處理，以獲得空中潛在威脅目標(biāo)的一致性的解釋或描述。

多源信息融合的感知系統(tǒng)綜合了無人機(jī)機(jī)載導(dǎo)航信息、雷達(dá)/光電數(shù)據(jù)、TCAS、ADS-B信息，有效地利用了多傳感器資源信息的互補(bǔ)性，從而可以獲得空中潛在威脅目標(biāo)更為全面的信息，確保實(shí)現(xiàn)更安全更可靠的規(guī)避。

3. 決策系統(tǒng)

決策系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)根據(jù)感知系統(tǒng)提供的信息，判定障礙物對(duì)自身的威脅程度，常用的判定依據(jù)包括：

（1）相對(duì)高度差；

（2）相對(duì)距離；

（3）相對(duì)距離變化率，即相對(duì)速度；

（4）預(yù)留時(shí)間，即相對(duì)距離與相對(duì)速度之商。

預(yù)留時(shí)間至關(guān)重要，按空中交通管理系統(tǒng)規(guī)定，可將障礙物威脅等級(jí)劃分為4級(jí)［4］。

（1）其他交通目標(biāo)級(jí)別：相對(duì)距離大于 6海里或相對(duì)高度差大于1200英尺，無碰撞危險(xiǎn)；

（2）接近交通目標(biāo)級(jí)別：相對(duì)距離小于 6海里或相對(duì)高度差小于1200英尺，無碰撞危險(xiǎn)；

（3）交通警戒級(jí)別：預(yù)留時(shí)間為35～45s，存在潛在碰撞危險(xiǎn)，需提前做出規(guī)避決策；

（4）規(guī)避決策級(jí)別：預(yù)留時(shí)間為20～30s，存在潛在碰撞危險(xiǎn)，必須做出規(guī)避決策。

4. 航路規(guī)劃系統(tǒng)

基于障礙規(guī)避目的的航路規(guī)劃是指無人機(jī)根據(jù)感知信息得到的威脅目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及碰撞規(guī)避點(diǎn)、碰撞預(yù)留時(shí)間等，同時(shí)考慮燃油、無人機(jī)機(jī)動(dòng)特性確定一條最優(yōu)路徑的過程。其本質(zhì)是一類多約束優(yōu)化問題，算法種類繁多，人工勢場法是應(yīng)用較為廣泛的一種算法。

人工勢場法是一種虛擬力場法。它通過引入物理學(xué)中場的概念，在任務(wù)空間中構(gòu)造勢場。在勢場中無人機(jī)受到目標(biāo)位置的引力作用向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)，障礙物對(duì)無人機(jī)的作用是斥力場作用，使其不碰撞障礙物。沿著勢場函數(shù)下降的方向搜索無碰撞、安全路徑。作用在無人機(jī)上的力為引力與斥力的合力，根據(jù)合力的作用確定無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)計(jì)算出無人機(jī)的位置。人工勢場算法計(jì)算簡單快速，適用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)障礙環(huán)境［12］。

與其他三維航路規(guī)劃算法相比，其具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：首先，人工勢場法在規(guī)劃航路時(shí)只需根據(jù)勢力場計(jì)算當(dāng)前位置受到的合力，結(jié)合當(dāng)前無人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行避障規(guī)劃，所以其最顯著的特點(diǎn)是計(jì)算量小、運(yùn)算速度快。其次，利用人工勢場法可以得到平滑而安全的航路，而其他航路規(guī)劃算法不僅需要對(duì)航路進(jìn)行平滑操作，可能還需要重新進(jìn)行最小直飛距離、最大爬升角度等飛行安全性能檢測。

5. 總結(jié)與展望

無人機(jī)自主感知與規(guī)避技術(shù)涉及傳感器設(shè)計(jì)、信號(hào)與信息處理、環(huán)境感知、目標(biāo)檢測/識(shí)別與跟蹤、障礙物威脅評(píng)估、航路規(guī)劃等諸多領(lǐng)域，同時(shí)也涉及空域管理、飛行安全規(guī)劃等政策法規(guī)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。隨著無人機(jī)在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，自主感知與規(guī)避能力會(huì)成為無人機(jī)必不可少的功能。

當(dāng)前合作式感知系統(tǒng)和非合作式感知系統(tǒng)都得到了很大的發(fā)展，TCAS可以獲得更多、更準(zhǔn)確的信息，雷達(dá)和光電都可探測得更遠(yuǎn)、更準(zhǔn)，多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)融合將是下一階段的主要發(fā)展方向。

航路規(guī)劃系統(tǒng)主要依據(jù)感知系統(tǒng)的信息進(jìn)行推導(dǎo)，因此如何充分發(fā)揮感知系統(tǒng)各種傳感器的特性是接下來要解決的問題。

從無人機(jī)感知與規(guī)避系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)來看，外部信息首先由傳感器獲得并進(jìn)行處理，然后處理后的信息將被傳輸?shù)經(jīng)Q策系統(tǒng)進(jìn)行判斷，最后決策系統(tǒng)發(fā)出的指令將傳輸?shù)胶铰芬?guī)劃系統(tǒng)。在整個(gè)過程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)上信息傳輸?shù)难舆t都有可能降低感知與規(guī)避系統(tǒng)的總體表現(xiàn)。因此，如何提升感知與規(guī)避系統(tǒng)對(duì)于信息傳輸延遲的魯棒性也是非常重要的一點(diǎn)。

從整個(gè)系統(tǒng)功能上來看，無人機(jī)自主感知與規(guī)避系統(tǒng)應(yīng)主要朝著以下方向發(fā)展，以提高系統(tǒng)的智能化程度。

（1）可規(guī)避的障礙類別更廣；

（2）可適應(yīng)各種使用環(huán)境；

（3）縮短系統(tǒng)判定周期，避免無人機(jī)突然的機(jī)動(dòng)。

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