關于無人機自主避障的進化研究

陳香敏 孟顯嬌 王賽男

摘 要：部署無人機的很多利益可以從自主任務得到。然而，對于那些任務避免障礙物的感知和避免能力是一個決定性的要求。碰撞避免可以概括性得分類為全局和局部路徑規劃算法，并且為保證成功的完成任務兩種算法均需要被很好的應用和處理。然而全局路徑規劃明顯是為到達目標點而進行的路徑規劃，局部碰撞避免算法是很快速、反應性的并且被應用在在線路經規劃中，在意外的和無法預料的障礙物避碰中確保無人機的飛行安全。本文綜述了關于無人機避碰問題的已有的和進化的算法，更加詳盡的介紹了局部碰撞避免問題。

關鍵詞：無人機；避障；路徑規劃；進化研究

在不久的將來關于無人機的應用將普遍存在，自主執行復雜任務和民用任務例如：偵查、環境監測、邊境巡邏隊、搜索和救援行動、災難援助、交通檢測等。上述大部分應用要求無人機低空飛行接近人工和自然結構。

一個有固定結構的碰撞或另一個無人機被證明是潛在致命的，甚至可能會導致任務失敗。因此要求無人機必須擁有較好的成功感知和避免碰撞的能力，同時在不久的將來實現自己的目標。這就要求魯棒性好、運算量可行的避碰算法在機載無人機中被實施。

1 帶有局部碰撞避免的全局路徑規劃算法

通常來講，當避免與已知障礙物進行碰撞時，一個基本的動作規劃問題是由包含起始點到目標點的產生連續動作片段組成。本文討論的算法保持對全局信息的了解，即算法首先規劃出一條與先驗已知的障礙物避免碰撞的路經到達目標點。如果預測到會發生碰撞，需要重新規劃路經以便于可以避免與障礙物發生碰撞。由于路徑規劃的目標是向著目標點移動，所以需要保證重新規劃的路經在成功避免碰撞后也需要達到目標點。因此，這些算法被認為是在考慮到局部避免碰撞的情況下所使用的全局路徑規劃算法。

1）圖搜索算法。在給定的環境中利用圖搜索算法尋求一條可行的路經。其中A*算法、V圖搜索算法、隨機路經生成法都是典型的圖搜索算法。盡管這些算法主要被用來進行全局路徑規劃，為了減少計算時間量，反應規劃通過算法模擬已經得到實現。

2）快速搜索隨機樹。快速搜索隨機樹是一種搜索算法，這種方法可以在高維復雜的環境中快速的找到一個可行的路徑。它是基于概率性樣本的方法。在每個步驟中都會產生一個隨機樣本的環境，在產生的隨機樹的一個增量的距離范圍在這個節點的方向上產生一個新的節點。這種算法的一個不錯的功能在于它可以處理車輛自主性和動力學約束。

3）勢場法。勢場法作為一種航行方法被廣泛應用在地面機器人和無人機問題中。在這種方法中，將無人機的飛行環境看做一個勢場，通過具體問題建立人工勢場函數，它由目標和障礙物的位置決定。勢場法保證無人機通過沿著避免與障礙物發生碰撞生成的路徑最終安全的到達飛行目標。

勢函數包含一個“吸引力場”，它把無人機引向目標，一個“拒斥場”，這確保了無人機不會撞上障礙物。結果由于勢場力的存在決定了無人機運動的方向。這種方法是快速和有效的。它也很容易添加新的障礙函數。一個無人機編隊使用勢場方法以及增加一個虛擬領導者的概念，也可以完成飛行任務。

4）最優施力向導。

2 局部碰撞避免算法

局部碰撞方法應用在當無人機探測到障礙物情況下的避免碰撞的航跡規劃問題中。這種方法不需要了解到無人機的全局信息，也不需要知道全部的環境，或者初始點以及目標點。它所需要了解的信息僅僅包括數十幢跳下的即刻信息，以及有機載雷達或者機載照相機提供的附近障礙物的位置信息。通常情況下，這些信息足夠充分去計算出避免碰撞的無人機機動性能。必須要強調的是，這些方法可以嵌入到任何一種全局規劃方法中，因此可以保證當無人機避免與障礙物發生碰撞之后可以快速的回到原來的全局路徑中。

2.1 非線性模型預測控制算法

近年來，模型預測控制作為一個控制方法被廣泛應用在對于非線性動態系統中。這種方法處理實際的系統約束，比如輸入飽和和狀態約束和發現適合在復雜環境下的路徑規劃問題。一個模型預測控制系統方案成功地實現避免無人機在飛行過程中發生線避碰。因為模型預測控制系統在有限的時域范圍內，通過在線的滾動優化自變量的方式，它可以預測未來環境變化。防撞是內置的優化問題，它是執行跟蹤參考軌跡和避勉無人機發生碰撞現象的處理模塊。系統預測將要發生碰撞，生成安全的軌跡，即將進行碰撞避免計算。

2.2 勢場法的改進算法

考慮到人工勢場法存在的缺陷，因此一些改進方法已經產生。這個方法不會遇到局部最小值問題。此外，該算法不保留全局信息，只處理障礙出現時，在無人機的安全問題。這個陀螺力法成功實現了室內機器人避免碰撞的問題。還描述了深入實際分析的控制體系結構，通過實驗驗證了無人機在使用這個控制系統的可靠性。

2.3 基于視覺的神經網絡方法

一個應用神經網絡方案用于局部避碰問題中。該神經網絡是非線性競爭神經網絡。這些都是能夠解釋工作人的視力，可被用于各種各樣的應用程序中，尤其是無模式識別問題。神經網絡可以用于人機應用導航，實現在線避碰。

2.4 沖突檢測和解決

無人駕駛飛行器防撞系統可以視作一個沖突檢測和解決方法（CDR）問題。沖突檢測和解決方法是廣泛應用于空中交通管制問題中。這些方法可以預測出兩架飛機之間發生沖突的可能性，并計算出一個機動策略，這樣的情況下可以避免無人機間發生碰撞，避免了沖突的發生。

3 結論

無人機部署問題的很多好處可以確保無人自主完成任務。路徑規劃與碰撞避免問題是一個需要解決的重要問題，在確保無人機安全問題下完成自主任務規劃。回顧本文，到目前簡要概述了一些有用的和不斷發展的思想，如圖搜索，快速隨機搜索樹，勢場法，模型預測控制算法、視覺的基礎算法，梅格等。注意為了實現完全避免碰撞，有幾個算法必須滿足的需求。

參考文獻：

[1] 李士波，孫秀霞，王棟，等.無人機動態環境實時航跡規劃[J].系統工程與電子技術，2007，29（3）：399-401.

[2] 李季，孫秀霞，馬強.無人機對空威脅算法與仿真[J].系統仿真學報，2008，20（16）：4237-4240.