基于DSP的四旋翼飛行器視覺導航避障系統研究

肖祖銘 郭瞻

摘 要：近年來，無人機技術發展迅速，對無人機控制、自主著陸等方面的研究不斷取得巨大成果。考慮到無人機作業時常會遇到復雜的地形，尤其是在大城市中，無人機如何實現智能避障已成為一個研究的熱門課題。本項目將光流避障算法理論應用于視覺避障的研究，既彌補了GPS全球定位導航局部失效的缺點（如室內作業或者建筑物密集地帶），也代替了INS慣性導航系統漂移誤差的影響，實現了無人機精確、穩定的避障目標，這將是未來無人機導航發展趨勢。

關鍵詞：DSP；四旋翼飛行器；視覺導航避障

無人機在無人機偵查、救援等軍事活動、攝影測量以及農場作業等實際操作中，無人機無時無刻不在體現其強大的優勢。人機如何實現智能避障已成為一個研究的熱門課題。它關系著無人機是否能夠順利的完成任務，也關系著無人機是否能夠安全返航。同時，自主、快速避障也是無人機自主化、智能化的顯著標志。現階段國內外學者對無人機的避障算法做了充分的研究，包括可視圖法、人工勢場法以及VFH直方圖法等，每一種算法都有自身的優勢和不足，考慮到時序和快速響應等問題，我們需要研究一種新的算法來實現無人機避障功能。

一、國內外無人機自主避障技術研究概況

（一）國內外研究現狀分析和發展趨勢

基于全局的路徑規劃是目前國內外常見的無人機導航方法，但由于真實的飛行環境信息很難完全預知，未知和突發的威脅對于預先規劃的全局航路是致命的打擊，即使沒有突發的威脅，全局航路規劃也依賴于離線預處理和對環境數據的高度精確，對于地面站的要求過高，并且控制范圍受到無線傳輸距離的限制，因此基于無人機自主的導航方式的研究勢在必行。

（二）現有的兩種實時航路規劃方法

1）基于已知環境信息規劃初始航路，在出現突發威脅障礙時作出局部調整，繞過威脅后重新回到初始規劃航路；2）在發現威脅后，基于當前位置和目標點重新規劃航路。這兩種方法雖然解決了全局航路規劃缺乏應變的問題，但是可以看出在時間上損失過大，且同樣過分依賴地面站的控制。

（三）無人機視覺避障技術研究成果及原因

國內外關于自主避障的研究多應用于機器人室內導航，而在無人機方面的研究相對匱乏，其原因主要有兩個方面：第一，普通芯片處理數據的能力不能達到要求，即對于大量數據的計算不能滿足系統快速響應的需要。第二，傳感器不能夠準確和快速對周圍環境進行采樣。為了解決上述的三個問題，本項目將提出了一種基于DSP芯片機載設備的四旋翼飛行器系統，來實現無人機的自主避障功能。

二、研究內容

本項目主要選取四旋翼飛行器作為研究平臺，通過機載CCD攝像機作為圖像傳感器代替激光雷達測距儀，并由專用DSP處理器對拍攝的圖像進行處理、閾值化、特征識別等過程，來實現飛行器對前方障礙的快速識別，然后經過飛控計算機發出控制指令，實時在線調節飛行器的俯仰角、偏航角和滾轉角，使飛行器能夠快速、穩定的避開障礙物，實現無人機的完美避障。它具體涵蓋了下列內容：1）基于光流算法的圖像處理及飛行器前方障礙物識別的軟件設計。2）基于DSP處理器的數據接收、處理以及控制信號輸出的硬件平臺設計。3）將基于光流算法的避障程序移植到DSP芯片中。4）基于DSP的無人機避障系統PC機仿真軟件平臺搭建，進行軟件仿真驗證。5）基于DSP的無人機避障系統硬件平臺搭建，進行實物飛行驗證。

三、研究目標和擬解決的關鍵問題

（一）研究目標

筆者欲開發一種基于DSP的四旋翼飛行器視覺導航避障系統。通過軟硬件設計結合，實現四旋翼飛行器快速、穩定的自主避障，同時還要實現路徑最短、能耗最小、飛行效果最佳等功能。

（二）擬解決的關鍵問題

1）解決快速、準確識別障礙物和周邊背景圖像噪聲對數據處理結果的影響的技術。2）解決研究完整的基于DSP芯片的無人機避障系統的搭建。3）解決將研究基于光流值的避障算法移植到DSP芯片中。

四、擬采取的研究方法余可行性分析

（一）擬采取的研究方法

1.硬件平臺搭建樣板

硬件是整個避障系統的基礎，本項目擬采用CCD攝像機作為圖像傳感器，采用性能高速的DSP芯片（DM642芯片）對圖像進行處理，完成障礙物識別等任務，遙控發射器和接收器頻率為2.4GHz，為避免頻率相同下，信號的干擾，故舍棄傳輸距離更遠的XBee無線數據傳輸器（2.4GHz），選擇傳輸距離較近，但滿足要求的3DR Radio（915MHz）無線數據傳輸器。地面站由一臺計算機控制以及相應軟件組成，對飛行器進行實時監控，系統硬件平臺方案。

2.PC機仿真軟件平臺搭建， 進行軟件仿真驗證

通過OpenGL與MATLAB混合編程，來實現光流的避障算法的仿真驗證。具體思路是：基于OpenGL搭建一個虛擬的飛行環境，在該環境模擬一架無人機并將攝像機放置在飛機前端，同時在場景中放置一定的障礙物，然后通過MATLAB的實時運行結果來控制該飛行器的飛行，實現自主避障。

（二）可行性分析

在本次項目設計中，既有PC機仿真軟件平臺搭建，對系統軟件進行測試，又有硬件平臺搭建，對系統實物進行測試，整個研究過程的實時和準確都能得到保證。同時本系統搭載的外設使用價格低、質量小、信息全的機載攝像機作為避障傳感器，與其他的激光或者雷達測距傳感器相比，不但減輕了無人機的載荷，增加續航能力，而且降低了成本，有利于無人機的推廣。

（三）本項目創新點及特色

1）本項目核心設計思想類似人類避障行為：DM642芯片類似人的大腦，CCD相機則相當于人的眼睛。當無人機遇到障礙時，系統通過CCD相機將環境信息傳輸到DM642，隨后DM642“思考”并做出判斷，然后把得出的控制信號經過I/O口傳給飛控計算機，飛控計算機控制四個電機的運轉，實現一次避障“運動”。2）設計一種基于DSP的光流算法避障系統，實現無人機避障的最優化處理。

參考文獻：

[1] 鄭海潮.四軸飛行器自主飛行控制及避障系統研究[D].電子科技大學，2016.

[2] 聶博文，馬宏緒，王劍，王建文.微小型四旋翼飛行器的研究現狀與關鍵技術[J].電光與控制，2007（06）.

江西省教育廳科學技術研究項目：基于DSP的四旋翼飛行器視覺導航避障系統研究，項目編號：GJJ151290

作者簡介：肖祖銘（1978-），男，江西萬安人，本科，副教授，景德鎮學院機電系。