四旋翼飛行器室內自主導航研究現狀

沈寶國 王彩鳳 梁佩佩 廖澤宇

（1.江蘇航空職業技術學院 鎮江市無人機應用創新重點實驗室，鎮江 212134；2.鹽城工學院機械工程學院優集學院，鹽城 224051）

多旋翼飛行器是一種能夠垂直起的飛行器，具有結構簡單、控制靈活和垂直起降等特點，憑借其良好的機動性、懸停能力以及低速飛行性能受到廣泛關注，在民用和軍用領域得到了廣泛應用[1]。按飛行器旋翼個數多旋翼飛行器可分為四旋翼、六旋翼和八旋翼，其中使用頻率最高的是四旋翼飛行器，同時它是世界無人機發展的主要方向[2]。

四旋翼飛行器在室內能夠自主飛行，可以完成室內營救、防恐偵查等活動。因此對四旋翼飛行器室內自主導航進行研究具有重要研究意義和應用價值。無人機自主導航借助全球導航衛星系統和慣性測量單元組合導航系統來完成導航任務。全球導航衛星系統是支撐無人機自主導航、安全飛行的關鍵技術，而室內場景受到建筑物遮擋以及多路徑效應影響，使全球導航衛星系統信號快速衰減甚至完全消失，導致無法達到室內導航定位需求。所以近年來為了解決在全球導航衛星系統信號缺失情況下無人機自主飛行問題，越來越多的研究人員將單目/雙目視覺、光流傳感器及激光雷達引入無人機室內自主導航研究領域。本文分別就以上三種技術概念、原理及常用算法進行介紹分析，進而對三種技術優勢進行組合，實現無人機室內自主飛行。

1 基于單目/雙目視覺的自主導航

單、雙目視覺自主導航主要利用計算機來模擬人眼功能，從客觀存在事物的圖像中提取有價值圖像信息，對其進行圖像分割、特征提取、目標識別及場景理解，最終提取目標物的有價值導航參數信息[3]。

單目視覺主要依靠攝像機來標定，在結構化環境中，采取特定對象輔助恢復三維場景結構。具體實現步驟如下：首先在地面鋪設與地面顏色有差別的參考線輔助下，利用攝像頭采集圖像；其次進行參考線特征提取，確定參考線與機體的相對位置，并與微慣性測量單元數據融合；最后，給出四旋翼飛行器的位置[4-6]。

雙目視覺又稱為立體視覺，作為計算機視覺重要分支，具有隱蔽性好、功耗低、信息量豐富及可以確定場景中的三維深度信息等優勢[7]。具體實現步驟如下：首先，使用安裝在四旋翼飛行器機身上兩個攝像頭從多個不同方位獲取圖像，并根據雙目視覺原理恢復其周圍環境特征點的三維坐標值；然后利用角點匹配算法換算視差值，實現無人機在走廊橫向坐標位置信息提取；最后采用區域灰度算法進行立體匹配獲取視差圖，從視差圖上檢測出障礙物，并給出避障導航路線。該方法通過兩個攝像頭獲取左右兩個相機采集到的圖像像位差，同時結合相機模型建立空間投影關系得到位置信息[8-10]。雙目立體視覺系統算法流程如圖1所示。

圖1 雙目立體視覺算法流程

2 基于光流傳感器的自主導航

光流概念由Gibson在1950年首先提出，具體是指圖像中灰度模式表面運動可看作是帶有灰度的像素點在成像平面圖像上運動產生的瞬時速度場，可利用素灰度時域變化和相關性確定各個像素點運動速度[11-13]。

光流傳感器將圖像采集系統和數字信號處理器整合到一個芯片上，并內嵌光流算法一體式視覺傳感器[14]。光流傳感器通過圖像采集系統，以一定速率連續采集物體表面圖像，再由數字信號處理器對所產生的圖像數字矩陣進行分析。由于相鄰兩幅圖像會存在相同特征，通過對比這些特征點的位置變化信息，判斷出物體表面特征平均運動，該分析結果最終被轉換為二維的坐標偏移量，并以像素數形式存儲在特定寄存器中，實現對特定運動物體的檢測。

本文以小型四旋翼無人機作為實驗平臺建立光流數學模型，在分析光流測量誤差后，提出了利用雙光流傳感器測量飛行器高度及速度數據；采用兩組性能一樣的光流模塊作為光流傳感器，傳感器間隔為0.1m，光流傳感器坐標系與飛行器機體坐標系對齊[14]。雙光流檢測幾何關系如圖2所示。

圖2 雙光流檢測幾何關系

3 基于激光雷達的自主導航

激光雷達是傳統雷達技術與現代激光技術相結合的產物，是一種主動式現代光學遙感技術。激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等獨特優勢，因此激光雷達具有角分辨率高、距離分辨率高、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標的多種圖像以及抗干擾能力強等優點[15]。

利用激光雷達進行室內導航，具體流程如下：首先，使用激光雷達對室內場景進行激光探測，獲取周圍障礙物距離探測點相對坐標數值；其次，構建以探測點為中心、以雷達掃描半徑為最大區域的環境地圖；最后，在車輛行駛過程中連續使用激光雷達進行探測，獲取以當前位置為中心的環境信息，與地圖中特征點進行對比后確定車輛在地圖中所處位置，從而達到自主導航目的[16]。

在微慣性和激光雷達組合導航系統中，微慣性系統可輔助解決激光雷達探測信息運動學推算問題；而在特征細節豐富區域，通過激光雷達，可獲得精確的相對定位信息，從而抑制微慣性系統導航定位參數發散問題，其所構成的微慣性/激光雷達組合導航系統如圖3所示[17-19]。

圖3 系統硬件設計連接框圖

4 結論

室內導航技術是近些年來興起的一個熱點技術，是在室內完成四旋翼飛行器自主飛行的關鍵技術之一。四旋翼無人機室內自主飛行研究工作主要采用單目/雙目視覺、光流傳感器及激光雷達等三種技術。這三種技術雖然都能實現室內自主飛機，但是各自都存在一定問題，具體問題總結如下：

（1）基于單目/雙目視覺的自主導航技術，信息量大、處理距離算法比較復雜，容易導致導航要求實時性不高；

（2）基于光流傳感器的自主導航技術，視覺信息解算速度和光流可靠程度仍待提高；

（3）基于激光雷達的自主導航技術價格較高，且極易受到強光干擾。

因此，結合三種技術優勢進行信息融合才能獲得精度較高的導航信息，從而進一步促進室內無人機自主飛行技術發展。