測(cè)距傳感器在無(wú)人機(jī)避障中的應(yīng)用

摘 要 在無(wú)人機(jī)快速發(fā)展的背景下，通過(guò)梳理無(wú)人機(jī)避障中的各種測(cè)距傳感器和分析其主要工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，有助于無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。尋求一種全面解決各領(lǐng)域避障問(wèn)題的方案是無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的趨勢(shì)和研究方向。

關(guān)鍵詞 測(cè)距傳感器 無(wú)人機(jī)避障技術(shù)

1無(wú)人機(jī)避障技術(shù)

無(wú)人機(jī)是由無(wú)線遙控設(shè)備和程控設(shè)備控制的無(wú)人駕駛飛行器。在實(shí)際操縱中，由于環(huán)境的多變、人為失誤和無(wú)人機(jī)失控等原因，無(wú)人機(jī)變成了不受控的定時(shí)“炸彈”。隨著人工智能的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)不再是需要操控的飛行器，而是擁有“大腦”的飛行機(jī)器人，能夠在安全自動(dòng)地完成飛行任務(wù)而無(wú)需任何人為操控。而無(wú)人機(jī)避障技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。

無(wú)人機(jī)避障技術(shù)是無(wú)人機(jī)自主躲避障礙物的智能技術(shù)，可以實(shí)時(shí)收集飛行參數(shù)，及時(shí)修正飛行參數(shù)，躲避飛行路徑中的各種障礙物并及時(shí)改變無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。極大程度上減少無(wú)人機(jī)撞機(jī)事故，降低損失，避免對(duì)周?chē)藛T的傷害，增加無(wú)人機(jī)飛行的安全系數(shù)。不同行業(yè)如農(nóng)業(yè)、電力、水利、建筑、運(yùn)輸、媒體等領(lǐng)域在無(wú)人機(jī)的避障上有不同的特點(diǎn)，確保無(wú)人機(jī)避障技術(shù)在各種應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮作用是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2測(cè)距傳感器的比較

無(wú)人機(jī)避障技術(shù)分的實(shí)現(xiàn)為三個(gè)步驟：感知障礙物、繞過(guò)障礙物并規(guī)劃合理路徑。發(fā)現(xiàn)障礙物是無(wú)人機(jī)避障技術(shù)考慮的第一步，在實(shí)現(xiàn)方式上，利用測(cè)量無(wú)人機(jī)和障礙物之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。可以看出，測(cè)距是避障技術(shù)的基礎(chǔ)，目前常用的測(cè)距傳感器包括紅外、超聲波、激光、視覺(jué)、雷達(dá)等。

2.1紅外測(cè)距傳感器

紅外線是一種頻率介于可見(jiàn)光和微波之間的電磁波，具有電磁波的沿直線傳播、反射、折射、衍射等特征。紅外傳感器測(cè)距一般有兩種，一種是發(fā)光管發(fā)出紅外線，所測(cè)距離根據(jù)接收管接受到的反射光強(qiáng)弱來(lái)計(jì)算；另一種是紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，光束遇到障礙物后會(huì)反射回來(lái)，基于三角測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。由于紅外線是一種不可見(jiàn)光，紅外線測(cè)距具有一定的隱蔽性，可用于夜間距離的測(cè)量。然而，隨著測(cè)量距離的增加，紅外測(cè)量的精度降低，所以不適用于長(zhǎng)距離測(cè)距。另外紅外線受太陽(yáng)光影響較大，當(dāng)遇到黑色和透明的物體，無(wú)法檢測(cè)障礙物距離。

2.2激光測(cè)距傳感器

激光是被激發(fā)出來(lái)的光子序列，擁有電磁波的一般特征。因?yàn)楣馑偈且欢ǖ模す鉁y(cè)距利用飛行時(shí)差（ToF，Time of Flight）進(jìn)行測(cè)距。可以基于反射信號(hào)與原信號(hào)之間的相位差或者飛行時(shí)間差來(lái)?yè)Q算障礙物的距離。激光測(cè)距相對(duì)于紅外測(cè)距來(lái)說(shuō)，精度高，方向性好，但是制作成本較大，且受到光波的限制，無(wú)法在光污染嚴(yán)重等惡劣環(huán)境中使用。

2.3超聲波測(cè)距傳感器

超聲波測(cè)距基于超聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣纫欢ǎ鶕?jù)遇到障礙物后反射回來(lái)的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。超聲波測(cè)距傳感器技術(shù)已成熟，硬件簡(jiǎn)單且成本低。但由于聲波的傳輸非直線而是扇形，因此利用超聲波測(cè)距的方向性差，不能同時(shí)檢測(cè)多個(gè)障礙物。雖然超聲波不同于紅外線和激光，不受太陽(yáng)光的影響，但超聲波傳播的速度會(huì)受到諸如溫度和濕度等空氣條件的影響，因此在惡劣環(huán)境中測(cè)量誤差很大。空氣中超聲波的傳播速度遠(yuǎn)小于空氣中電磁波的傳播速度，超聲波測(cè)距的有效測(cè)量范圍通常在5米以內(nèi)，性能要低于激光測(cè)距和紅外光測(cè)距。

2.4雷達(dá)測(cè)距傳感器

雷達(dá)測(cè)距是通過(guò)發(fā)射和接受電磁波，利用發(fā)射和接受信號(hào)的頻率差來(lái)計(jì)算障礙物的距離、角度、方向。雷達(dá)測(cè)距包括毫米波雷達(dá)和微波雷達(dá)，因其造價(jià)較高，廣泛在軍事無(wú)人機(jī)中應(yīng)用。雷達(dá)具有精度高、全天候工作、感應(yīng)靈敏、穿透能力強(qiáng)、感知距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，雷達(dá)測(cè)距傳感器是未來(lái)無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

2.5單目測(cè)距傳感器

單目測(cè)距通過(guò)攝像頭的移動(dòng)信息和攝像頭得到的圖片測(cè)得深度距離。使用單個(gè)攝像頭在前進(jìn)過(guò)程中獲取前視序列圖像，通過(guò)匹配求得圖像中特征點(diǎn)的移動(dòng)，以拍攝間隔中的飛行距離為基線，通過(guò)三角測(cè)量關(guān)系獲得障礙物的深度距離。但如果圖像中特征點(diǎn)的匹配存在誤差，則會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。一般單目測(cè)距需要攝像頭拍攝的圖片清晰、分辨率高，因此不適合復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)距。然而，單目測(cè)距傳感器具有體積小，功耗低，運(yùn)算快，技術(shù)成熟等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于在無(wú)人機(jī)避障。

2.6雙目測(cè)距傳感器

雙目測(cè)距是模仿人眼以估計(jì)障礙物距離，即使用兩個(gè)平行的攝像頭來(lái)捕捉圖像。根據(jù)相同目標(biāo)在兩個(gè)鏡頭中的坐標(biāo)不同，通過(guò)轉(zhuǎn)換進(jìn)一步獲得障礙物的距離。雙目測(cè)距的缺點(diǎn)在于技術(shù)難度較高，運(yùn)算復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，且障礙物的距離誤差隨距離變大而指數(shù)增長(zhǎng)。目標(biāo)匹配是雙目測(cè)距的難點(diǎn)，拍攝圖像時(shí)需要充足的光源，因此光照變化、目標(biāo)被遮擋、圖像像素低都會(huì)影響到結(jié)果。

2.7結(jié)構(gòu)光測(cè)距傳感器

結(jié)構(gòu)光測(cè)距是一種利用圖像和可見(jiàn)光的測(cè)距方法。結(jié)構(gòu)光的光源可以是激光或是白光，利用光平面照射在物體表面上產(chǎn)生的光條紋，并且在捕捉的圖像中檢測(cè)光條紋，它們的形態(tài)和間斷性構(gòu)成了物體各個(gè)可見(jiàn)表面與相機(jī)之間的相對(duì)測(cè)度。結(jié)構(gòu)光測(cè)距具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是由于結(jié)構(gòu)光光源的特殊性，結(jié)構(gòu)光測(cè)距多用于室內(nèi)測(cè)距。

2.8電子地圖測(cè)距傳感器

當(dāng)無(wú)人機(jī)的飛行目標(biāo)區(qū)域被建模為精確的三維建筑地圖，借助GPS傳感器等導(dǎo)航系統(tǒng)，就能夠避開(kāi)重要建筑物等障礙物，而且無(wú)人機(jī)可以提前選擇最優(yōu)路徑，提高飛行效果。但是無(wú)法應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，在GPS信號(hào)差的時(shí)候，電子地圖測(cè)距無(wú)法測(cè)量距離，只能將無(wú)人機(jī)從GPS模式轉(zhuǎn)換為飛行模式。

3結(jié)語(yǔ)

各種測(cè)距傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前多使用超聲波測(cè)距傳感器來(lái)獲取無(wú)人機(jī)的高度參數(shù)；多使用三維激光測(cè)距傳感器來(lái)獲取三維場(chǎng)景信息；多使用紅外測(cè)距傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)短程環(huán)境感知。在不同的場(chǎng)景下采用不同的測(cè)距傳感器，農(nóng)業(yè)植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)環(huán)境多有灰塵或是農(nóng)藥，因此雙目測(cè)距傳感器難以滿足農(nóng)用無(wú)人機(jī)，但是可以利用雙目測(cè)距傳感器識(shí)別電力設(shè)備狀態(tài)和三維重建電力掛接線。無(wú)人機(jī)避障在特定的場(chǎng)景下取得了一定成效，但是整體收效甚微，尋求一種全面解決避障問(wèn)題的方案，是無(wú)人機(jī)領(lǐng)域目前最大挑戰(zhàn)。

作者簡(jiǎn)介：吳亞楠（1989-），女，漢族，南京森林警察學(xué)院偵查系，講師，研究方向：偵查技術(shù)。

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