基于三維激光雷達的無人機場景建模

趙猛 姚凱 楊國棟 何煊 梁自澤 翟永杰

摘? 要： 隨著無人機應用領域的不斷擴大，無人機對周圍環境感知的需求逐漸加大，激光雷達技術的應用成為無人機研究領域的重要發展趨勢。為解決無人機在飛行過程中周圍環境復雜導致現場定位信號較差的問題，基于三維激光雷達，結合大疆無人機的Onboard SDK技術，設計機載激光點云采集系統以及激光點云處理算法。為了降低激光采集系統的操作難度，設計避障算法，在飛行既定路線的同時結合激光點云進行避障飛行。利用激光點云SLAM算法，實現了無人機對周圍環境的三維建模，以達到無人機對周圍環境感知的目的，并通過實際測試驗證了所提方法的有效性。

關鍵詞： 無人機; 場景建模; 三維激光雷達; 激光點云采集系統; 系統設計; 避障飛行

中圖分類號： TN958?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）14?0042?06

UAV scene modelling based on 3D lidar

ZHAO Meng1， YAO Kai2， YANG Guodong3， HE Xuan1， LIANG Zize3， ZHAI Yongjie1

（1. Department of Automation， North China Electric Power University， Baoding 071003， China;

2. Luohe Power Supply Company， State Grid Henan Electric Power Company， Luohe 462000， China;

3. State key Laboratory of Management and Control for Complex Systems， Institute of Automation， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract： With the continuous expansion of the unmanned aerial vehicle （UAV） application field， the demand of UAV for the surrounding environment perception is increasing gradually. The application of lidar technology has become an important development trend in the UAV research field. An airborne laser point cloud acquisition system and a laser point cloud processing algorithm are designed based on 3D lidar and in combination of the Onboard SDK technology of DJI UAV， so as to solve the difficulty of poor field positioning signal caused by the complex surrounding environment of UAV throughout its flight process. The obstacle avoidance algorithm is designed to reduce the operation difficulty of laser acquisition system and avoid obstacles by combining the laser point cloud while flying on the established route. The 3D modelling of the UAV for its surrounding environment is realized by means of the laser?point cloud SLAM algorithm to achieve the purpose of UAV′s perception of the surrounding environment. The effectiveness of the proposed method is verified by the actual test.

Keywords： UAV; scene modeling; 3D lidar; laser point cloud acquisition system; system design; obstacle avoidance flight

0? 引? 言

近年來，無人機技術的快速發展使其在工業領域得到了廣泛的使用和推廣，但是現在的無人機操控基本停留在手動控制的階段[1]，對操作人員的要求門檻較高。在環境建模方面，現階段多采用雙目視覺攝像頭或者深度相機進行建模，對環境的敏感性較高，且對硬件的處理器能力要求較高，激光雷達建模則擁有精度較高、對計算量小的優勢[2]。激光雷達作為無人機自主飛行的重要傳感器[3]，之前由于自身重量和成本的問題難以在小型無人機上得到應用和推廣，近年來隨著激光雷達技術的不斷突破，機載激光雷達的質量也降到了1 kg以下[4]，使得3D雷達應用到無人機上成為可能。同步定位與建圖（Simultaneous? Localization and Mapping，SLAM）技術是機器人視覺的一個重要研究內容[5]，采用此技術可以通過無人機自身搭載的激光雷達等傳感器實現無人機的環境感知，結合IMU慣性測量元件，無人機可以估計出自身的定位，進而根據之前的位置實現建圖[6]。本文通過機載三維激光雷達對環境數據進行采集處理，建立起點云地圖，實現無人機周圍環境感知，通過障礙物檢測實現避障功能，以提高無人機在既定路線飛行的自主能力。