基于光流定位的室內(nèi)無人機(jī)自主避障研究

周洲　陳祥祥　汪玲　丁志斌　彭渴望　胡明敏

摘 要：無人機(jī)的研究逐步成為當(dāng)今的熱點(diǎn)，尤其是旋翼無人機(jī)，其具有空中懸停、機(jī)動性好等優(yōu)勢，適合在低空環(huán)境中執(zhí)行偵察及目標(biāo)捕捉等任務(wù)。因而成了各大高校的研究對象。文章以一架小型四旋翼無人機(jī)為平臺，設(shè)計了無人機(jī)在無GPS定位情況下，通過光流定位模塊及飛控接收信息，進(jìn)而利用激光測距實(shí)現(xiàn)無人機(jī)室內(nèi)自主避障。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)無人機(jī);光流定位;激光避障

1 研究的背景和意義

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的研究成了當(dāng)今熱點(diǎn)。由于其具有垂直起降、機(jī)動性好等方面優(yōu)勢，特別適合在低空環(huán)境中執(zhí)行偵察、及目標(biāo)捕捉等任務(wù)。因而成了各大高校和研究機(jī)構(gòu)的研究對象。然而無人機(jī)的室內(nèi)飛行面臨著諸多技術(shù)問題。首先是無人機(jī)室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)，如何在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無人機(jī)精確定位是其實(shí)現(xiàn)室內(nèi)飛行的重要前提條件。其次是無人機(jī)的實(shí)時運(yùn)動控制、對目標(biāo)和障礙物的檢測等。對于這些技術(shù)難題，2014年國際空中機(jī)器人大賽提出了第七代任務(wù)，要求無人機(jī)在室內(nèi)無外界輔助導(dǎo)航的情況下對多個地面機(jī)器人進(jìn)行交互。在此發(fā)展背景下，不論是各大學(xué)實(shí)驗室，還是科技公司，都加入無人機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用行業(yè)。

本項目主要是為達(dá)成室內(nèi)無人機(jī)在無GPS支持的工況下實(shí)現(xiàn)室內(nèi)自主避障與精確定位飛行，通過飛控接收不同的信息，從而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的避障飛行。

2 四旋翼無人機(jī)平臺的整體設(shè)計

采用F450多旋翼無人機(jī)，整個系統(tǒng)主要有4個部分組成，一是飛行控制模塊，本文選用的是開源的飛控開發(fā)板;二是系統(tǒng)的導(dǎo)航模塊;三是避障模塊，采用激光避障模式;四是上位機(jī)，用來接收飛控數(shù)據(jù)。

2.1 飛行控制器

匿名飛控凌霄，其源碼可因后續(xù)開發(fā)需要進(jìn)行編寫，添加新程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能。

2.2 避障系統(tǒng)

TFmini-S是一款高性價比激光測距模組。在保證12m量程（@90%反射率）的基礎(chǔ)上，TFmini-S據(jù)有精度高、盲區(qū)小、低功耗等優(yōu)勢，在智能無人場景中，保證實(shí)時非接觸式高精度測量體驗。

2.3 光流傳感器

光流定位是借助無人機(jī)底部的一個攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，然后采用光流算法計算兩幀圖像的位移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在室內(nèi)無GPS信號的情況下高精度定位，達(dá)到更加平穩(wěn)的控制[1]。

3 無人機(jī)的避障策略

3.1 激光測距系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)基于TOF（Time of Flight）即飛行時間原理，使用 TFmini-S模塊可對障礙物實(shí)施測距，該模塊可對外發(fā)射周期性近紅外光調(diào)制波，該波遇到障礙物后發(fā)生反射。從而通過測量調(diào)制波往返相位差得到飛行時間，再經(jīng)過一系列算法，可得與障礙物之間的距離[2]。

通過調(diào)用匿名飛控程序優(yōu)化算法，從而實(shí)現(xiàn)加裝TFmini-S模塊的無人機(jī)，完成自主避障的預(yù)期目標(biāo)。

3.2 激光避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在自動任務(wù)中執(zhí)行避障的程序流程如圖1所示。

3.3 通信協(xié)議

采用UART方式接收數(shù)據(jù)，TFmini發(fā)送數(shù)據(jù)遵循標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（見表1）。

3.4 代碼解析

對代碼通訊執(zhí)行判斷，判斷飛機(jī)的飛行條件。具體代碼如圖2所示。

4 結(jié)語

此項目采用便捷輕巧多旋翼無人機(jī)，加載光流進(jìn)行精確定位，遵循通信協(xié)議的前提下，進(jìn)行TM模塊測距算法優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)自主避障。

因室內(nèi)光照環(huán)境不明，探測元件在感知外部環(huán)境信息時無法準(zhǔn)確獲取障礙物信息，室內(nèi)布局不明朗，對飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，定位和避障系統(tǒng)能夠滿足在普通室內(nèi)環(huán)境中自主飛行的能力，可通過搭載相關(guān)設(shè)備執(zhí)行多種室內(nèi)任務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]金正康，秦工，李朝陽，等.光流定位自主無人機(jī)的研究與應(yīng)用[J].電子測試，2020（19）：52-55.

[2]薛喜地.基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的室內(nèi)無人機(jī)避障[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

（編輯 傅金睿）

Study on autonomous obstacle avoidance of indoor UAV based on optical flow positioning

Zhou Zhou， Chen Xiangxiang， Wang Ling， Ding Zhibin， Peng Kewang， Hu Mingmin

（College of Automotive Engineering， Nanjing University of Technology Pujiang，? Nanjing 211100， China）

Abstract：The research of UAV has gradually become a hot spot， especially the rotor UAV， which has the advantages of hovering in the air and good mobility， and is suitable for reconnaissance and target acquisition in low altitude environment. Therefore， it has become the research object of universities. In this paper， a small four rotor UAV is used as the platform to design a UAV. In the case of GPS positioning， the UAV can receive information through optical flow positioning module and flight control， and then realize autonomous obstacle avoidance indoor by laser ranging.

Key words：indoor UAV; optical flow positioning; laser obstacle avoidance

作者簡介：周洲（1999— ），男，江蘇沭陽人，本科生;研究方向：汽車服務(wù)工程。