[发明专利]城市社区环境下四旋翼自主避障无人机

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对城市社区楼宇环境通过双目CCD和2D激光雷达、超声雷达、机载IMU和GPS等多种感知探测、定位导航传感器对三维环境感知和多传感器信息融合，通过智能三维路径规划算法实现城市社区环境下的自主避障无人机。

背景技术

近年来，由于旋翼无人机可垂直起降，能空中定点悬停，且不受起降地形影响，因此随着控制技术、无线通信技术的成熟、GPS等导航系统的使用，尤其是电子元器件的微小型化，微小型旋翼无人机发展迅猛。而且，从军用大量转入民用领域。从而带来了微小型无人机自主飞行研究的热潮。无人机自主避障技术主要需解决以下几个核心问题：即环境感知、环境描述、路径规划、轨迹跟踪等几方面问题。

从环境感知与规避技术发展阶段看，美国空军研究实验室（AFRL)一直从事基于光电、雷达、超声等感知单元的“感知与规避”项目，主要是为了实现无人机200米左右范围内的全自主飞行，能够通过多种敏感、精密、较大范围感知周围环境的传感器，来实现快速、实时、机载的障碍规避技术。项目采用的光学大靶面、高像素的CCD，实现无人机前方较大范围的障碍物探测，同时，每部CCD配备一步处理器单元，对图像数据进行单独处理，其数据由于采用高清级，可达600万像素的分辨率，且具有每秒20帧的处理速度。但是为了实现无人机的载荷要求，CCD无论从重量还是体积上都很小，基本满足无人机载荷需求。实验人员发现通过CCD与雷达的结合，使得无人机的障碍误报率显著降低，但由于雷达及其天线的尺寸较大，重量也较大，使得无人机的动力能源消耗较大。可是，由于雷达与CCD结合能很好地辨认空间中的障碍危险，比单纯通过避障新算法更有效。因此，AFRL于2007年3月提出了一项先进技术论证项目。为了验证光感规避系统的可行性，美国陆军在RQ.7B“阴影”200B无人机上进行了大量实验。AFRL的研究人员在2009年底启动了一款“阴影”无人机计划，采用了一款“光电雷达”，其验证性实验不定期举行。随后，通用原子公司和诺斯罗普•格鲁曼公司分别在各自开发的“捕食者”和“全球鹰”上实验小型光感避障系统，经过改进升级，其重量从4.5Kg下将到0.5Kg，其功耗也大大降低至30W。

2005年6月，欧洲防务局（EDA）开展了“空中碰撞规避系统”（ACAS）的项目研究，主要任务是开发长航时应用与民用的无人机系统，该系统采用自动控制模式，通过指定空中管制空域飞行规则，实现无人机的“感知和规避”，主要采用了光电、激光和雷达等感知元件。

环境感知元件有主、被动之分，近十余年，这一领域通过应用各种传感技术，使该种飞行控制取得了显著成就。其中在依赖被动视觉技术的首个重大进展中，有学者采用低成本的光流计算机技术实现了固定翼飞行器在峡谷中的飞行。针对飞行器在复杂环境避障飞行中的导航技术，卡耐基梅隆大学采用被动光学传感技术，进行了悬空电缆这类障碍物的高度杂乱环境中的快速飞行实验。此外，NASA的艾姆斯研究中心也进行了该方面的研究，实现了在未知环境下的自适应控制。