基于DSP的四旋翼飞行器视觉导航避障系统研究

肖祖铭 郭瞻

摘 要：近年来，无人机技术发展迅速，对无人机控制、自主着陆等方面的研究不断取得巨大成果。考虑到无人机作业时常会遇到复杂的地形，尤其是在大城市中，无人机如何实现智能避障已成为一个研究的热门课题。本项目将光流避障算法理论应用于视觉避障的研究，既弥补了GPS全球定位导航局部失效的缺点（如室内作业或者建筑物密集地带），也代替了INS惯性导航系统漂移误差的影响，实现了无人机精确、稳定的避障目标，这将是未来无人机导航发展趋势。

关键词：DSP；四旋翼飞行器；视觉导航避障

无人机在无人机侦查、救援等军事活动、摄影测量以及农场作业等实际操作中，无人机无时无刻不在体现其强大的优势。人机如何实现智能避障已成为一个研究的热门课题。它关系着无人机是否能够顺利的完成任务，也关系着无人机是否能够安全返航。同时，自主、快速避障也是无人机自主化、智能化的显著标志。现阶段国内外学者对无人机的避障算法做了充分的研究，包括可视图法、人工势场法以及VFH直方图法等，每一种算法都有自身的优势和不足，考虑到时序和快速响应等问题，我们需要研究一种新的算法来实现无人机避障功能。

一、国内外无人机自主避障技术研究概况

（一）国内外研究现状分析和发展趋势

基于全局的路径规划是目前国内外常见的无人机导航方法，但由于真实的飞行环境信息很难完全预知，未知和突发的威胁对于预先规划的全局航路是致命的打击，即使没有突发的威胁，全局航路规划也依赖于离线预处理和对环境数据的高度精确，对于地面站的要求过高，并且控制范围受到无线传输距离的限制，因此基于无人机自主的导航方式的研究势在必行。

（二）现有的两种实时航路规划方法

1）基于已知环境信息规划初始航路，在出现突发威胁障碍时作出局部调整，绕过威胁后重新回到初始规划航路；2）在发现威胁后，基于当前位置和目标点重新规划航路。这两种方法虽然解决了全局航路规划缺乏应变的问题，但是可以看出在时间上损失过大，且同样过分依赖地面站的控制。

（三）无人机视觉避障技术研究成果及原因

国内外关于自主避障的研究多应用于机器人室内导航，而在无人机方面的研究相对匮乏，其原因主要有两个方面：第一，普通芯片处理数据的能力不能达到要求，即对于大量数据的计算不能满足系统快速响应的需要。第二，传感器不能够准确和快速对周围环境进行采样。为了解决上述的三个问题，本项目将提出了一种基于DSP芯片机载设备的四旋翼飞行器系统，来实现无人机的自主避障功能。

二、研究内容

本项目主要选取四旋翼飞行器作为研究平台，通过机载CCD摄像机作为图像传感器代替激光雷达测距仪，并由专用DSP处理器对拍摄的图像进行处理、阈值化、特征识别等过程，来实现飞行器对前方障碍的快速识别，然后经过飞控计算机发出控制指令，实时在线调节飞行器的俯仰角、偏航角和滚转角，使飞行器能够快速、稳定的避开障碍物，实现无人机的完美避障。它具体涵盖了下列内容：1）基于光流算法的图像处理及飞行器前方障碍物识别的软件设计。2）基于DSP处理器的数据接收、处理以及控制信号输出的硬件平台设计。3）将基于光流算法的避障程序移植到DSP芯片中。4）基于DSP的无人机避障系统PC机仿真软件平台搭建，进行软件仿真验证。5）基于DSP的无人机避障系统硬件平台搭建，进行实物飞行验证。

三、研究目标和拟解决的关键问题

（一）研究目标

笔者欲开发一种基于DSP的四旋翼飞行器视觉导航避障系统。通过软硬件设计结合，实现四旋翼飞行器快速、稳定的自主避障，同时还要实现路径最短、能耗最小、飞行效果最佳等功能。

（二）拟解决的关键问题

1）解决快速、准确识别障碍物和周边背景图像噪声对数据处理结果的影响的技术。2）解决研究完整的基于DSP芯片的无人机避障系统的搭建。3）解决将研究基于光流值的避障算法移植到DSP芯片中。

四、拟采取的研究方法余可行性分析

（一）拟采取的研究方法

1.硬件平台搭建样板

硬件是整个避障系统的基础，本项目拟采用CCD摄像机作为图像传感器，采用性能高速的DSP芯片（DM642芯片）对图像进行处理，完成障碍物识别等任务，遥控发射器和接收器频率为2.4GHz，为避免频率相同下，信号的干扰，故舍弃传输距离更远的XBee无线数据传输器（2.4GHz），选择传输距离较近，但满足要求的3DR Radio（915MHz）无线数据传输器。地面站由一台计算机控制以及相应软件组成，对飞行器进行实时监控，系统硬件平台方案。

2.PC机仿真软件平台搭建， 进行软件仿真验证

通过OpenGL与MATLAB混合编程，来实现光流的避障算法的仿真验证。具体思路是：基于OpenGL搭建一个虚拟的飞行环境，在该环境模拟一架无人机并将摄像机放置在飞机前端，同时在场景中放置一定的障碍物，然后通过MATLAB的实时运行结果来控制该飞行器的飞行，实现自主避障。

（二）可行性分析

在本次项目设计中，既有PC机仿真软件平台搭建，对系统软件进行测试，又有硬件平台搭建，对系统实物进行测试，整个研究过程的实时和准确都能得到保证。同时本系统搭载的外设使用价格低、质量小、信息全的机载摄像机作为避障传感器，与其他的激光或者雷达测距传感器相比，不但减轻了无人机的载荷，增加续航能力，而且降低了成本，有利于无人机的推广。

（三）本项目创新点及特色

1）本项目核心设计思想类似人类避障行为：DM642芯片类似人的大脑，CCD相机则相当于人的眼睛。当无人机遇到障碍时，系统通过CCD相机将环境信息传输到DM642，随后DM642“思考”并做出判断，然后把得出的控制信号经过I/O口传给飞控计算机，飞控计算机控制四个电机的运转，实现一次避障“运动”。2）设计一种基于DSP的光流算法避障系统，实现无人机避障的最优化处理。

参考文献：

[1] 郑海潮.四轴飞行器自主飞行控制及避障系统研究[D].电子科技大学，2016.

[2] 聂博文，马宏绪，王剑，王建文.微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制，2007（06）.

江西省教育厅科学技术研究项目：基于DSP的四旋翼飞行器视觉导航避障系统研究，项目编号：GJJ151290

作者简介：肖祖铭（1978-），男，江西万安人，本科，副教授，景德镇学院機电系。