一種用于自主導(dǎo)航的具有擴(kuò)展傳感器視場(chǎng)的自旋轉(zhuǎn)單驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)

0. 筆者總結(jié)

無(wú)人駕駛飛行器（UAV）在各種現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，例如搜索和救援、洞穴勘測(cè)、建筑測(cè)繪和考古勘探。為了滿(mǎn)足這些應(yīng)用中的任務(wù)要求，自定位、環(huán)境測(cè)繪和避障的能力是關(guān)鍵。這些能力通?；?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/12732/" target="_blank">無(wú)人機(jī)上的視覺(jué)傳感器提供的環(huán)境觀察，包括被動(dòng)式（例如 RGB 相機(jī)和熱感相機(jī)）或主動(dòng)式（例如光探測(cè)和測(cè)距 (LiDAR) 和紅外深度相機(jī)）。無(wú)人機(jī)現(xiàn)有的一個(gè)問(wèn)題是這些傳感器的小視場(chǎng)（FoV）嚴(yán)重限制了其感知能力和任務(wù)效率。這里也推薦工坊推出的新課程《零基礎(chǔ)入門(mén)四旋翼建模與控制(MATLAB仿真)[理論+實(shí)戰(zhàn)]》。

今天筆者介紹的是一項(xiàng)來(lái)自香港大學(xué)火星實(shí)驗(yàn)室新的工作，與傳統(tǒng)的自主探索無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)不同，這項(xiàng)工作使用自旋裝置擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)的感知FOV，能夠在自旋狀態(tài)下進(jìn)行自主導(dǎo)航，并且可以通過(guò)激光雷達(dá)檢測(cè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物，大大提高了無(wú)人機(jī)的感知避障能力。

圖1，(A) PULSAR 使用一個(gè)執(zhí)行器（即電機(jī)）進(jìn)行全 3D 位置控制，并使用一個(gè)板載 LiDAR 傳感器進(jìn)行自主導(dǎo)航。(B) 未補(bǔ)償?shù)碾姍C(jī)反扭矩自然會(huì)導(dǎo)致自旋轉(zhuǎn)，將傳感器水平 FoV 延伸至 360°。(C) PULSAR在夜間未知森林環(huán)境中的自主飛行；飛行軌跡由機(jī)載藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）指示。(D) 白天在樹(shù)林中自主飛行；飛行軌跡如紅色路徑所示。

1. 導(dǎo)讀

無(wú)人機(jī)在很大程度上依賴(lài)視覺(jué)傳感器來(lái)感知障礙物和探索環(huán)境。由于傳感器視場(chǎng)較小，目前的無(wú)人機(jī)在感知能力和任務(wù)效率方面都受到限制。一種解決方案是利用無(wú)人機(jī)的自轉(zhuǎn)來(lái)擴(kuò)展傳感器FoV，而不消耗額外的功率。由于高度耦合和非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)給設(shè)計(jì)和控制帶來(lái)的困難，以及高速自轉(zhuǎn)給導(dǎo)航帶來(lái)的挑戰(zhàn)，這種由無(wú)人機(jī)電機(jī)的反轉(zhuǎn)矩引起的自然機(jī)制很少被現(xiàn)有的自主無(wú)人機(jī)利用。我們提出了一種動(dòng)力飛行的超欠驅(qū)動(dòng)激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）傳感空中機(jī)器人（PULSAR），這是一種敏捷且自旋轉(zhuǎn)的無(wú)人機(jī)，其三維位置僅通過(guò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)來(lái)完全控制，以獲得所需的推力和力矩。單個(gè)致動(dòng)器的使用有效地減少了動(dòng)力飛行中的能量損失。因此，PULSAR比具有相同總螺旋槳盤(pán)面積和航空電子有效載荷的基準(zhǔn)四旋翼機(jī)功耗低26.7%，同時(shí)保持了良好的靈活性。PULSAR通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)傳感器的增強(qiáng)，可以在未知環(huán)境中執(zhí)行自主導(dǎo)航，并在全景中檢測(cè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物，而無(wú)需任何外部?jī)x器。我們提供了PULSAR在環(huán)境探索和多向動(dòng)態(tài)避障中的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)自旋轉(zhuǎn)擴(kuò)展FoV，可以提高感知能力、任務(wù)效率和飛行安全性。

2. 主要貢獻(xiàn)

我們提出了一種具有擴(kuò)展傳感器視場(chǎng)的自主、單驅(qū)動(dòng)、自旋轉(zhuǎn)無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)使用單個(gè)執(zhí)行器（電機(jī)）來(lái)控制其完整 3D 位置。我們的無(wú)人機(jī)中的葉片槳距角在每次螺旋槳旋轉(zhuǎn)（而不是機(jī)身旋轉(zhuǎn)）時(shí)通過(guò)改變電機(jī)速度來(lái)調(diào)整一次，從而實(shí)現(xiàn)高控制率，從而提高了無(wú)人機(jī)的整體敏捷性 和控制精度。同時(shí)，電機(jī)反扭矩自然地驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)機(jī)身旋轉(zhuǎn)，利用固有運(yùn)動(dòng)來(lái)擴(kuò)展傳感器視場(chǎng)，而無(wú)需添加額外的動(dòng)力執(zhí)行器，有效地減少了執(zhí)行器引起的能量損失和組件重量，這些都有助于降低整體功耗。

此外，通過(guò)利用主動(dòng)和高速率 LiDAR 測(cè)量，所提出的自旋轉(zhuǎn)無(wú)人機(jī)能夠在白天和夜間在未知、無(wú)GNSS 的環(huán)境中完全自主導(dǎo)航。我們?cè)谑覂?nèi)和室外環(huán)境中展示了 PULSAR 在功率效率、敏捷性和自導(dǎo)航能力方面的有效性。在所有實(shí)驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)完全依靠其機(jī)載傳感器和計(jì)算機(jī)來(lái)估計(jì)其狀態(tài)并感知環(huán)境，而無(wú)需使用任何外部?jī)x器。實(shí)驗(yàn)表明，與具有相同螺旋槳盤(pán)總面積和航空電子有效載荷的基準(zhǔn)四旋翼飛行器相比，PULSAR 的功耗減少了 26.7%，同時(shí)在軌跡跟蹤誤差方面保持了相當(dāng)?shù)拿艚菪浴ULSAR 對(duì)外部命令做出響應(yīng)，并對(duì)陣風(fēng)等外部干擾表現(xiàn)出高度魯棒性，使其適合現(xiàn)實(shí)世界的操作。PULSAR 借助實(shí)時(shí)運(yùn)行整個(gè)導(dǎo)航框架的小型機(jī)載計(jì)算機(jī)，成功地在雜亂、無(wú)法使用 GNSS 的環(huán)境中演示了自主飛行。得益于其擴(kuò)展的 FoV，PULSAR 能夠檢測(cè)并避開(kāi)原始傳感器 FoV 之外各個(gè)方向的動(dòng)態(tài)障礙物。

3. 框架解析

機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子裝置

圖2，(A) 組件描述。(B) 所有電子元件之間的互連。(C)無(wú)斜盤(pán)裝置的詳細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)。(D) 無(wú)斜盤(pán)裝置、螺旋槳葉片和電機(jī)的組裝。(E) 轉(zhuǎn)子加速導(dǎo)致葉片滯后于轉(zhuǎn)子的過(guò)程。當(dāng)在轉(zhuǎn)子位置I(即角度)施加加速電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子加速并到達(dá)轉(zhuǎn)子位置II(即角度 )。由于葉片與轉(zhuǎn)子之間的鉸鏈提供了額外的旋轉(zhuǎn)自由度，葉片慣性將使其沿著鉸鏈旋轉(zhuǎn)，并在轉(zhuǎn)子后面產(chǎn)生葉片滯后角（即）。加速后葉片的實(shí)際位置為位置角，如黃色虛線(xiàn)所示。(F) 由于傾斜的不對(duì)稱(chēng)鉸鏈設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子的滯后將導(dǎo)致紅色葉片增加其槳距角，而藍(lán)色葉片從紫色葉片指示的標(biāo)稱(chēng)槳距角減小其槳距角。不同的槳距角變化導(dǎo)致螺旋槳盤(pán)平面內(nèi)產(chǎn)生凈力矩 ，其方向垂直于實(shí)際葉片位置[即角度 ，如 (E) 中的紫色箭頭所示] 。

軟件框架

圖3，(A) 總體軟件框架。根據(jù)應(yīng)用，軌跡命令在不同源之間切換。(B) 軌跡規(guī)劃器使用的地圖來(lái)表示環(huán)境中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物。該地圖被命名為“ikd-forest”，它將空間切割成 分辨率為1 m 的體素集合，每個(gè)體素包含一個(gè)增量 k-d 樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ikd-tree 。ikd-tree通過(guò)保留樹(shù)上的最中心點(diǎn)，以 0.1 米的空間分辨率對(duì)體素中包含的所有點(diǎn)進(jìn)行下采樣。除了點(diǎn)坐標(biāo) 之外，k維樹(shù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)還保存擊中點(diǎn)計(jì)數(shù)器總數(shù)和最后擊中點(diǎn)時(shí)間戳 。

如圖3A所示，軟件框架分為兩部分，分別在各自的硬件上運(yùn)行。第一部分是飛行控制，包括控制器、估計(jì)器和混合器，它在飛行控制器板上以多個(gè)頻率運(yùn)行：50 Hz用于位置控制，200 Hz用于姿態(tài)控制，800 Hz用于角速度控制，910 Hz用于混合器。該部分只有一個(gè)輸出：總油門(mén)指令，表示PULSAR的單致動(dòng)特性。第二部分是導(dǎo)航模塊，它由里程計(jì)和軌跡規(guī)劃組成，并在機(jī)載ARM計(jì)算機(jī)上以50 Hz的頻率運(yùn)行。

從機(jī)載計(jì)算機(jī)到飛行控制器的數(shù)據(jù)流是激光雷達(dá)慣性里程計(jì)估計(jì)的無(wú)人機(jī)狀態(tài)和通過(guò)三種方式生成的軌跡命令：預(yù)設(shè)軌跡庫(kù)包含離線(xiàn)規(guī)劃的軌跡，軌跡規(guī)劃器根據(jù)對(duì)環(huán)境的實(shí)際感知實(shí)時(shí)規(guī)劃平滑無(wú)障礙的軌跡，并且動(dòng)態(tài)障礙物檢測(cè)器和規(guī)劃器檢測(cè)動(dòng)態(tài)障礙物并生成規(guī)避軌跡。不同的實(shí)驗(yàn)會(huì)根據(jù)任務(wù)要求選擇軌跡命令。

軟件模塊的通信框架是運(yùn)行在Ubuntu 20.04上的ROS Noetic。所有的軟件模塊都是用C++實(shí)現(xiàn)的。PULSAR的飛行控制固件是在PX4 V1.11.2的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的。機(jī)載計(jì)算機(jī)和飛行控制器之間的通信基于MAVROS。

LIO

PULSAR的全狀態(tài)估計(jì)是通過(guò)FAST-LIO2實(shí)現(xiàn)的，這是一種高效、穩(wěn)健的激光雷達(dá)慣性里程計(jì)框架。FAST-LIO2估計(jì)無(wú)人機(jī)狀態(tài)（即位置、速度和姿態(tài)，包括自轉(zhuǎn)），并更新慣性（地面固定）幀中的局部地圖（見(jiàn)“動(dòng)態(tài)建?！辈糠值拿枋觯?，其航向被選擇為初始無(wú)人機(jī)航向。我們將激光雷達(dá)掃描速率設(shè)置為50 Hz，這意味著50 Hz的狀態(tài)估計(jì)和地圖更新。這樣的高頻地圖更新使FAST-LIO2能夠緊密跟蹤甚至非常激進(jìn)的運(yùn)動(dòng)，例如PULSAR的自轉(zhuǎn)。估計(jì)的狀態(tài)包括無(wú)人機(jī)的位置、速度和姿態(tài)，這些信息被提供給在飛行控制器上實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）。EKF將進(jìn)一步將狀態(tài)與機(jī)載慣性測(cè)量單元（IMU）融合，以更高頻率完善無(wú)人機(jī)狀態(tài)，以便使用在同一飛行控制器上實(shí)現(xiàn)的控制器。請(qǐng)注意，PULSAR的EKF的狀態(tài)估計(jì)取決于IMU和附加傳感器（即激光雷達(dá)或外部運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)）。如果沒(méi)有額外的傳感器，估計(jì)就不能正常工作。EKF的細(xì)節(jié)在補(bǔ)充材料中進(jìn)行了描述。

ikd-forest

除了里程計(jì)，自主飛行和動(dòng)態(tài)避障的另一個(gè)基本要求是建一張地圖，同時(shí)表示飛行環(huán)境中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)地圖，稱(chēng)為增量k維森林（ikdforest，見(jiàn)圖3B），它是增量k維樹(shù)（ikd樹(shù)）的集合，每個(gè)樹(shù)都包含在一個(gè)體素中（立方邊長(zhǎng)為1m）。ikd-tree首先通過(guò)根據(jù)規(guī)定的分辨率（0.1m）僅保留最中心點(diǎn)來(lái)對(duì)相應(yīng)體素中的點(diǎn)進(jìn)行下采樣。然后，將保留的點(diǎn)組織成k維樹(shù)結(jié)構(gòu)，用于有效的最近鄰居搜索。ikd-tree可以增量更新（插入和刪除）和動(dòng)態(tài)再平衡，ikd-forest繼承了這些優(yōu)點(diǎn)。此外，與將所有點(diǎn)構(gòu)建為大樹(shù)的ikd-tree相比，ikd-forest實(shí)現(xiàn)了更高的效率，因?yàn)槊總€(gè)體素中的每個(gè)ikd-tree的尺寸顯著減小。

在ikd-tree的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，都會(huì)保存點(diǎn)坐標(biāo)。為了區(qū)分動(dòng)態(tài)對(duì)象和靜態(tài)對(duì)象上的點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)上還保存了兩個(gè)額外的時(shí)間特征：命中點(diǎn)計(jì)數(shù)器和最后一個(gè)命中點(diǎn)時(shí)間戳。命中點(diǎn)計(jì)數(shù)器記錄與節(jié)點(diǎn)上的點(diǎn)（即最中心點(diǎn)）過(guò)于接近（即在0.1 m分辨率內(nèi)）的點(diǎn)的數(shù)量，盡管這些非最中心點(diǎn)已通過(guò)下采樣去除。最后命中點(diǎn)時(shí)間戳表示最后一個(gè)點(diǎn)命中節(jié)點(diǎn)的時(shí)間戳。

軌跡生成與自主飛行

為了在有障礙物的環(huán)境中生成安全的軌跡，我們?cè)跈C(jī)載計(jì)算機(jī)上部署了路徑規(guī)劃模塊，通過(guò)接收機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量的點(diǎn)云以50 Hz運(yùn)行。路徑規(guī)劃模塊是基于時(shí)間累積局部地圖和動(dòng)態(tài)A* 搜索算法實(shí)現(xiàn)的。

為了在路徑規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)更快的最近鄰避障搜索，ikd-forest用于維護(hù)時(shí)間累積的局部地圖，該局部地圖僅考慮最近掃描中出現(xiàn)的點(diǎn)(由最后命中點(diǎn)時(shí)間戳指示)。此外，使用了“后退規(guī)劃地平線(xiàn)”策略，其中規(guī)劃者的起始位置取自當(dāng)前時(shí)間之后20 ms的當(dāng)前軌跡?！昂笸艘?guī)劃范圍”策略消除了規(guī)劃者對(duì)里程計(jì)的依賴(lài)，因此他們可以并行運(yùn)行。然后將規(guī)劃好的軌跡傳輸給飛行控制器進(jìn)行跟蹤。一旦在當(dāng)前軌跡上檢測(cè)到碰撞，或者無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)離跟蹤的軌跡，就會(huì)觸發(fā)重新規(guī)劃模塊，重新規(guī)劃新的軌跡，以確保復(fù)雜環(huán)境下的飛行安全。當(dāng)無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置在目標(biāo)航路點(diǎn)的1米范圍內(nèi)時(shí)，該航路點(diǎn)被視為到達(dá)，下一個(gè)航路點(diǎn)將被用作觸發(fā)上述規(guī)劃過(guò)程的新目標(biāo)點(diǎn)。

動(dòng)態(tài)避障

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)探測(cè)器來(lái)探測(cè)接近無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)障礙物。因?yàn)閯?dòng)態(tài)障礙物僅在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，并且在連續(xù)掃描中出現(xiàn)在不同位置，所以在最近掃描中收集的(由最后擊中點(diǎn)時(shí)間戳指示)并且具有小擊中點(diǎn)計(jì)數(shù)器的點(diǎn)被認(rèn)為是動(dòng)態(tài)障礙物，而其余的點(diǎn)被認(rèn)為是靜態(tài)障礙物。在實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間戳和計(jì)數(shù)器的閾值被很好地調(diào)整以實(shí)現(xiàn)可靠的檢測(cè)性能。一旦檢測(cè)到動(dòng)態(tài)障礙物，就產(chǎn)生一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，使得它到UAV的距離比地圖中最近的靜態(tài)點(diǎn)短，并且它位于與物體的進(jìn)入方向正交的方向上。第一個(gè)條件保證無(wú)人機(jī)與目標(biāo)點(diǎn)之間的空間沒(méi)有任何靜態(tài)障礙物，第二個(gè)條件便于無(wú)人機(jī)躲避動(dòng)態(tài)障礙物。最后，生成的目標(biāo)點(diǎn)被發(fā)送到飛行控制器進(jìn)行機(jī)載控制。這里也推薦工坊推出的新課程《零基礎(chǔ)入門(mén)四旋翼建模與控制(MATLAB仿真)[理論+實(shí)戰(zhàn)]》。

4. 實(shí)驗(yàn)

我們進(jìn)行了各種實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證 PULSAR 的性能。在所有實(shí)驗(yàn)中，PULSAR 使用相同的 LiDAR 慣性里程計(jì)和軌跡跟蹤控制器來(lái)分別估計(jì)其完整狀態(tài)并跟蹤軌跡命令（圖 3A）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，軌跡命令由機(jī)載軌跡規(guī)劃器、動(dòng)態(tài)障礙物檢測(cè)器和規(guī)劃器或預(yù)設(shè)軌跡庫(kù)生成。

飛行效率

室內(nèi)軌跡跟蹤

位置指令響應(yīng)

抗干擾魯棒性

在無(wú)GNSS的未知環(huán)境自主導(dǎo)航

(A) PULSAR 在室外木材環(huán)境中的自主航路點(diǎn)導(dǎo)航。起點(diǎn)和終點(diǎn)相同。每個(gè)航點(diǎn)上顯示的時(shí)間是 PULSAR 到達(dá)該航點(diǎn)的時(shí)間。在飛行過(guò)程中，同時(shí)構(gòu)建環(huán)境的 3D 點(diǎn)云地圖。(B 和 C) 使用 PULSAR 進(jìn)行動(dòng)態(tài)避球。球從兩個(gè)正交方向拋出，其躲避過(guò)程分別如圖（B）和（C）所示。在這兩種情況下，左側(cè)疊加的快照顯示了球的軌跡、PULSAR 檢測(cè)到球時(shí)的位置以及 PULSAR 執(zhí)行的回避軌跡。右側(cè)圖像顯示環(huán)境地圖的第三人稱(chēng)視圖、當(dāng)前激光雷達(dá)點(diǎn)測(cè)量、檢測(cè)到的球位置及其軌跡，以及避球前后的完整無(wú)人機(jī)軌跡。左側(cè)捕捉快照的相機(jī)的姿勢(shì)由綠色箭頭指示。環(huán)境地圖由運(yùn)行在車(chē)載計(jì)算機(jī)上的激光雷達(dá)慣性測(cè)距系統(tǒng)同時(shí)構(gòu)建。(D) 自主航路點(diǎn)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)中里程計(jì)和軌跡規(guī)劃器的計(jì)算時(shí)間。(E)動(dòng)態(tài)避障實(shí)驗(yàn)中里程計(jì)、動(dòng)態(tài)障礙物檢測(cè)器和規(guī)劃器的計(jì)算時(shí)間。

動(dòng)態(tài)避障

5. 總結(jié)

PULSAR的高能效、自主導(dǎo)航能力和擴(kuò)展的傳感器FoV使其非常適合環(huán)境調(diào)查、搜救、救災(zāi)、地形測(cè)繪和自動(dòng)三維重建等勘探任務(wù)。這些任務(wù)中的環(huán)境通常是未知的，GNSS失效（例如，樹(shù)冠、洞穴、隧道和災(zāi)后建筑），并且涉及靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)物體（例如，鳥(niǎo)類(lèi)和動(dòng)物）。正如實(shí)驗(yàn)所證明的那樣，PULSAR可以在這些真實(shí)世界的環(huán)境中安全運(yùn)行，并在白天和晚上快速獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，為決策提供及時(shí)可靠的反饋。

審核編輯：劉清