无人机的智能避障7千米，7千米指的是什么？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-05-06 17:52 标签： 无人机避障功能原理

张宏宏 甘旭升 毛亿 杨春林 谢晓伟

摘 要：随着低空空域改革的推进， 无人机离开隔离空域， 进入低空融合空域执行多样化任务已成为发展趋势， 而低空动态复杂融合空域给无人机造成严重威胁， 避障技术已成为无人机任务决策系统的关键环节， 对保障无人机安全运行、 提高作业效率起到重要作用。 本文首先对无人机避障的相关概念、 路径评价指标以及避障关键技术进行阐述， 然后对基于优化、 势场和机器学习的避障算法进行概念阐述、 优缺点比较， 最后分析得出了制约无人机避障发展的挑战、 研究重点和方向。

关键词： 无人机; 避障; 优化; 势场; 机器学习; 人工智能; 自主控制

随着航空技术与自动化技术的不断发展， 无人机凭借其机动性强、 成本低、 操作方便等特点， 在军事、 农业、 交通、 公共管理等领域获得广泛应用。 根据前瞻产业研究院发布的《年中国无人机行业市场需求预测及投资战略规划分析报告》预测， 我国民用无人机产品销售和服务总体市场规模到2025年将达到750亿元。 2016年， 国务院办公厅在《关于促进通用航空业发展的指导意见》中提出扩大低空空域开放， 低空空域管理改革实现军民融合[1]。 2018年， 国家空管委办公室发布《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例（征求意见稿）》[2]， 无人机低空运行成为当前低空空域改革的重点。 随着改革的推进， 无人机由视距内人工遥控器操作发展为超视距远程网络操作， 从而进入融合空域执行多样化任务已成为当前趋势[3]， 而制约无人机发挥更大效能的关键在于其是否具有可靠的避障能力。

1 无人机避障相关概念

低空融合空域内， 执行特定任务的无人机与静态建筑、 树木障碍物、 动态飞行器等共享同一空域， 当空域内流量过大时， 极易发生危险接近甚至空中撞击事件， 带来了安全隐患。 飞行冲突是指两架航空器在横向、 纵向或垂直方向上距离小于特定间隔， 使得航空器受到安全威胁的状态[4]。 无人机避障是通过研究航空器在未来一段时间内是否存在潜在冲突， 通过改变无人机运行状态， 规划出避免冲突的理想轨迹， 达到规避障碍物的过程， 目的是保证空域内无人机与障碍物保持一定的安全距离[5]。 避障策略是无人机用于解决冲突的一系列动作， 基本动作包括变速（加速或减速）、 水平动作（左转或右转）和垂直动作（爬升或下降）。 简单冲突场景时， 一个简单的基本操作就可以避免碰撞， 但面对高密度、 高不确定性的复杂冲突环境时， 需要结合基本动作， 同时或依次进行操作， 才能保证避障的有效性与最优性。

由于无人机具有高机动性、 自身性能约束等特点， 因此在避障过程中需要考虑一系列条件：

（1） 安全约束： 安全运行是无人机运行的关键指标之一， 指无人机与其他航空器的距离在任意时刻下都保持一定的安全间隔。

（2） 解脱实时性： 与中高空空域相比， 低空空域环境更加复杂， 执行任务的飞行器种类更加多样， 路径更加不规则， 冲突概率相应增大， 因此， 无人机避障策略计算时间要尽可能小， 满足实时性约束， 以此来应对具有高不确定的障碍物。

（3） 物理性能约束： 无人机的最大航程、 最小航段、 最小转向速度、 飞行速度、 运行高度、 过载等物理量受到自身动力学性能约束， 因此， 在避障过程中必须考虑相关约束条件， 生成满足动力学性能约束的安全路径。

（4） 执行任务： 无人机在避障过程中， 往往会偏离原路径， 影响任务执行效率， 因此， 在无人机冲突消解后， 需要考虑航迹恢复问题， 降低规避策略对无人机执行任务的影响。

（5） 空间约束： 低空混合空域具有一定的空间限制， 包括禁飞区、 危险区等严禁无人机进入的空域， 同时复杂融合空域内运行的无人机需要考虑地理威胁因素， 包括建筑、 山体等障碍物对运行轨迹的影响， 因此， 在解脱路径生成时需要考虑空间约束条件。

另外， 无人机属性、 性能差异等因素也应予以考虑。

融合空域执行任务的无人机系统应具备一定的规避障碍物的能力， 如图1所示， 在外部环境约束、 任务目标和机动性能的约束下， 地面/机载处理器需要实时生成避障策略， 并传送给无人机飞行控制器， 通过动力单元模块实现冲突消解。

无人机避障问题的核心在于计算得到冲突解脱路径， 因此， 求解获取路径的优劣需要建立相应指标进行评价， 一般包括解脱路径质量与算法性能两部分， 具体指标如图2所示。

作为无人机自主控制能力的关键技术之一， 避障技术受到国内外学者的关注。 从智能控制的角度来看， 无人机是一个集综合环境感知层、 决策控制层与操作执行层为一体的智能控制系统， 同时， 无人机还是一个高度智能化的系统， 其自主性、 适应性与交互性的特征需要综合多学科知识进行技术实现。 由于运行环境的高复杂性与不确定性， 无人机避障规划研究的关键技术主要包括信息感知、 智能决策、 路径规划与运动控制等方面。

（1） 信息感知技术。 无人机要达到避障控制的目标， 首要考虑的问题就是获取自身状态信息及其周围环境信息以指导下一步决策， 这些信息需要通过信息感知系统进行获取， 因此， 如何获取相关信息成为无人机避障的关键技术之一。

（2） 智能决策技术。 无人机需要通过感知的自身状态信息与环境信息进行自主决策判断， 确定合适的运行模式， 并作出相應的机动决策策略。

（3） 路径规划技术。 无人机避障路径规划是根据智能决策给出的避障任务与实时环境变化， 为无人机提供可机动策略空间与运行引导的过程。 路径规划可分为全局规划与局部规划， 是无人机避障关键技术之一。

（4） 运动控制技术。 运动控制技术是根据当前无人机自身状态以及规划出的避障路径， 生成控制指令， 控制无人机精确、 快速跟踪规划出的路径， 主要包括调向、 调速、 调高等控制动作， 是无人机避障关键技术之一。

运行中的无人机一旦检测到飞行冲突， 立即解算避障路径， 并驱动机体按照安全路径运行。 当前避障技术主要分为三类： 基于优化、 势场和机器学习的避障方法。

无人机避障那么多坑，为何还有这么多厂商在追？

随着新一轮娱乐类无人机的发布，避障再一次成为热点。无人机为什么要避障，怎么避障，有哪些技术和坑点？今天来八一八。
  无人机本来在高空穿梭，不知障碍为何物。可是多旋翼的普及改变了一切。植保，运货，勘测，穿越，娱乐，拍照等等低空应用成为常态。于是地面各种障碍物变得突兀起来，变得值钱，能够炒作了。于是大大小小的无人机无论是否必须，都开始谈论避障。
  什么是避障？简单的说就是躲避航线或飞行中遇到的物体，避免双方损伤，注意是双方。怎么避障？要解决三个问题：
1，有哪些类型的障碍。
  简单的说障碍物有三种类型：大障碍，小障碍，动障碍。
  大障碍是不可逾越的比如墙，楼，山等等，对于这种障碍只能停不能避。小障碍是电线杆，树木等等可以躲避的障碍。动障碍就是人畜鸟，有人说飞过来一块石头，好吧，也算是。
  对于后两种障碍，大部分厂家含糊其辞，因为真正做到避障，知道障碍还要知道它的位置;躲避障碍还要知道往哪躲。并不是探测就绕开说起来这么简单，需要一系列传感器和算法配合。而且真的需要么？我们看看动障碍都是在娱乐过程中才会出现，工业作业遇到的基本都是不动的小障碍，那么为什么不能勘测用航线避开呢？树是死的人是活的啊，避障真的必须么？有人说作业过程也有鸟啊，那有人机为什么不做避障？
  道理很简单，规避动作有可能遇到新的障碍，导致新的控制问题。飞机不是玩具，不能为躲避已知危险而陷入未知危险，只能提高飞机抗撞性能来解决。只有娱乐无人机需要，因为飞机自己不值钱，撞上人和建筑损失更大些。
  避障用的传感器是现在宣传中最大的坑点！所谓避障传感器是不存在的，因为传感器只能探测不能躲避。这就像能写文章的都叫作家一样扯淡。传感器只有距离传感器，扫描传感器，双目视觉三种可以使用。
  距离传感器指的是超声波，无线电测距(被宣传为雷达)，激光测距(被宣传为激光雷达)。他们都是主动发射声波，电磁波或激光到前方材质，测量回波时间差来确定距离，所以他们适合大障碍的探测，对于小障碍和动障碍只能知道有无，不能知道位置甚至距离也不准，而且对不平整材质(植被)和非固体材质(水面)都有可能有问题。所以这些本应该用于飞行定高的传感器用于避障有问题。
  扫描类传感器就是在测距传感器上加装旋转装置，通过旋转不断探测各个方向的障碍物。常见就是激光扫描测距，有平面和三维，他的最大问题是机械部件寿命和成本高昂。
  再有就是双目视觉，这种在实验室趴了很多年的设备终于在今年走上台面，效果待检测。通过双目视频的差异计算每个点的距离，跟人眼距离感原理相同。但是只要做好图像处理，从成本和实用来讲这才是最实用的设备。现在就是处理器性能和算法的瓶颈。
  再说说避障，探测到障碍有三种处理方法，停下等指令，规划绕障和自主绕障。
  停下是最基本的处理方式，遇到大障碍必须这么做。规划绕障适用于小障碍，这种方法经济简单而且可靠性高。自主绕障则需要飞机有规避算法，在机上重新生成航线，还要面临新的问题，我看只有娱乐无人机有这个必要，因为它面对的障碍价值远远大于飞机。
  结论: 避障需要进行，但是自主避障不是必须。要看飞行环境和飞机价值来确定。

大疆mini2无人机主打轻巧便携，4K视频，4倍变焦，31分钟续航，那么大疆mini2无人机怎么使用？大疆mini2无人机有避障吗？带着这些疑问下面是小编为大家带来大疆mini2无人机的全面分析，了解它的更多性能，帮你解决更多的困扰，感兴趣的小伙伴们赶快来看看吧！

1、大疆mini2无人机怎么使用

为了保障飞机出厂时的运输安全，我们会提前使电池进入休眠状态。首次开机使用前，需要将电池放入机身或充电管家内，连接充电器给电池充电以唤醒电池。唤醒电池后，短按一次飞行器电源按键，再长按两秒即可开机。

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2、大疆mini2无人机有避障吗

大疆mini2无人机没有避障功能。

3、大疆mini2无人机买家使用感受

#新手小白，第一次试飞，操作挺简单的，目前用着还不错。

#优点：质量轻，携带方便，上升速度快，易操作，适合小白上手。 缺点：抗风能力一般，像素一般(拍远景效果不错)，耗电快，价格稍贵。

#首次玩航拍无人机，新手容易上手，操作简单，拍照效果能够接受，这价钱性价比可以了，下次入手专业一点的哈。

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