關(guān)于無(wú)人機(jī)自主避障的進(jìn)化研究

陳香敏 孟顯嬌 王賽男

摘 要：部署無(wú)人機(jī)的很多利益可以從自主任務(wù)得到。然而，對(duì)于那些任務(wù)避免障礙物的感知和避免能力是一個(gè)決定性的要求。碰撞避免可以概括性得分類為全局和局部路徑規(guī)劃算法，并且為保證成功的完成任務(wù)兩種算法均需要被很好的應(yīng)用和處理。然而全局路徑規(guī)劃明顯是為到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)而進(jìn)行的路徑規(guī)劃，局部碰撞避免算法是很快速、反應(yīng)性的并且被應(yīng)用在在線路經(jīng)規(guī)劃中，在意外的和無(wú)法預(yù)料的障礙物避碰中確保無(wú)人機(jī)的飛行安全。本文綜述了關(guān)于無(wú)人機(jī)避碰問(wèn)題的已有的和進(jìn)化的算法，更加詳盡的介紹了局部碰撞避免問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；避障；路徑規(guī)劃；進(jìn)化研究

在不久的將來(lái)關(guān)于無(wú)人機(jī)的應(yīng)用將普遍存在，自主執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)和民用任務(wù)例如：偵查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、邊境巡邏隊(duì)、搜索和救援行動(dòng)、災(zāi)難援助、交通檢測(cè)等。上述大部分應(yīng)用要求無(wú)人機(jī)低空飛行接近人工和自然結(jié)構(gòu)。

一個(gè)有固定結(jié)構(gòu)的碰撞或另一個(gè)無(wú)人機(jī)被證明是潛在致命的，甚至可能會(huì)導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此要求無(wú)人機(jī)必須擁有較好的成功感知和避免碰撞的能力，同時(shí)在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)。這就要求魯棒性好、運(yùn)算量可行的避碰算法在機(jī)載無(wú)人機(jī)中被實(shí)施。

1 帶有局部碰撞避免的全局路徑規(guī)劃算法

通常來(lái)講，當(dāng)避免與已知障礙物進(jìn)行碰撞時(shí)，一個(gè)基本的動(dòng)作規(guī)劃問(wèn)題是由包含起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的產(chǎn)生連續(xù)動(dòng)作片段組成。本文討論的算法保持對(duì)全局信息的了解，即算法首先規(guī)劃出一條與先驗(yàn)已知的障礙物避免碰撞的路經(jīng)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。如果預(yù)測(cè)到會(huì)發(fā)生碰撞，需要重新規(guī)劃路經(jīng)以便于可以避免與障礙物發(fā)生碰撞。由于路徑規(guī)劃的目標(biāo)是向著目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)，所以需要保證重新規(guī)劃的路經(jīng)在成功避免碰撞后也需要達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)。因此，這些算法被認(rèn)為是在考慮到局部避免碰撞的情況下所使用的全局路徑規(guī)劃算法。

1）圖搜索算法。在給定的環(huán)境中利用圖搜索算法尋求一條可行的路經(jīng)。其中A*算法、V圖搜索算法、隨機(jī)路經(jīng)生成法都是典型的圖搜索算法。盡管這些算法主要被用來(lái)進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，為了減少計(jì)算時(shí)間量，反應(yīng)規(guī)劃通過(guò)算法模擬已經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)。

2）快速搜索隨機(jī)樹?？焖偎阉麟S機(jī)樹是一種搜索算法，這種方法可以在高維復(fù)雜的環(huán)境中快速的找到一個(gè)可行的路徑。它是基于概率性樣本的方法。在每個(gè)步驟中都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)樣本的環(huán)境，在產(chǎn)生的隨機(jī)樹的一個(gè)增量的距離范圍在這個(gè)節(jié)點(diǎn)的方向上產(chǎn)生一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)。這種算法的一個(gè)不錯(cuò)的功能在于它可以處理車輛自主性和動(dòng)力學(xué)約束。

3）勢(shì)場(chǎng)法。勢(shì)場(chǎng)法作為一種航行方法被廣泛應(yīng)用在地面機(jī)器人和無(wú)人機(jī)問(wèn)題中。在這種方法中，將無(wú)人機(jī)的飛行環(huán)境看做一個(gè)勢(shì)場(chǎng)，通過(guò)具體問(wèn)題建立人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，它由目標(biāo)和障礙物的位置決定。勢(shì)場(chǎng)法保證無(wú)人機(jī)通過(guò)沿著避免與障礙物發(fā)生碰撞生成的路徑最終安全的到達(dá)飛行目標(biāo)。

勢(shì)函數(shù)包含一個(gè)“吸引力場(chǎng)”，它把無(wú)人機(jī)引向目標(biāo)，一個(gè)“拒斥場(chǎng)”，這確保了無(wú)人機(jī)不會(huì)撞上障礙物。結(jié)果由于勢(shì)場(chǎng)力的存在決定了無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向。這種方法是快速和有效的。它也很容易添加新的障礙函數(shù)。一個(gè)無(wú)人機(jī)編隊(duì)使用勢(shì)場(chǎng)方法以及增加一個(gè)虛擬領(lǐng)導(dǎo)者的概念，也可以完成飛行任務(wù)。

4）最優(yōu)施力向?qū)А?/p>

2 局部碰撞避免算法

局部碰撞方法應(yīng)用在當(dāng)無(wú)人機(jī)探測(cè)到障礙物情況下的避免碰撞的航跡規(guī)劃問(wèn)題中。這種方法不需要了解到無(wú)人機(jī)的全局信息，也不需要知道全部的環(huán)境，或者初始點(diǎn)以及目標(biāo)點(diǎn)。它所需要了解的信息僅僅包括數(shù)十幢跳下的即刻信息，以及有機(jī)載雷達(dá)或者機(jī)載照相機(jī)提供的附近障礙物的位置信息。通常情況下，這些信息足夠充分去計(jì)算出避免碰撞的無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性能。必須要強(qiáng)調(diào)的是，這些方法可以嵌入到任何一種全局規(guī)劃方法中，因此可以保證當(dāng)無(wú)人機(jī)避免與障礙物發(fā)生碰撞之后可以快速的回到原來(lái)的全局路徑中。

2.1 非線性模型預(yù)測(cè)控制算法

近年來(lái)，模型預(yù)測(cè)控制作為一個(gè)控制方法被廣泛應(yīng)用在對(duì)于非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中。這種方法處理實(shí)際的系統(tǒng)約束，比如輸入飽和和狀態(tài)約束和發(fā)現(xiàn)適合在復(fù)雜環(huán)境下的路徑規(guī)劃問(wèn)題。一個(gè)模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)方案成功地實(shí)現(xiàn)避免無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中發(fā)生線避碰。因?yàn)槟Ｐ皖A(yù)測(cè)控制系統(tǒng)在有限的時(shí)域范圍內(nèi)，通過(guò)在線的滾動(dòng)優(yōu)化自變量的方式，它可以預(yù)測(cè)未來(lái)環(huán)境變化。防撞是內(nèi)置的優(yōu)化問(wèn)題，它是執(zhí)行跟蹤參考軌跡和避勉無(wú)人機(jī)發(fā)生碰撞現(xiàn)象的處理模塊。系統(tǒng)預(yù)測(cè)將要發(fā)生碰撞，生成安全的軌跡，即將進(jìn)行碰撞避免計(jì)算。

2.2 勢(shì)場(chǎng)法的改進(jìn)算法

考慮到人工勢(shì)場(chǎng)法存在的缺陷，因此一些改進(jìn)方法已經(jīng)產(chǎn)生。這個(gè)方法不會(huì)遇到局部最小值問(wèn)題。此外，該算法不保留全局信息，只處理障礙出現(xiàn)時(shí)，在無(wú)人機(jī)的安全問(wèn)題。這個(gè)陀螺力法成功實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)機(jī)器人避免碰撞的問(wèn)題。還描述了深入實(shí)際分析的控制體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)在使用這個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。

2.3 基于視覺的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

一個(gè)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案用于局部避碰問(wèn)題中。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是非線性競(jìng)爭(zhēng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這些都是能夠解釋工作人的視力，可被用于各種各樣的應(yīng)用程序中，尤其是無(wú)模式識(shí)別問(wèn)題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用于人機(jī)應(yīng)用導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)在線避碰。

2.4 沖突檢測(cè)和解決

無(wú)人駕駛飛行器防撞系統(tǒng)可以視作一個(gè)沖突檢測(cè)和解決方法（CDR）問(wèn)題。沖突檢測(cè)和解決方法是廣泛應(yīng)用于空中交通管制問(wèn)題中。這些方法可以預(yù)測(cè)出兩架飛機(jī)之間發(fā)生沖突的可能性，并計(jì)算出一個(gè)機(jī)動(dòng)策略，這樣的情況下可以避免無(wú)人機(jī)間發(fā)生碰撞，避免了沖突的發(fā)生。

3 結(jié)論

無(wú)人機(jī)部署問(wèn)題的很多好處可以確保無(wú)人自主完成任務(wù)。路徑規(guī)劃與碰撞避免問(wèn)題是一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題，在確保無(wú)人機(jī)安全問(wèn)題下完成自主任務(wù)規(guī)劃?；仡櫛疚模侥壳昂?jiǎn)要概述了一些有用的和不斷發(fā)展的思想，如圖搜索，快速隨機(jī)搜索樹，勢(shì)場(chǎng)法，模型預(yù)測(cè)控制算法、視覺的基礎(chǔ)算法，梅格等。注意為了實(shí)現(xiàn)完全避免碰撞，有幾個(gè)算法必須滿足的需求。

參考文獻(xiàn)：

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