120 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2018年第37卷第l期 J DOI:10.13873/J.1000-9787(2o18)01-0120-04 s、 测试与计算 c 、 0 基于激光位移传感器的障碍物检测与模式识别 李海林,吴开华,王文杰,王 朔,孙学超,陈 念 (杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院,浙江杭州310018) 摘要:基于激光位移传感器技术,为植保无人机提出了一种新的避障检测方法,包括数据块提取、障碍 物基本参数计算以及障碍物模式识别三个部分。提出了根据距离值的有效性,从数据序列中提取障碍物 所对应的数据块,以平均角度、平均距离和宽度为基本参数描述障碍物,以及基于障碍物的宽度、数据块的 最大间隙、跳变次数和方差为特征的模式识别分类器的设计。实验表明:方法能够有效检测出未知环境下 障碍物的方位和距离并对障碍物类型作出判别。 关键词:植保无人机;自动避障;障碍物检测;模式识别;激光位移传感器 中图分类号:TP212.9 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2018)O1-0120-04 Obstacle detection and pattern recognition based 0n l '■ l · laser oisolacement Sensor LI Hai—lin,WU Kai·hua,WANG Wen-jie,WANG Shuo,SUN Xue-chao,CHEN Nian (College of Life Information Science&Instrument Engineering,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China) Abstract:Based O13 laser displacement sensor technology,a new obstacle avoidance method is proposed for plant protection unmanned aerial vehicles(UAV).The method includes the following three pans:data block extraction, obstacle basic parameter calculation and obstacle pa ̄ern recognition.Based on the validity of distance value,da|a block corresponding to obstacle is extracted from data sequence.The average angle,average distance and width are used as the basic parameters to describe the obstacle.The design of pattern recognition classiifer based on the width of obstacle,maximum clearance of data block,jump times and variance.Experiments show that the proposed method can effectively detect the position and distance of the obstacle in unknown environment and make a judgment on obstacle type. Keywords:plant protection unmanned aerial vehicles;automatic obstacle avoidance;obstacle detection;pattern recognition;laser displacement sensor 0引 言 光位移传感器能够在夜间工作,可以适应植保无人机的夜 间作业。 本文针对植保无人机的应用场景,以植保无人机作业 环境下最常见障碍物中的树木和电线杆为研究对象,以满 足植保无人机对于避障检测模块的指标要求(7 000 mm内 自动避障技术作为无人机安全飞行和智能飞行的关键 技术之一,受到越来越多的关注。对威胁飞机飞行安全的 障碍物有效准确地检测与识别,是实现无人机自动避障的 前提。黄丰、黎顺泰等人于2015年提出了一种基于超声波 的无人机避障检测方法 。但超声波信号容易受风速、气 感知障碍物的存在,距离值误差不超过 ̄250 mm,角度误差 不超过±5.0。)为标准。提出了一种基于激光位移传感器 流、水雾等影响,并不适用于植保无人机室外作业环境下的 障碍物检测。此外,机器视觉技术 也是国内外常见的 障碍物检测手段之一,但自然光成像技术难以在夜晚使用, 且图像数据量比较大也给实时检测带来了较大的难度。激 光技术用于障碍物检测,目前多被应用于地面的移动机器 人平台 。激光信号不易受气流等外界因素影响,能够 的障碍物检测和模式识别方法,建立树木和电线杆两个类 别的分类器,并通过实验验证了有效性。 1检测原理 激光位移传感器发出激光脉冲,当激光脉冲碰到障碍 物后,激光位移传感器的接收器会接收到反馈的激光脉冲 满足植保无人机室外环境下对于障碍物检测的要求,且激 收稿日期:2017-01—12 信号,如图1(a)。通过发射与接收激光脉冲的时间差,可 第1期 李海林,等:基于激光位移传感器的障碍物检测与模式识别 121 以计算出障碍物的距离值。激光位移传感器连续不停的发 射激光脉冲,由旋转的光学机构将激光脉冲按一定角度间 隔(角度分辨率 ,(。))发射至激光位移传感器扫描角度 内的各个方向而形成一个二维空问中的扫描线序列,如 图1(b)。 (a)激光测距原理 (b)激光脉冲扫描线序列 图1激光位移传感器原理示意 当某条激光脉冲未碰到障碍物时,激光位移传感器的 接收器接收不到该条激光脉冲的反馈信号,该条激光脉冲 所对应的距离值取0,如图2中的a—e以及i~k。图2中 的.厂~^三条激光脉冲探测到树木,所对应的距离值不为0。 依此从数据序列中提取出与图2中的树木所对应的数据 块,经后续算法处理后可得到树木的平均角度、平均距离及 宽度。 一 , , , -// 图2激光位移传感器的检测原理示意 2数据处理 2.1数据块提取 激光位移传感器扫描一次得到一个数据序列如图3。 其中0为激光位移传感器的角度量程(亭。… ),(。);置为 距离值,mm;N为每次探测的数据总个数(X0,X ,…, ~一】)。 度 图3激光位移传感器数据序列示意 假定图3的这Ⅳ个数据中凰~ 一 全部取0, ,Xm取 非0值,Xm+l ̄ 一1全部取0,称 一 之间rn—n+1个距 离值为一个数据块,记为数据块 一x 。Ol, 为数据块的 起始角度和结束角度,即在传感器的 ~口方向存在一个障 碍物,并且有式(1)、式(2)成立 N=O/e+1 (1) 口一Ot=(rn—n)s (2) 式中n与m为数据块 一 的下标。图3中的数据块 一 对应图2中的树木。 2.2障碍物基本参数计算 以平均角度 (。)、平均距离S(mm)和宽度B(ram)作 为障碍物的基本参数。 将数据块 一 的中心所在的角度 +(卢一 )/2作 为该数据块所对应障碍物的平均角度,即有 = +( 一 )/2 (3) 将 一 之间所有非0的 求一个算术平均值,作 为这个数据块所对应的障碍物的平均距离,即有 S=Xx /0 (4) 式中lf,为数据块 一 中非0数据的个数,即有效数据 个数。 利用图4中角度、距离和宽度的三角关系,计算出数据 块所对应的障碍物的宽度 B=2Stan((m--/?,)6/2w/180) (5) B,2 / 图4障碍物角度与距离及宽度之间的关系 3模式识别 3.1特征选择 模式识别的依据是激光位移传感器探测在不同类型障 碍物上所产生数据块的不同特征,根据特征的不同,可以判 断出与该数据块所对应障碍物的类型 J。对于图3中的数 据块 一 来说,特征由 一 之间的这m—n+1个距 离值的不同取值情况所决定。 最终选择以下4个特征用于模式识别分类器的设计: 1)宽度特征B:数据块所对应障碍物的宽度,计算方法 如式(5)。 2)最大间隙特征6:如果数据块 一x 内部存在一个 或连续多个 取值为0,则称该数据块有一个数据间隙,此 时数据块离散, 为数据间隙中取值为0的X 的个数,特 征占为数据块内部所有6 中的最大值,当数据块内部所有 的置都取非0值,称数据块是连续的,此时6=占 =O,6的 计算方法如式(6) fmax(8 ),数据块连续 占= 【0,数据块离散 (6) 3)跳变次数特征 :数据块 一 内部所有相邻的非 零的置之间,发生距离值取值相差过大的次数,即数据块 内部发生(墨+1一Xi)> 的次数,计算方法式(7) o,存在(置+ 一置) (R : ={【 (7)7) 0,其他情况 式中 为跳变阈值,mm; 为非零距离值。 4)方差特征S2:数据块 一 中所有非零置的方差, l22 传感器与微系统 第37卷 汁并 ‘法 式(8) 为SI(:K TIM系列激光化移 感器,通过安装支架 -7飞机平 俞连接. 降I 5 f 感 与] fJ【采刖12 V fJ.17I ̄,J 控机、 5 =∑(Y 一 ) t1 x 为非 零 离f}t1' ( ) 供IU电池、电泺线 于控制 -一I.【-l:控饥干¨激光化移传感 器之川垠] rCP/IC 议通 激光f 移传感 疽装支架 3.2分类器建立和训练 埘树小和 状物l从j种类圳也 f1】训练分炎 .步骤 \/ 卜: 1)髓步数 =1,令增 c为常} ,iJ_C>0,分圳峨 幸JJ始增广中义向 (L)符分 较小的f 意 2)输入iJ Jlb)i J- x ,汁算判5jlJ 数w ( ) 3) 爿 增J 仪I,『J hl;, J果w。( )x <0。!J!IJ w(^+1) ( )+C ;血玎 w。( ) >0,91lJ (^’+1)一 (k) 4)Ⅱl1宋 <M.令 一 +1,返…步骤(2); =M,JllIj榆 划 ll函数142 rx 刈iJ[I ̄4,i rE: X、、 ,…,X、 … 有 的 鄙成立. : ,!J!lJ结束ilil约:: :/f 址.令 =l,返_l『l步 骤(2) 通过刈训练 200 数据的iJll练得到权If, }W ;1/ 300.1/6.1/3,12,一3.75:,贝Ij“ 』j x、fj、 的 Il r 数成 (、)一1/300B+1/66+1/3 +125 -3.75 (9)II 匕JJ『见,树水f¨朴状物体这l从j个炎别是线 ,,f9(19 刈j 仃患一绀术I'I树小或 电线朴的探测数 ,将i发 数 的 项特 仇代入削圳函数 ( )·Il’ (r)>0,!}!l认为这 数 米 i:树小.若g(、)<0,b/,J认为i袭 数 来 f I J:咀线朴 ( )刈。j:洲试集( O 来自树小,400组米 … 线 )的使』 "II,I i I'fi%. ̄H 1 统}t 结果总 800组 教 ,准确识别794--'1l,准确率99.25% 丧2 表1 测试集模式识别记录表 教掰 宽度 /jIt,kl 隙跳变次数 ,J茂削刖 戡 } 划定 来源 树小 f{{小 忖术 ㈣” 倒小 37l 3 1 I)_1 0 1<【 】IU线朴 lO0 {=叶小 l347 ll 1l 0 1 15 6>(1 坩小 lOl fU f} 3ll 0 】0() I 4<(1 『b线” g02 IU f】 24 1) 1 【1 0(】 l_(j<(1 IU 朴 2 0 l 0 l>0 树小 799 l 线仆I 266 0 0 0 0 —2 4<c1 lU纯ff 4实验验证 4.1 实验;隹备 进障土控授从果JI】研扬PI(:t)一(:V01_J:控 L f 感{£ .—— ——., , , : ——. —,.— . —,E __1 —— i ;;; - _ 0 H — 一 控制盒 …一一“…一一一…一一一一 : 图5植保无人机结构设计示意  ̄lR'-7>llj 场地,『』lII ̄l. 6 fJ【高度 定 25(X)mtn 图6实验场景 4.2 实验过程 6 {,分圳 离十对小3 000,5 000,7000.9500Il1m处 以埂60。,90。 120。…的角发,刈‘树木进仃力 似、 离检洲 f¨恢式 I别将探测值 没定仇逐一埘比,Ji 探测值 j 定 之 跌 .1i ̄i]it,1 汁 {_王 数 九勺 坝数 特征 以/支州删 数 (、。)Ja_ff,实验敏 表3 表3实验数据 丧3为 进 50次 划600组障碍物数 , (, ) 埘_卜l这600-+-'1t 4 ̄4小数据的模 准确iK.7 ̄il 587-ift,准确半达 97.83%一 4.3 实验分析 树木 规则的外形.几法咖 给出确}』J的、 均角度 j 群{ 第l期 李海林,等:基于激光位移传感器的障碍物检测与模式识别 123 和平均距离值。实验前以树干为基准,将树干与机载传感 器之间的距离作为表3中的设定距离,树干与机载传感器 之间的夹角作为表3中的设定角度。从表3中可以看出距 测出障碍物所在距离和方位,距离和角度的检测误差满足 植保无人机避障对于避障检测的要求,并且在验证实验中 对于树木模式识别的准确率达到了97%。本文方法为植 离值误差,随着树木与激光位移传感器之间设定距离值的 增大而增大。这是因为传感器的角度分辨s是固定的,当 保无人机后续更高效、更精准避障功能的实现提供了基础。 参考文献: [1]黄丰,黎顺泰,翁南华.微轻型元人机的避障飞行技术研 究[J].中国电业:技术版,2015(11):229--233. [2] 王宇,刘泓滨,李华文.机器视觉的灾后救援机器人越障系 树木与传感器之间的距离不断增大时,得到的数据规模 (即数据块的数据总个数m—n十1)会逐渐减小,有效数据 个数 随之减小,当 较小时,通常会造成S与设定距离 值之间误差的增大。但总体上当传感器与树木之间的距离 统设计[J].传感器与微系统,2016,35(4):79-81. [3] 张博翰,蔡志浩,王英勋.电动VTOL飞行器双目立体视觉导 航方法[J].北京航空航天大学学报,2011,37(7):882--887. 小于等于7000 mm时,误差稳定在_+200 mm范围内,满足 本文距离值误差不超过-+250 mm的要求。 树木有一定的体积,为了方便处理采用平均角度来表 示其方位。根据式(3)计算得到的障碍物的平均角度 是 障碍物所在真实方位的一个近似描述, 与设定角度之间 的误差在±4.0。范围内,满足本文角度误差±5.0。的要求。 外形不规则的树木(见图6)作为探测对象,从相同距离的 不同角度看,树木的宽度不同。导致了当激光位移传感器 从某一方位探测该树木时,会得到一个数据规模相对较小 的数据块。当数据量较少时,树木宽度与电线杆的宽度比 较接近,树木的其他特征(6,R,S2)也不明显,此时会有一 定的几率将树木误判为电线杆。实验中树木的枝叶较少, 出现了将其误判为电线杆的情况,但这样的树木外形上与 [4]Huh K,Park J,Hwang J,et a1.A stereo vision-based obstacle detection system in vehicles[J].Optics and Lasers in Engineer- ing,2008,46(2):168--178. [5]Toulminet G,Bert0zzi M,Mousset s,et a1.Vehicle detection by means of stereo vision..based obstacles features extraction and mo.. nocular pattern analysis[J].IEEE Transactions on Image Processing,2006,15(8):2364--2375. 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