无人机避障技术及避障策略

避障技术是现代无人机系统发展的重要组成部分，其核心目标是提升无人机的自主飞行能力，确保其在复杂环境中的安全性。

随着无人机技术的快速发展，其在航拍、农业、物流、救援等领域的应用日益广泛。然而，无人机在飞行过程中可能遇到各种障碍物，如树木、建筑物、电线等，这些障碍物可能导致无人机坠毁或任务失败。因此，研究无人机避障技术具有重要的现实意义和应用价值。

无人机避障技术主要依赖于传感器、算法和控制系统。传感器用于获取周围环境的信息，包括视觉传感器、红外传感器、雷达传感器等。算法则根据传感器数据进行分析和处理，识别出障碍物并计算出安全的飞行路径。控制系统则根据算法输出的指令调整无人机的飞行姿态和速度，实现避障功能。

无人机避障技术的应用前景广阔。在航拍领域，避障技术可以确保无人机在拍摄过程中避免与建筑物、树木等障碍物发生碰撞，提高拍摄质量和安全性。在农业领域，无人机可以通过避障技术实现精准施肥、喷药等作业，提高农业生产效率。在物流领域，避障技术可以帮助无人机在复杂的城市环境中实现自主飞行和货物投递。此外，避障技术还可以应用于救援、侦查、环境监测等多个领域。

无人机的避障技术中最为常见的是红外线传感器、超声波传感器、激光传感器以及视觉传感器。

激光避障：激光的测量距离可以达到几十米甚至上百米，角度分辨率高，通常可以达到零点几度，测距的精度也高。

优点：距离远，精度高；缺点：成本高昂，需要漫反射物体才能检测。

海水对于短波辐射的反射率（反照率）一般仅为5%，也就是说，海水可以吸收太阳热辐射能量的95%，而白色冰雪的反射率却高达30%-80%，二者相差6~16倍。

不透明介质如镜面的反射率为100%，非镜面则与颜色、温度、光的属性等诸方面因素有关。透明介质的反射率的大小与光的入射角有关,入射角越大,反射率越大，例如,光从光密介质进入光疏介质时,当入射角达到临界角时,发生全反现象，小于临界角时,则是部分反射。

红外避障：电视、空调遥控器、酒店的自动门，都是利用的红外线的感应原理。红外线避障的常见实现方式就是三角测量原理，红外线避障对障碍物的要求跟超声波恰恰相反，它需要漫反射表面，而对于透明的或者近似黑体的物体，红外传感器是无法检测距离的。

优点：技术成熟，成本较低；缺点：对抗环境光干扰能力较差，需要漫反射物体才能检测，距离较短。

超声波避障：由于超声传感器的成本低、实现方法简单、技术成熟，是无人机常用的传感器。但不同材料对声波的反射或者吸引是不相同的，在部分场景下容易受到其他声波干扰，并且超声波的测量周期较长，比如3米左右的物体，声波传输这么远的距离需要约20m/s的时间。

优点：技术成熟，成本低，调试简单；缺点：易受其他声波干扰，距离短。

视觉避障：视觉识别系统通常来说可以包括一个或两个摄像头。单一的照片只具有二维信息，犹如2D电影，并无直接的空间感，所以单一的摄像头获取到的信息及其有限，并不能直接得到我们想要的效果。

优点：距离优 秀，精度高，成本较低；缺点：运算复杂，需要光线充足环境。

发射到接收的时间差，就能轻松计算出测量距离

超声波传感器测距的优缺点

利用超声波测距传感器测距具有如下优点：

（1）环境适应能力强。与视觉传感器相比较，超声波传感器能够在亮度低、有灰尘，煤烟等不理想的环境下，保持良好的测距性能，确保及时无误地采集到距离信息，然后将数据发送到信息处理设备。

（2）对色彩、光照度不敏感。超声波测距传感器可识别玻璃，抛光体等能透过光线和表面粗糙的物体。

（3）与视觉传感器相比超声波传感器可以得到距离信息。视觉传感器只能检测到物体的存在，而不能检测到目标和障碍物之间的距离，超声波传感器在检测到有物体的同时也可以得到与物体的距离信息。

（4）探测速度快。虽然在空气中光速比声速快，但视觉传感器较超声波传感器而言并没有速度上的优势。由于视觉传感器采集到的图片信息还需要经过图像识别过程，这个过程需要比较长的时间。

（5）和视觉传感器、激光测距仪相比，超声波传感器还具有构造简易、占空间小、价格便宜，数据处理简单可靠，不容易损坏等优点。

所以超声波测距传感器，易于小型化和集成化，这更适合智能微型化的要求。

当然，利用超声波测距传感器测距也不能避免以下缺点：

（1）抗干扰性差：超声波能量较强，因此多个超声波传感器一起使用会相互干扰。即使只使用一个超声波传感器，仍存在受声波的反复反射而造成干扰误差。

（2）由于超声波的波束角比较大，对物体位置的检测不够准确。

（3）单个超声波传感器的稳定性不理想，近距离测距有盲区。

（4）超声波测距只能检测障碍物的距离数据，无法得到障碍物的尺寸和形状等信息。

一般来说，超声波的有效距离是5m，对反射物体的材质也有限制。

如果物体表面反射超声波的能力不足，避障系统的有效距离也会降低。

体的距离D不同，反射角度也会不同，不同的反射角度会产生不同的偏移值L

红外测距传感器测距的优缺点

利用红外测距传感器测量距离具有的优点如下：

（1）抗干扰能力强。同时同方向使用多个红外传感器时不会相互干扰。

（2）测量精度高。红外测距传感器与超声波测距传感器相比，具有测量精度的优势。

（3）测距速度快。由于光速比声音在空气中传播的速度快，所以利用红外光线的反射原理制成的红外测距传感器比利用声波反射原理制成的超声波测距传感器测距，反应时间短。

（4）适用于长距离测距。由于红外线在空气中传播具有不扩散的性质，并且它在穿透物体时对折射率的影响不大，所以红外测距经常被用在距离较大的测量任务中。

（5）具有更强的发射和接收能力。因为自然界中只要温度高于绝 对零度的物体都会反射红外线，所以利用红外反射原理制成的测距传感器发射和接收能力优越。

红外测距传感器测距的主要缺点是强光直射的环境会对测量精度造成影响。

红外和超声波技术，因为都需要主动发射光线、声波，所以对于反射的物体有要求，比如：红外线会被黑色物体吸收，会穿透透明物体，还会被其他红外线干扰；而超声波会被海绵等物体吸收，也容易被桨叶气流干扰。

红外线避障的常见实现方式就是三角测量原理，红外线避障对障碍物的要求跟超声波恰恰相反，它需要漫反射表面，而对于透明的或者近似黑体的物体，红外传感器是无法检测距离的。

红外和超声波目前都是单点测距，只能获得特定方向上的距离数据

双目视觉可以在小体积、低功耗的前提下，获得眼前场景的比较高分辨率的深度图，这就让避障功能有了更多的发展空间，比如避障之后的智能飞行、路径规划等。

视觉方案因为采集图像并分析需要更长时间所以延迟较高，且较为依赖摄像头的光线采集能力，对算法要求也较高，所以现有无人机对于电线、树枝等障碍物较小的场景容易失效。在反光面、低能见度 、高亮直射、纯色表面等各种场景也会有一定障碍，很容易失效。

无人机避障技术的发展以及其未来的研究态势，无人机避障技术可分为三个阶段，一是感知障碍物阶段；二是绕过障碍物阶段；三是场景建模 和路径搜索阶段。这三个阶段其实是无人机避障技术的作用过程。从无人机发现障碍物，到可以自动绕开障碍物，再达到自我规划路径的过程。

第 一阶段，无人机只能是简单地感知障碍物。当无人机遇到障碍物时，能快速地识别，并且悬停下来，等待无人机驾驶者的下一步指令！ 

第二阶段，无人机能够获取障碍物的深度图象，并由此精 确感知障碍物的具体轮廓，然后自主绕开障碍物！这个阶段是摆脱飞手操作，实现无人机自主驾驶的阶段！ 

第三阶段，无人机能够对飞行区域建立地图模型然后规划合理线路！这个地图不能仅仅是机械平面模型，而应该是一个能够实时更新的三维立体地图！这将是目前无人机避障技术的最 高阶段！

避障系统已经成为无人机安全飞行的关键组成部分。避障系统可以在无人机飞行过程中避开障碍物，从而防止碰撞，提高飞行安全性。

有避障系统的无人机在飞行过程中可以实时检测并避开障碍物。这使得无人机能够在复杂的环境中飞行，如城市、森林等，这些地方可能有大量的建筑物、树木等障碍物。此外，有避障系统的无人机在低空飞行时也可以更好地避免与鸟类或其他飞行器的碰撞。

无人机避障技术概述

无人机避障技术是指无人机通过感知周围环境，实现自主避开障碍物的一系列技术。这些技术通过不同的传感器（如摄像头、雷达、激光雷达等）来收集环境信息，并经过算法处理，指导无人机做出避障决策。无人机避障技术不仅能够提高飞行的安全性和稳定性，还能扩展无人机的应用范围和提升其作业效率。

无人机避障雷达技术类型

1. 视觉避障技术

视觉避障技术通过摄像头对周围环境进行感知和分析，实现自主避开障碍物。摄像头捕捉到的图像数据经过图像处理和算法分析，可以识别出障碍物，并计算出无人机与障碍物之间的距离和方位，从而指导无人机进行避障。然而，视觉避障技术在光线不足或复杂环境中可能受到限制。

2. 雷达避障技术

雷达避障技术是通过发送高频电磁波并接收反射信号的方式，实现对周围障碍物的检测和距离计算。毫米波雷达作为其中的一种，因其高精度和抗干扰能力强，被广泛应用于无人机避障系统中。毫米波雷达通过扫描地面反射回来的微波信号，生成高精度的地形模型，帮助无人机在飞行过程中进行障碍物检测和避障。

3. 激光雷达避障技术

激光雷达避障技术则是通过发送激光束并接收反射信号的方式，实现对周围障碍物的高精度检测和距离计算。激光雷达具有高精度的距离测量能力和三维环境感知能力，能够为无人机提供详细的周围环境信息，确保无人机在复杂环境中的安全飞行。激光雷达的测距精度和分辨率远超传统雷达，因此在无人机避障系统中发挥着重要作用。

无人机避障雷达技术的优势

1. 高效性

无人机避障雷达技术能够快速感知周围环境，实时获取障碍物信息，并快速做出避障决策。这使得无人机在复杂环境中能够迅速适应和调整，提高飞行效率和安全性。

2. 精度高

激光雷达和毫米波雷达都具有高精度的测距和定位能力，能够实现对周围障碍物的精 确检测和距离计算。这避免了传统机械式传感器易受干扰的问题，提高了系统的稳定性和可靠性。

3. 智能化

无人机避障雷达技术可以通过人工智能算法实现自主学习和优化，提高系统的智能化程度和适应性。这些算法能够根据不同的环境和任务需求进行自适应设置，确保无人机在各种复杂场景中的安全飞行。

4. 多功能性

无人机避障雷达技术可以与其他传感器和控制系统相结合，实现多种功能。例如，无人机可以在避障的同时进行拍照、测绘、搜救等任务，提高了系统的综合性能和应用范围。

无人机避障雷达技术在各领域的应用

1. 农业植保

在农业生产中，无人机避障雷达技术能够帮助无人机在复杂的农田环境中准确避开障碍物，如电线杆、树木、独立墙等，确保农药喷洒的均匀准确和高效性。同时，毫米波雷达还能生成高精度的地形模型，用于制作农田图像和规划农田路线，提高农业生产效率和精度。

2. 建筑巡检

在建筑巡检领域，无人机搭载激光雷达或毫米波雷达，可以实现对建筑物表面和周边环境的精 确扫描和检测。通过收集到的数据，可以构建出建筑物的三维模型，帮助巡检人员发现潜在的安全隐患和损坏情况，提高巡检效率和准确性。

3. 应急救援

在应急救援中，无人机避障雷达技术能够帮助无人机在复杂多变的环境中快速找到目标区域，并避开障碍物，确保救援物资和人员的安全送达。同时，无人机还可以搭载摄像头等设备，实时传输现场情况，为救援工作提供有力支持。

4. 物流运输

在物流运输领域，无人机避障雷达技术能够提高无人机的自主飞行能力，减少人为操作的风险和成本。通过精 确感知周围环境，无人机能够在复杂的交通环境中安全飞行，实现快速准确的货物配送。

无人机避障雷达技术作为保障无人机安全飞行的关键技术之一，具有高效性、精度高、智能化和多功能性等优势。在未来的发展中，随着技术的不断进步和应用的不断拓展，无人机避障雷达技术将在更多领域发挥重要作用，为人们的生活带来更多便利和美好。

无人机的避障功能在以下场景中具有广泛的应用：

1. 军事领域：在战争中，无人机需要穿越敌方阵地、山区等复杂环境，避障功能可以有效防止无人机与障碍物碰撞，提高安全性。
2. 民用领域：在灾区救援、消防灭火等领域，无人机需要穿越建筑物、森林等复杂环境进行侦查或救援工作，避障功能可以提高无人机的安全性和工作效率。
3. 航空摄影领域：在航空摄影中，无人机需要拍摄城市、景区等大型场景，避障功能可以有效避免无人机与建筑物等障碍物的碰撞，提高拍摄质量。
4. 农业领域：在农业领域中，无人机需要喷洒农药、播种等作业，避障功能可以有效避免无人机与树木、电线等障碍物的碰撞，提高作业效率和质量。
5. 物流领域：在物流领域中，无人机需要配送货物、快递等物品，避障功能可以有效避免无人机与建筑物、道路等障碍物的碰撞，提高配送效率和安全性。

完善的自主避障系统能够在很大程度上减少因操作失误造成的无人机损坏、伤及人身、建筑物事故发生率。

无人机避障技术可分为三个阶段：感知障碍物并停止阶段、获取障碍物深度图像自主绕开阶段、建立区域地图合理规划路径阶段。这几种避障方式技术原理不同，因此适用的场景也不同。

感知障碍物并停止阶段：当无人机遇到障碍物的时候，能够快速的识别障碍物并且悬停下来，等待飞手的指令。

获取障碍物深度图像自主绕开阶段：无人机能够获取障碍物的深度图像，并由此精 确感知障碍物的具体轮廓是什么，然后再自主绕开。

建立区域地图合理规划路径阶段：无人机能够对飞行的区域建立地图然后合理规划线路。这个地图不是机械平面模型，而是一个能够实时更新的三维立体地图。这是目前无人机避障技术的最 高阶段。