视觉辅助旋翼机群编队穿越障碍策略与实证研究

基于视觉辅助导航的小旋翼机群编队穿越障碍技术是一个高度集成且复杂的课题，它结合了多个关键技术领域。首先，旋翼机集群编队飞行控制是一项核心挑战，涉及到对多旋翼无人机之间的协同控制，确保它们能够精确执行编队飞行并保持队形一致性[1-2]。无人机集群自组织网络研究则着重于如何在无中心协调下实现高效的通信和决策，这对于信息共享和整体行动的协调至关重要[3-4]。 机载传感器数据融合是另一个关键技术，通过整合视觉传感器、激光雷达（如小型LiDAR）以及惯性导航系统的数据，提供更准确的位置信息和环境感知[5-7]。空间环境智能感知能力使得旋翼机能有效地识别并避开障碍物，例如峡谷、高楼间隙或大型物流设施的限制[8]。视觉辅助在其中扮演重要角色，如文献[9-12]中所述，通过单目或多目摄像头的实时图像处理，为旋翼机提供周围环境的实时地图和导航线索。 激光雷达的应用尤其突出，如[15-17]所述，它能进行精确的地形测量，辅助避障决策，以及与惯性导航相结合，提高定位精度。在低空飞行中，克服气压计不稳定导致的测高误差是另一个挑战，而激光雷达提供的稳定高度信息成为解决这一问题的关键。 这项研究的创新之处在于，它提出了一种飞行通道约束的概念，通过模拟街道两侧建筑的矩形门框特征，实现对障碍的有效穿越。该技术在2018年的“无人争锋”智能无人机集群系统挑战赛中得到了实践，展示了异构无人机编队的仿真验证和实机测试平台的构建[SC-1密集编队穿越竞速赛]。 研究的主要贡献包括： 1. 实现了异构无人机编队的模拟和实机测试，构建了完整的编队飞行软硬件平台，支持编队穿越任务的实施。 2. 开发了一种单目视觉辅助的相对定位方法，使得无人机能够在飞行过程中实时定位目标并与预定路径进行协调。 3. 设计了一套多传感器融合的安全飞行策略，结合激光定高数据的时域滤波器，确保无人机在复杂低空环境中安全穿越。 无人机编队穿越技术的总体框架涵盖了硬件、软件和算法三个层次，硬件平台包括了高性能的传感器和控制系统，软件则负责数据处理和决策，而算法则是关键的核心，决定了整个系统能否有效执行避障、路径规划和安全飞行策略。 总结来说，基于视觉辅助的小旋翼机群编队穿越障碍技术是一项前沿且实用的研究，它不仅提升了旋翼机的环境感知能力，还优化了编队控制和飞行安全性，为无人机在各种实际应用中如空中侦查、物流配送和战场支援等领域提供了强大支持。