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无人机避障毫米波雷达传感器动态三维感知理解与可视化构建

无人机避障毫米波雷达传感器动态三维感知理解与可视化构建

无人机避障毫米波雷达传感器动态三维感知理解与可视化构建

无人机避障毫米波雷达传感器动态三维感知理解与可视化构建

无人机避障毫米波雷达传感器动态三维感知理解与可视化构建

无人机避障毫米波雷达传感器动态三维感知理解与可视化构建,针对无人机在退化视觉环境下能见度受限、感知退化的问题,分别提出了仿真模式与应用模式下的场景感知、理解与可视化解决方案,然后通过对多源异构传感器融合技术的研究实现了场景的动态感知,通过对障碍物凸显与目标检测技术的研究实现了场景的理解,通过对三维渲染引擎技术的结合实现了可视化过程,辅以多种关键性技术达到了全天候、全天时、全地形条件下飞行任务的无障碍执行。本文主要完成的工作如下:1.使用三维视景仿真建模技术搭建了研究所需的实验环境。先根据无人机飞行过程中可能面临的复杂场景进行了研究,建立了多套具有复杂环境特征的地形数据和地物数据。然后对全地形条件设计了雨、雪、雾、沙尘、扬尘、积雪、昼夜特征的退化视觉环境,并使用着色器渲染技术模拟了前视红外、激光雷达和毫米波雷达的成像特征,实现多传感器对退化视觉场景的感知能力。使用虚拟仪表建模软件完成了虚拟飞行仪表和半参数化控制面板的创建,实现飞行参数的可视化显示与环境的功能性控制。2.完成对机载可见光传感器成像目标检测技术的研究。根据无人机对地拍摄目标成像尺寸小的特征,研究了小目标检测的关键问题,并专注于军事领域目标样本数量少的特征,使用三维渲染引擎技术,设计了用于样本生成的样本生成器。然后使用多种数据增强技术对原始样本进行增强,以增强网络模型的泛化能力。使用多种技术手段,合理控制并优化训练进程,实现模型的高效训练。3.完成仿真模式下三维感知、理解与可视化的研究。先利用不同传感器感知特性的差异,设计了多传感器的融合实验,以完成对复杂退化视觉环境的感知。然后研究了地形提示与告警技术,通过对地形不同程度的着色处理,凸显危险地形;研究了以框选凸显、着色凸显、距离标示为代表的障碍物凸显技术,实现了对三维场景的理解效果。二维电子地图、路径预规划、安全飞行通道、着陆地标、自动巡航等辅助驾驶技术,通过信息技术的高度集成,实现无人机的半自主飞行,减轻了无人机操作人员的工作负荷。4.完成应用模式下三维感知、理解与可视化的研究。先根据应用模式下传感器信源的特征,设计了基于逆向坐标推理的图像融合,实现了环境的融合感知。然后通过集成的神经网络检测框架完成对可见光图像的检测、凸显、标注,实现场景的初步理解,接着根据几何推理实现场景的多重语义理解,设计实现了场景理解的三维可视化。


随着航空工业的蓬勃发展,航空技术日新月异,带动了以无人机为代表的新领域无人机以其低成本、高效率、易操作的特点迅速出现在了各行各业中以军用领域的应用更为广泛。由于军事上对作战任务全天候、全天时导致无人机在气象条件复杂、能见度低的环境下安全事故频发,保证飞行安全已成为航空业的热门问题。能见度低造成的飞行事故在过去的数年内俱增NationalAeronauticsandSpaceAdministration)的一项有超过三成的商飞事故发生在视线受限条件下,因为在视线受限时导致空间方向感迷失,以至于不能及时察觉并规避风险,由于飞行高度较低,以至于旋翼转动产生的巨大反作用力作用到了未固化的地面上,激起了大量的扬尘,严重阻碍了飞行视野造成能见度受限的因素被称为退化视觉因子,由退化视觉因子干扰而出现的低能见度环境被称之为退化视觉环境(DVE,DegradedVisualEnvironment)其中雨、雪、雾、沙尘、昼夜为气象条件改变时产生的不可扬尘为旋翼飞行器在近地飞行时,由螺旋桨在地面上产生的巨带动了以无人机为代表的新领域易操作的特点迅速出现在了各行各业,其全天时、全地形的要,因此如何着力降能见度低造成的飞行事故在过去的数年内俱增。视线受限时,失去外以至于不能及时察觉并规避风险,从而容有超七成的直无人机事故以至于旋翼转动产生的巨严重阻碍了飞行视野,导致事故发生。

 

退化视觉环境下,能见度降低,环境感知能力下降,飞行安全问题得不到保障,因此本文提出了DVE下无人机动态三维感知、理解与可视化构建方案,利用三维视景仿真技术,将退化视觉环境下的无人机感知、理解方案以可视化的形式展现出来。研究意义主要体现在以下几个方面:(1)提高飞行的安全系数本文通过对合成视景技术与增强视景技术进行优势互补,实现了对无人机操作员全天候、全天时、全地形的全场景环境感知能力,继而为危险地形、障碍物的及时规避提供了足够的时间,从而提高飞行过程中的安全系数。(2)减轻无人机操作员的工作负荷本文通过引入目标检测技术,实现了场景信息的主动检测、标示、凸显,加快了场景的理解效果,避免了无人机操作员用于场景识别的额外负担,使得操作员可以将更多的精力放到决策层上,确保了任务执行的高效性。(3)降低实验成本本文利用三维视景仿真技术对退化视觉环境下的无人机飞行任务进行模拟,实现了低成本情况下的前视红外传感器、激光雷达传感器、毫米波雷达传感器的信源获取,同时实现了低成本情况下实验数据的获取。


场景数据与毫米波雷达的融合毫米波雷达传感器具有极强的穿透能力具有全天候、全气候工作的特点的特性,增强空间态势感知能力由于毫米波雷达使用高频电磁波分辨能力制约了它的使用范围用在恶略天气条件下,在天气场景数据与毫米波雷达的融合效果。


无人机避障毫米波雷达传感器具有极强的穿透能力,可穿透大雨、大雪、强沙尘等恶劣天气全气候工作的特点,但其空间分辨能力较低,因此可结合先验场景数据增强空间态势感知能力。由于毫米波雷达使用高频电磁波,所以其拥有极强的穿透能力分辨能力制约了它的使用范围。在本研究中,场景数据与毫米波雷达在天气良好时,可改用其他融合方案。根据无人机在退化视觉环境下感知受限、空间方向迷失、飞行安全受到威胁等问题,使用三维视景仿真技术设计了DVE下无人机动态三维感知、理解与可视化构建实验,通过一系列的解决方案,为无人机操作员提供了一个具有多传感器融合感知、威胁地形告警、威胁障碍物凸显、且具有辅助驾驶能力的软件系统。无人机操作员通过该系统实现了全天候、全天时、全地形环境的全方位感知,增强了飞行的安全性与环境适应性,同时辅助驾驶子系统、威胁地形告警子系统与障碍物凸显子系统的使用,极大地减轻了无人机操作员的工作负荷,从而可以将更多地精力放到决策层面上。

 

将DVE下无人机避障毫米波雷达传感器动态三维感知、理解与可视化分为两个方面进行阐述:仿真模式和应用模式。在仿真模式下,以全仿真的方式阐述了解决方案,意在展示各子系统的功能与效果,通过多源异构传感器融合感知模块展示了各融合方案所解决的退化视觉问题及相应的效果图;通过地形提示与告警模块展示了多种威胁地形告警方式,以解决飞行器撞地风险;通过障碍物凸显模块展示了障碍物的标示与凸显方式,用于解决低空飞行时可能的撞机风险;通过辅助驾驶模块展示了飞行任务的制定、规划与执行方式,显式地呈现了一套飞行任务的自动化解决方案。在应用模式下,以半仿真的方式阐述了仿真模式解决方案在应用到实践中时需要解决的关键问题,包括多传感器融合配准技术、目标检测技术、障碍物的标示凸显技术、场景理解的可视化技术。

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