基于最优虚拟管道的毫米波雷达四旋翼户外自主导航系统研究

《Journal of Systems Engineering and Electronics》：Outdoor Navigation of Millimeter-Wave Radar Quadrotors Based on Optimal Virtual Tube

本文针对户外城市环境中无人机导航面临的感知稀疏、计算资源有限及轨迹安全性等挑战，提出了一种基于毫米波雷达与最优虚拟管道的四旋翼导航系统。研究团队通过多雷达数据融合构建实时栅格地图，结合跳点搜索（JPS）与最小能量轨迹优化生成边界路径，并利用虚拟管插值技术实现道路中心线轨迹规划。实验表明，该系统在500米范围内轨迹生成耗时3-8毫秒，跟踪误差小于5厘米，有效解决了稀疏点云环境下的安全导航问题，为城市无人机应用提供了新思路。

　　

在城市空中交通快速发展的背景下，小型四旋翼无人机因其低成本、高机动性在物流巡检等领域展现巨大潜力。然而户外城市环境存在混合尺寸障碍物、高速飞行需求等特殊挑战：毫米波雷达点云稀疏难以识别电线杆等细长障碍物；机载计算资源有限导致百米级场景实时建图困难；传统软约束规划易使轨迹贴障飞行，既不符合道路中心飞行需求，又易在门窗等非凸结构中陷入局部最优。现有方法如安全飞行走廊（SFC）存在计算资源浪费，而基于欧几里得符号距离场（ESDF）的梯度法在大型场景中实时性难以保证。

针对上述问题，北京理工大学研究团队在《Journal of Systems Engineering and Electronics》发表研究，提出一套完整户外导航系统。该系统创新性地融合多毫米波雷达感知、最优虚拟管规划与动力学控制三大模块，通过空间-时间双重数据融合构建40-80米范围的实时栅格地图，利用虚拟管将避障问题转化为管道优化问题，显著提升计算效率与安全性。实验表明，该系统在校园复杂环境中实现500米范围导航，轨迹最大速度达3.41米/秒，跟踪误差控制在5.28厘米以内，且无需人工调整安全参数即可生成符合道路中心飞行习惯的优化轨迹。

关键技术方法包括：1) 基于奇异值分解（SVD）的点云配准算法，通过三雷达空间布置（前向39°/-39°重叠布局）增强感知盲区补偿；2) 跳点搜索（JPS）与最小能量优化结合的虚拟管边界生成技术，将轨迹优化转化为二次规划（QP）问题求解；3) 基于权重插值（θ=0.5）的管道中心轨迹生成方法，结合滚动规划（RHP）框架实现大规模环境导航；4) 差分平坦性（DFBC）与四元数混合控制律，通过双闭环结构实现高精度轨迹跟踪。

系统硬件架构

研发的四旋翼平台直径0.4米，重1.3千克，推重比1.78，搭载Intel i7-1165G7处理器与三组Nanoradar MR72毫米波雷达（探测范围0.2-80米）。通过GPS/IMU组合导航，雷达采用39°、-39°、180°三方向布局，使机体前向180°无感知盲区，后向雷达辅助点云配准。

感知与建图模块

提出针对毫米波雷达稀疏特性的均匀滤波算法：通过计算点云邻域加权平均距离与无人机中心距离的比值阈值，保留有效障碍物信息。时空融合方面，构建点云质心最小二乘问题，采用SVD分解求解局部地图到全局地图的旋转矩阵R=UV^T和平移向量t=μ_q-Rμ_p，实现历史观测数据融合建图。

轨迹规划方法

规划流程分为三步：边界路径查找采用JPS算法跳过冗余网格扩展；边界轨迹优化以最小化轨迹k阶导数能量为目标，构建包含终端约束与段间平滑约束的QP问题；通过σ(θ,t)=θσ₀(t)+(1-θ)σ₁(t)插值生成管道中心轨迹。滚动规划（RHP）框架结合碰撞触发与定时触发机制，确保在3-8毫秒内完成轨迹重规划。

轨迹跟踪控制

控制器采用差分平坦性（DFBC）位置环与四元数姿态环混合结构。位置环通过双闭环反馈计算期望加速度a_des，推导机体Z轴方向z_B=(a_des-g)/‖a_des-g‖；姿态环引入符号函数sgn(q_e,0)避免四元数双值性，确保刚体以最小旋转角稳定跟踪期望姿态。

实验结果

在包含建筑物、树木、路灯的公园场景中，八组典型方向导航实验显示：系统在500米范围内平均最大速度3.41米/秒，位置跟踪误差5.28厘米，且所有实验均未发生碰撞。图9展示无人机绕障飞行轨迹，图10对应跟踪误差始终保持在厘米级。与传统软约束方法相比，虚拟管规划生成的轨迹自然贴合道路中心线，避免频繁调整安全参数。

研究结论表明，该系统通过毫米波雷达多源感知、虚拟管规划与动力学控制的深度融合，有效解决户外场景稀疏点云下的实时导航难题。其主要意义在于：1) 提出针对毫米波雷达特性的滤波与配准方法，提升稀疏点云利用率；2) 将避障问题转化为虚拟管优化，降低计算复杂度；3) 插值机制自动生成符合人类驾驶习惯的道路中心轨迹。尽管存在毫米波雷达感知波动、管道终端提取粗糙等局限，但为城市无人机导航提供了轻量化、高效率的技术范式，对未来低空交通管理具有重要参考价值。