破解边坡巡检难题！香港大学提出基于激光雷达的四旋翼飞行器！

山体滑坡作为一种常见的自然灾害，对居民安全与基础设施构成持续威胁。为降低滑坡风险，工程实践中常采用加固斜坡、设置柔性防泥石流屏障等手段。这些屏障通常位于陡峭边坡或植被茂密区域，需定期检查其结构完整性及堆积物状态。然而，受限于地形复杂、通道难以建设、人工巡检效率低下及安全隐患等问题，传统巡检方式面临严峻挑战。

近年来，配备激光雷达与摄像头的无人机（UAV）技术为边坡巡检提供了新思路。它们能够穿越复杂地形、采集高精度数据、降低人力成本，并减少因非法入侵带来的风险。然而，现有无人机系统多针对开放环境或简单结构设计，在狭窄、植被茂密的环境中仍存在定位不稳、地图构建不精确、动态障碍物规避能力不足等问题。

▍港大团队发力：新技术方案，破解难题

面对无人机在茂密植被下边坡巡检的诸多挑战，来自香港大学研究团队的研究人员开展了深入研究，成功开发出一款基于激光雷达的四旋翼飞行器，并为其配备了完善的软件系统，为解决这一行业难题提供了有效途径。

该四旋翼飞行器的关键优势在于其卓越的避障能力，能够有效避开坡地环境中的各种障碍物，包括细树枝、钢丝绳以及障碍物上的细网。经过测试，该飞行器能够探测到3.53米范围内由4毫米和10毫米金属丝组成的细网，以及7.10米范围内16毫米钢丝绳。这一出色的探测能力，为“人在环”作业模式的实现奠定了坚实基础。

在植被茂密的坡地巡检场景中，事先获取详细地图往往存在困难，而“人在环”作业模式恰好能应对这一问题。该模式可使飞行器根据实时情况做出决策，在飞手的引导下飞向特定目标，同时在飞行过程中自主避开障碍物。这种模式具备高度的灵活性和适应性，非常适合未知和非结构化环境中的巡检任务，尤其在滑坡后坡地巡检等需要即兴确定巡检目标的场景中，能够发挥重要作用。

为了验证该系统解决方案用于边坡检测的可行性，研究团队与香港土木工程拓展署展开合作，进行了实地试验测试。测试结果显示，这款四旋翼飞行器能够成功规避小型障碍物，并在茂密植被中灵活机动，充分证明了其在边坡检查中的实际潜力。此外，该四旋翼飞行器不仅为茂密植被下的边坡检查提供了高效可靠的解决方案，其在杂乱环境中出色的避障能力和灵活的“人在环”检查模式，还为其在农业、基础设施建设、工业检查、搜索救援行动等更广泛领域的应用开辟了广阔前景。

目前，该研究成果的相关论文已以“Slope inspection under dense vegetation using LiDAR-based quadrotors”为题发表在《nature communications》杂志上。

▍四旋翼飞行器：软硬件协同，性能卓越

据悉，研究团队所提出的面向边坡检查的四旋翼飞行器，凭借激光雷达与智能算法的深度协同，在复杂环境中实现了卓越的自主飞行与避障性能，尤其适用于GPS信号缺失的茂密植被区域。它不仅仅是一台飞行设备，更是一套完整的解决方案，从硬件选型到软件框架，都体现了面向实用场景的设计思路。

硬件方面，四旋翼飞行器的核心传感器是Livox Mid-360激光雷达，重量仅265克，却可提供360度水平视野和59度垂直视野，以非重复扫描模式逐步构建细腻的环境点云。强大的机载计算单元Intel NUC搭载i7-1260P处理器，为实时处理海量感知数据、完成状态估计与运动规划提供了坚实基础。此外，系统还集成了低延迟数字图传、可俯仰调节的FPV摄像头、智能LED电量提示系统和螺旋桨防护罩等实用模块，在保证功能完整的同时也兼顾了飞行安全与操作便利。最终整机重量控制在2.1公斤，具备12分钟续航和每秒1.5米的巡航速度，能够完成约千米范围的边坡巡检任务。

在软件层面，系统通过四大核心模块的紧密配合实现自主运行。定位模块依靠改进的FAST-LIO2算法，融合激光雷达与IMU数据，以百赫兹频率更新机身状态，延迟控制在毫秒级别，为后续决策提供稳定准确的位姿信息。建图模块则在ROG-Map基础上增强了对植被环境的适应性：不仅对未知区域进行保守膨胀以预防潜在碰撞，还引入无限点射线投射技术区分远处天空和近处盲区，并通过增量式更新策略降低计算负荷，维护实时的高分辨率地图。

路径规划模块巧妙地将飞行员的摇杆指令转化为安全可行的参考路径。系统会实时生成两段式轨迹：先引导无人机驶出障碍物膨胀区域，再在安全区域内飞向操作者指定的局部目标。这种设计既尊重了操作意图，也充分考虑了复杂环境下的避障需求。

而整套系统的“智能大脑”集成规划与控制（IPC）模块则以100赫兹频率运行，将来自定位、地图和路径模块的信息转化为实际控制指令。它通过在已知自由空间内构建“安全飞行通道”，并结合模型预测控制（MPC）技术，使飞行器能够灵敏避让动态障碍物，抵抗风力干扰，最终实现稳定、平滑的自主飞行。

▍实际应用效果：多场景测试，表现优异

为全面验证基于激光雷达的四旋翼飞行器在边坡巡检中的实际性能，研究团队开展了多场景测试，涵盖非运行环境功能验证、斜坡现场试验及与商用无人机的对比，系统评估其避障、建图和复杂环境适应能力。

在非运行场景测试中，团队重点检验了飞行器的辅助避障功能。于狭窄测试区内，四旋翼飞行器在细网、箱体和细杆等多障碍环境中稳定飞行，其中心与障碍物的最小距离始终大于机身尺寸，证明了导航算法的高稳健性。建图模块凭借激光雷达精准捕捉细小障碍并及时更新地图，路径搜索模块根据摇杆指令实时生成无碰撞参考路径，而规划控制模块（IPC）则确保飞行器高精度跟踪轨迹、安全抵达目标。

在动态人员靠近测试中，飞行器可主动忽略指向人员的操控指令，自主机动避让。尽管动态避障过程中飞行器与人的距离一度小于预设阈值，但始终高于安全底限。这得益于系统低延迟处理能力：激光雷达感知数据后，地图实时更新，路径模块快速重规划，IPC迅速响应控制，整体流程流畅，验证了系统在动态环境中的可靠性。

团队还与香港土木工程拓展署合作，在六个实际边坡场景中进行现场试验，包括五个植被茂密斜坡及一个因暴雨导致山体滑坡的区域。在耀兴路旁滑坡现场，飞行器于较宽空域内成功对护栏和落石进行了近距离观测；而在另外五处植被密集的狭窄斜坡中，它同样出色完成对柔性防泥护栏的近距摄影检查。

以上实验结果综合证明，研究团队提出的四旋翼飞行器，凭借激光雷达的强感知和智能避障功能，能够协助飞手在视觉遮蔽严重的茂密植被区稳定飞行，可靠逼近目标执行巡检任务。这些测试不仅验证了其在复杂环境下的优异性能，也凸显出研究团队所提四旋翼飞行器在实际边坡工程中的应用价值和可靠性。