无人机激光雷达三维安全走廊与自适应高度避障

本实验在 OpenHUTB/CarlaAir 的 Town10HD 场景中，使用无人机机载激光雷达点云 选择安全飞行高度，并用前视深度图补充近距离玻璃/墙面保护，通过 ROS Noetic 桥接完成速度闭环。

源码位置：src/air/uav_lidar_safety_corridor/

1. 实验目标

• 订阅 OpenHUTB 桥接发布的无人机位姿和激光雷达点云；
• 在目标方向前方建立三维安全走廊；
• 根据障碍密度选择安全高度，而不是始终使用固定高度；
• 用 /camera/depth 做近距离减速和停车保护；
• 对水平速度、垂向速度和加速度做限幅；
• 对比固定高度和自适应高度策略的到达效果与最小障碍间距。

2. 系统结构

OpenHUTB / AirSim
    │ 位姿、LiDAR
    ▼
carlair_ros_bridge
    │ /uav/odom
    │ /lidar/points
    ▼
uav_lidar_safety_corridor
    │ /uav/cmd_vel
    ▼
carlair_ros_bridge ──► 无人机

桥接层输出世界 ENU 坐标，因此本节点也输出世界 ENU 速度。启动桥接时必须使用 body_frame:=false，否则速度会被按机体系解释。

本模块只支持前向安全走廊。目标方向相对机头超过 75° 时节点会拒绝目标并 悬停，避免侧移进入前视深度相机不可见的障碍。

3. 安全走廊

对每个候选高度 $z_i$，在前视距离 $d_{\min} \le d \le d_{\max}$、横向宽度 $|y| \le w$ 的走廊内统计 垂直安全带 $|z-z_i| \le h$ 的点云。

候选高度评分同时考虑：

• 走廊内障碍密度；
• 与目标高度的偏差；
• 与当前高度的变化量。

障碍密度较低、接近目标高度且高度变化平滑的候选点会被选中。

4. 控制流程

1. 从 /uav/odom 读取世界位姿和速度；
2. 从 /lidar/points 解析 XYZ float32 点云；
3. 选择安全高度；
4. 根据目标方向和短距离斥力生成水平速度；
5. 根据安全高度生成垂向速度；
6. 用前视深度图中心区域限制最大水平速度；
7. 按加速度和速度上限输出 /uav/cmd_vel。

深度保护只覆盖机头前方中心区域；侧向和后向目标不在本实验的安全保证范围内。

5. 运行

先在 Windows 启动 OpenHUTB/CarlaAir，再在虚拟机启动桥接：

roslaunch carlair_ros_bridge main.launch \
  body_frame:=false \
  publish_image:=true

深度保护依赖桥接发布的 /camera/depth，因此这里必须开启图像。若关闭图像， 应同时禁用深度保护，并明确该次运行不能复现深度减速结果。

确认 /uav/odom 和 /lidar/points 正常后启动实验：

roslaunch uav_lidar_safety_corridor main.launch \
  goal_x:=10.0 \
  goal_y:=0.0 \
  goal_z:=5.0

目标点必须根据当前场景自动机位置和障碍布局调整。

6. 观察与诊断

rostopic hz /uav/odom
rostopic hz /lidar/points
rostopic echo /uav_lidar_safety_corridor/status
rostopic hz /uav/cmd_vel

RViz 中添加 MarkerArray 话题 /uav_lidar_safety_corridor/markers，可观察当前选中的安全高度和预览方向。

7. OpenHUTB 实测结果

测试环境：

桥接自检 5/5 通过；单帧雷达约 2300 个点。最终验收飞行使用相对目标 [-2.54, 1.60, 3.00] m，即上升 3 m 并沿机头方向前飞约 3 m。

本次最终路径的前向雷达走廊为空，因此高度变化由目标高度触发；障碍点云驱动的 候选高度切换由离线测试覆盖，没有把开放路径实测写成“障碍触发升降”。

8. 已知边界

• 仅支持偏离机头不超过 75° 的前向目标；
• 前视深度相机不能覆盖侧向和后向；
• 透明玻璃、细杆等对象可能出现激光点稀疏；
• 本实验验证速度闭环，不包含真实旋翼姿态动力学。

9. AI 使用声明

使用 Codex 辅助需求分析、代码编写、测试和文档整理；作者完成 OpenHUTB 环境配置、实际飞行、数据采集与结果复核，并对提交内容负责。