盤(pán)點(diǎn)無(wú)人機避障技術(shù)原理及廠(chǎng)商

　　什么是無(wú)人機避障技術(shù)？

　　顧名思義就是無(wú)人機自主躲避障礙物的智能技術(shù)。很多玩過(guò)無(wú)人機的小伙伴們 都知道，有避障功能的無(wú)人機和沒(méi)有避障功能的無(wú)人機，可以說(shuō)體驗是大不相同的！無(wú)人機自動(dòng)避障系統能夠及時(shí)地避開(kāi)飛行路徑中的障礙物，極大地減少因為操作失誤而帶來(lái)的各項損失。在減少炸機事故次數的同時(shí)，還能給無(wú)人機新手極大的幫助！

　　無(wú)人機避障技術(shù)發(fā)展階段和趨勢

　　根據目前無(wú)人機避障技術(shù)的發(fā)展以及其未來(lái)的研究態(tài)勢，有資料分析認為無(wú)人機避障技術(shù)可分為三個(gè)階段，一是感知障礙物階段；二是繞過(guò)障礙物階段；三是場(chǎng)景建模 和路徑搜索階段。這三個(gè)階段其實(shí)是無(wú)人機避障技術(shù)的作用過(guò)程。從無(wú)人機發(fā)現障礙物，到可以自動(dòng)繞開(kāi)障礙物，再達到自我規劃路徑的過(guò)程。

　　可能有人會(huì )問(wèn)無(wú)人機達到第一個(gè)“發(fā)現障礙物”的階段不就很容易避開(kāi)障礙物了？這第二個(gè)階段是不是有些多余！其實(shí)不然，無(wú)人機避障的三個(gè)階段的劃分都是有技術(shù)作為依據的。其每個(gè)階段具體的技術(shù)分析如下：

　　第一階段，無(wú)人機只能是簡(jiǎn)單地感知障礙物。當無(wú)人機遇到障礙物時(shí)，能快速地識別，并且懸停下來(lái)，等待無(wú)人機駕駛者的下一步指令！

　　第二階段，無(wú)人機能夠獲取障礙物的深度圖象，并由此精確感知障礙物的具體輪廓，然后自主繞開(kāi)障礙物！這個(gè)階段是擺脫飛手操作，實(shí)現無(wú)人機自主駕駛的階段！

　　第三階段，無(wú)人機能夠對飛行區域建立地圖模型然后規劃合理線(xiàn)路！這個(gè)地圖不能僅僅是機械平面模型，而應該是一個(gè)能夠實(shí)時(shí)更新的三維立體地圖！這將是目前無(wú)人機避障技術(shù)的最高階段！

　　目前，市面上主流的電動(dòng)多旋翼無(wú)人機避障系統主要有三種，分別是超聲波、TOF（激光雷達測距的一種）以及正有望成為主流的視覺(jué)測距。以下是國內外無(wú)人機避障技術(shù)最新應用案例。

　　1、零度Xplorer 2：激光雷達TOF測距

　　TOF是TIme of flight的簡(jiǎn)寫(xiě)，直譯為飛行時(shí)間。所謂飛行時(shí)間法3D成像，是通過(guò)給目標連續發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標物距離。

　　使用這種方式光波容易受到干擾，系統發(fā)出的光，必須避開(kāi)太陽(yáng)光的主要能量波段，從而避免太陽(yáng)光的直射、反射等對避障系統造成干擾。該原理需要非常精準的時(shí)間測量，需要專(zhuān)用處理芯片，而芯片價(jià)格則較為高昂。

　　零度在CES2016上發(fā)布的Xplorer 2，采用的便是TOF測距方案。無(wú)人機上的“蘑菇頭”就是自動(dòng)避障模塊，該避障模塊可以實(shí)現在6m有效避障距離內，以每秒50次的速率實(shí)現360°全方位掃描。

　　Xplorer 2自動(dòng)避障模塊

　　2、昊翔Typhoon H：Realsense（單目+結構光）

　　Realsense 的技術(shù)原理是，它采用了“主動(dòng)立體成像原理”，模仿了人眼的“視差原理”，通過(guò)打出一束紅外光，以左紅外傳感器和右紅外傳感器追蹤這束光的位置，然后用三角定位原理來(lái)計算出 3D 圖像中的“深度”信息。通過(guò)配有深度傳感器和全1080p彩色鏡頭，能夠精確識別手勢動(dòng)作、面部特征、前景和背景，進(jìn)而讓設備理解人的動(dòng)作和情感。據 Intel方面對外透露的數據，Realsense的有效測距可達10米。

　　Realsense屬于“單目+結構光”，即單個(gè)攝像頭加結構光 發(fā)射器構成深度攝像頭。不過(guò)結構光卻是個(gè)“見(jiàn)光死”，“結構光只適合暗環(huán)境、室內。為啥intel弄個(gè)仿熱帶雨林的暗環(huán)境？因為會(huì )受到干擾??！”雷動(dòng)云合 創(chuàng )始人廖鴻宇說(shuō)，由于將3D深度攝像頭改為2D深度攝像頭，其“單目+結構光”的智能導航模塊只需200元。

　　Typhoon H整合了Intel的Realsense模塊

　　3、大疆精靈Phantom 4：雙目視覺(jué)+超聲波

　　雙目的測距原理，就像我們人類(lèi)的兩個(gè)眼睛，看到的圖像不一樣，假如同一個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)眼睛看到兩張圖像是存在差異的，而通過(guò)三角測距是可以測出這個(gè)點(diǎn)的距離。

　　雙目視覺(jué)系統原理圖

　　Phantom 4增加了雙目避障，其實(shí)是沿用了guidance的核心算法，能夠識別最近0.7米，最遠15米的障礙物；水平視角 60°，垂直視角為30°。雙目視覺(jué)的優(yōu)勢體現在，在遠距離，雙目視覺(jué)能保證三維精準信息，比如遠處的兩座山能看出一個(gè)近一個(gè)遠。當然，遠處的小目標是不可以的。

　　Phantom 4 下視視覺(jué)定位模塊

　　4、極飛：夜間避障采用主動(dòng)近紅外照射技術(shù)

　　極飛做夜間避障是因為他們的多數植保作業(yè)是在夜間進(jìn)行。其實(shí)他們實(shí)現夜間避障的原理并不復雜。

　　先說(shuō)避障原理，向前避障是雙目避障，它利用成像設備的兩只眼睛來(lái)獲取被測 物體的兩幅圖像，通過(guò)計算圖像對應點(diǎn)間的位置偏差來(lái)獲取物體的三維信息，包括攝像頭與物體的距離和物體之間的距離等。是基于視差原理，是計算機視覺(jué)的一種重要形式，這和人眼感知物體三維信息的原理相似。參照下面這個(gè)有趣圖片。

　　而夜間避障是采用了這個(gè)主動(dòng)近紅外照射技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是加了一個(gè)特殊的手電筒和并改造了眼睛。夜間這個(gè)眼睛幾乎看不到（和現有大疆產(chǎn)品一樣），而極飛采用的雙目是由兩個(gè)黑白鏡頭組成，從380-1080nm 波段都可以成像，也就意味著(zhù)不僅能看見(jiàn)可見(jiàn)光，還能看見(jiàn)人眼也看不見(jiàn)的紅外線(xiàn)。

　?。ㄖ虚g長(cháng)條裝為發(fā)射，兩側為接收）

　　無(wú)人機會(huì )主動(dòng)發(fā)射近紅外線(xiàn)光線(xiàn)，近紅外光是介于可見(jiàn)光和中紅外光之間的電磁 波，雖然人眼看不到，但能作為夜晚的光源，雙目的每一個(gè)鏡頭就能接收到環(huán)境中的紅外線(xiàn)的反饋，經(jīng)過(guò)雙目計算后（和白天的計算處理相同）就可以「感知」到環(huán)境和障礙物了。而且避障距離和白天相比沒(méi)有變化，都是 30 米（角度：水平 FOV 65°）。

　　其實(shí)這個(gè)原理并不是極飛所創(chuàng )造，它在軍事當中運用很早，在美、德等國二戰期間，第一代的主動(dòng)紅外探測裝置用在了戰場(chǎng)上，通過(guò)自帶的光源設備主動(dòng)產(chǎn)生近紅外輻射照射目標區域，然后接收目標返回的紅外信號，轉換為可視圖像進(jìn)行觀(guān)察分析。例如德國研制的車(chē)載主動(dòng)紅外夜視儀可用于夜間無(wú)燈光條件下隱蔽行進(jìn)，并通過(guò)這種手段避開(kāi)同盟國的監視，秘密地把 V-2 導彈運送到前線(xiàn)。

　　而說(shuō)到這里，目前所有的民用無(wú)人機都不能在夜間或者說(shuō)光線(xiàn)不好的情況下避障嗎？其實(shí)不然，我們可以看看那些本來(lái)見(jiàn)光死的避障無(wú)人機，在晚上是不是能夠活過(guò)來(lái)。

　　5、美國俄亥俄州的公司Oculii：四維雷達技術(shù)

　　傳統的民用雷達大多只能提供二維的信息，但是，人們都生活在三維的空間里，二維信息是遠遠不夠的。舉例來(lái)說(shuō)，現在的民用雷達都無(wú)法測量車(chē)子的高度，而這對于無(wú)人駕駛、無(wú)人機等方面的應用就有很大的局限性。位于美國俄亥俄州的公司Oculii，開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)可以商用的四維雷達，使得無(wú)人機在三維空間，獲取上下左右的空間信息。

　　小結：未來(lái)無(wú)人機不只會(huì )采取單一技術(shù)實(shí)現避障功能，可能會(huì )采取多種避障技術(shù)集成的手段來(lái)實(shí)現不同場(chǎng)景下的避障。