盤(pán)點(diǎn)近些年無(wú)人機避障技術(shù)的發(fā)展

　　無(wú)人機要想被冠以人工智能機器的稱(chēng)號，當然不能僅僅滿(mǎn)足于“飛起來(lái)”而已！關(guān)于未來(lái)的“人工智能無(wú)人機”的構想，無(wú)人機通常被想象為一架飛行中的機器人。這架飛行機器人不但能夠和人交流，還能獨立完成任務(wù)或解決問(wèn)題。

　　其實(shí)這些高度智能的功能已經(jīng)在開(kāi)發(fā)之中了，今天AOPA云小編要介紹的就是無(wú)人機“黑科技”中的避障技術(shù)！

　　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)障礙物了嗎？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！

　　目前能夠實(shí)現無(wú)人機避障功能的幾大主要技術(shù)

　　拋開(kāi)無(wú)人機避障技術(shù)發(fā)展階段不談，目前無(wú)人機避障技術(shù)的發(fā)展呈現的是多元發(fā)展的模式。老技術(shù)在淘汰，新技術(shù)在改良，但整體來(lái)說(shuō)都是不斷地調整前進(jìn)的方向！從整體來(lái)說(shuō)，無(wú)人機避障技術(shù)目前大致有六種！

　　一、超聲波避障

　　超聲波，用一個(gè)比較形象的比喻就是蝙蝠。蝙蝠通過(guò)口腔中喉部的特殊構造來(lái)發(fā)出超聲波，當超聲波遇到獵物或者障礙的時(shí)候就會(huì )反射回來(lái)，蝙蝠可以用特殊的聽(tīng)覺(jué)系統來(lái)接收反射回來(lái)的信號，從而探測目標的距離，確定飛行路線(xiàn)。

　　這是一項非常常見(jiàn)且非常成熟的技術(shù)！由于超聲波指向性強，而且能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。而且利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實(shí)用的要求，所以用來(lái)避障非常合適。

　　目前來(lái)說(shuō)，市面上有很多家用汽車(chē)的雷達都是采用的這項技術(shù)。而在無(wú)人機的具體應用，基石keyshare無(wú)人機就采用了超聲波避障技術(shù)。

　　但是超聲波測距并非一項完美的技術(shù)。雖然超聲波避障系統不會(huì )受到光線(xiàn)、粉塵、煙霧，但在部分場(chǎng)景下也會(huì )受到聲波的干擾。其次，如果物體表面反射超聲波的能力不足，避障系統的有效距離就會(huì )降低，安全隱患會(huì )顯著(zhù)提高。一般來(lái)說(shuō)，超聲波的有效距離是5米，對應的反射物體材質(zhì)是水泥地板，如果材質(zhì)不是平面光滑的固體物，比如說(shuō)地毯，那么超聲波的反射和接收就會(huì )出問(wèn)題。距離短、對障礙物感知能力有限，所以超聲波避障處境仍舊尷尬。這也就是市面上采用超聲波避障的無(wú)人機其有效避障距離非常短的原因。

　　二、紅外線(xiàn)或激光測距避障

　　紅外線(xiàn)或激光避障技術(shù)的英文名稱(chēng)為“TIme of flight”，常常被縮寫(xiě)成“TOF”，因此紅外線(xiàn)或激光避障技術(shù)又被稱(chēng)為飛行時(shí)間測距法。

　　TOF 的工作原理和超聲波測距避障原理很相似，最大的不同就是把超聲波換成了紅外線(xiàn)或者激光！該技術(shù)檢測方法有兩種：一種是光的時(shí)間，另一種是光的相位。但不管是哪種方法，其都是把光發(fā)射出去，然后檢測反射回來(lái)的光，進(jìn)而判斷無(wú)人機的周?chē)欠裼姓系K物，從而知道障礙物距離多少。

　　零度Xplorer 2無(wú)人機采用的就是TOF避障系統。在零度Xplorer 2無(wú)人機懸停狀態(tài)下，TOF系統會(huì )保持每秒鐘旋轉2-5圈的快速旋轉狀態(tài)。這樣就可以使TOF在旋轉的過(guò)程中完成對周?chē)行О霃絻鹊?60°范圍進(jìn)行快速掃描，從而用較快的速度發(fā)現障礙，然后對飛控系統發(fā)出調整位置的指令，避免對周?chē)娜嘶蜇斘镌斐蓚?；而當無(wú)人機在飛行的過(guò)程中，TOF系統則會(huì )停止旋轉，只把光發(fā)射到無(wú)人機前進(jìn)的方向上。固定方向的時(shí)候，在室外的有效距離可以增加到8-10米。對于一般無(wú)人機來(lái)說(shuō)，每秒的飛行距離也就是10米左右，檢測到障礙物之后1秒的反應時(shí)間，無(wú)人機可以用一個(gè)較大的加速度來(lái)停止前進(jìn)，這就足夠了。

　　但是和超聲波同樣，光波也會(huì )受到干擾。目前城市環(huán)境下樓宇間的光污染，給TOF避障系統帶來(lái)了難題，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。從而就進(jìn)一步需要非常精準的時(shí)間測量，乃至需要專(zhuān)用處理芯片，而目前來(lái)說(shuō)，芯片價(jià)格則較為高昂。

　　三、視覺(jué)圖像復合型技術(shù)

　　視覺(jué)圖像符合型技術(shù)通過(guò)高清攝像機拍攝幀速足夠高、清晰、分辨率高的圖像，借助一顆足夠小而性能強大的處理器，分析每一幀圖像中是否存在障礙物。視覺(jué)圖像復合型技術(shù)隨著(zhù)移動(dòng)芯片的運算能力的飛躍而越來(lái)越成為無(wú)人機避障首選。

　　智能避障系統“Guidance”就是典型的視覺(jué)圖像復合型技術(shù)。Guidance系統的前后左右下五個(gè)方向都有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行障礙識別的攝像頭，識別機制也有超聲波和圖像視覺(jué)兩種。也就是說(shuō)，除了常規的超聲波模塊以外，5個(gè)方向上還專(zhuān)門(mén)放置了攝像頭用于獲取視覺(jué)圖像，然后直接傳輸到機載的l處理器進(jìn)行計算處理。

　　進(jìn)入消費級無(wú)人機市場(chǎng)時(shí)間較早的Parrot，也在跟英偉達（Nvidia）進(jìn)行避障方面的合作，同樣采用了包含機器視覺(jué)的復合型避障系統。麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)和人工智能實(shí)驗室也通過(guò)此技術(shù)探索避障技術(shù)，不過(guò)他們是通過(guò)2塊手機芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理后，尋找出可以飛行的自由空間，而不是識別障礙物后再進(jìn)行躲避?？梢哉f(shuō)是非常主動(dòng)的一種方法。但是，這款無(wú)人機只能處理幾秒鐘內的視頻數據，而不是會(huì )生成一個(gè)完整的區域地圖，畢竟現有手機芯片的處理能力還很有限。

　　四、Real Sense技術(shù)

　　微軟和英特爾聯(lián)合開(kāi)發(fā)的RealSense 3D攝像頭，利用自身的紅外發(fā)射器向目標物“主動(dòng)打光”，通過(guò)捕捉和定位光的扭曲變化自動(dòng)計算并構建出覆蓋區域內的三維模型，并借助自身的處理器完成基礎數據的整合、借助搭載設備的處理器進(jìn)行更復雜的操作，從而自動(dòng)調整自身以避開(kāi)障礙物。

　　RealSense本質(zhì)上也是類(lèi)似于XBOX360外接的3D體感攝像機的紅外結構光投影方案。所不同的是，RealSense所投影的是一系列動(dòng)態(tài)變化的圖案，而非Kinect那樣的固定圖案。因此，也造成了雖然RealSense的分辨率高，也更穩定，但幀頻卻不如Kinect的情況，實(shí)際效果也沒(méi)有體現出所期待的優(yōu)勢。

　　五、雷達

　　雷達，應用最多的還是軍事領(lǐng)域，在民用階段還是很少使用！而用在消費級無(wú)人機上更是沒(méi)有先例！

　　但前不久，在美國紐約州雪城舉辦的無(wú)人機交通管制峰會(huì )（Unmanned Traffic Management ConvenTIon - UTM 2016），舉行了一場(chǎng)無(wú)人機避障飛行比賽。無(wú)人機方案提供企業(yè)Aerotenna獲得了此次峰會(huì )比賽的冠軍。

　　除了精彩的比賽，還有無(wú)人機的避障技術(shù)也稱(chēng)為當時(shí)的熱點(diǎn)！與通常無(wú)人機采用的超聲波或雙目等方案避障不同的是，Aerotenna的避障方案采用以雷達技術(shù)為基礎的µSharp 360度微波雷達，同時(shí)搭載了雷達高度計µLanding作為室內定高，在障礙規避上效果相對傳統方案占了明顯優(yōu)勢。

　　但是雷達的成本相比于其他的避障技術(shù)還是比較高的！

　　目前把雷達方案做到無(wú)人機上，成本相比雙目、超聲是要稍微貴一些，但并不是貴得離譜。舉一個(gè)價(jià)位的參考的例子，“超聲波”好一點(diǎn)的一兩百（人民幣），雙目攝像頭稍微好一點(diǎn)大約六百到一千，微波雷達目前大約在千元左右（根據解決方案的不同價(jià)位也不盡相同），但是這個(gè)價(jià)格也受生產(chǎn)量的影響，將來(lái)產(chǎn)量上去了也會(huì )相應降一些。

　　但是由于雷達的可靠性、受環(huán)境影響較小的優(yōu)勢，在將來(lái)的無(wú)人機避障技術(shù)上肯定會(huì )大放異彩的！

　　六、電子地圖

　　當飛行目標區域被模型化為一張精確的三維立體地圖，借助GPS等導航系統，就可以能夠實(shí)現避開(kāi)障礙物自主飛行。

　　在無(wú)人機上預先載入目標區域的三維立體地圖，就能知道障礙物的具體位置，從而在飛行時(shí)候就提前避開(kāi)它。而且在飛行的時(shí)候，無(wú)人機還可以從多條路徑中選擇出最優(yōu)路徑，這樣可以大大加快任務(wù)效率！

　　而且目前的三維立體地圖發(fā)展也很迅猛，數據雖然尚不能做到非常準確，但是較之前還是有非常大的提升！隨著(zhù)精確度的提升，無(wú)人機運用三維立體地圖實(shí)現避障，還是非常有希望的！

　　說(shuō)了這么多無(wú)人機避障技術(shù)，哪一項技術(shù)會(huì )稱(chēng)霸未來(lái)呢？其是依AOPA云小編之間，我覺(jué)得未來(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！當讓?zhuān)@些愿景必須建立在各項技術(shù)非常成熟的情況下，特別是制造工藝非常成熟的情況下，這樣才能更好地普及無(wú)人機避障技術(shù)，讓各位飛友“放心”地飛！