無(wú)人機自動(dòng)避障技術(shù)盤(pán)點(diǎn)

近年來(lái)，隨著(zhù)多旋翼消費級無(wú)人機市場(chǎng)的飛速增長(cháng)，其相關(guān)技術(shù)也正在發(fā)生日新月異的變革，以往多用于特種行業(yè)甚至軍用產(chǎn)品上的技術(shù)（如飛行控制、圖像傳輸、目標識別和跟蹤等）也越來(lái)越多地用于消費級無(wú)人機，使其越來(lái)越接近于自動(dòng)化甚至智能化飛行機器人的概念。

在消費級無(wú)人機技術(shù)的諸多趨勢中，避障能力是實(shí)現自動(dòng)化乃至智能化的關(guān)鍵環(huán)節，完善的自主避障系統將能夠在很大程度上減少因操作失誤造成的無(wú)人機損壞和傷及人身和建筑物的事故發(fā)生率，而從各消費級無(wú)人機廠(chǎng)商的新品和技術(shù)發(fā)展方向看，避障技術(shù)也將在未來(lái)幾年趨于完善并成為中高端消費級無(wú)人機的標配系統。

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)的發(fā)展階段

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，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。 

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！

感知障礙物

在前避障時(shí)代，消費級無(wú)人機的使用說(shuō)明上都會(huì )標明必須在開(kāi)闊場(chǎng)地飛行，而且應當盡量避免周?chē)写罅咳巳海ó斎?，這也與當前技術(shù)和市場(chǎng)環(huán)境使得消費級無(wú)人機產(chǎn)品的可靠性較差有很大關(guān)系），因為一不小心操作失誤，或者在周?chē)懈叽笳系K物時(shí)啟動(dòng)一鍵（低電壓、失控）返航，則有可能眼睜睜看著(zhù)無(wú)人機傻傻地撞向那么明顯的障礙物，這是何等的回天乏力。為了降低這種事故的發(fā)生率，各廠(chǎng)商也都在卯足勁研發(fā)避障技術(shù)，而在實(shí)現方式上，大家的著(zhù)眼點(diǎn)也都放在了一個(gè)方向——測量無(wú)人機到障礙物的距離。

我們可以很容易地想到，只要無(wú)人機能夠測量出與潛在障礙物之間的距離，就可以在撞向障礙物之前停止前進(jìn)（雖然固定翼無(wú)人機表示不同意），于是一場(chǎng)讓人感覺(jué)回天乏力的事故被輕描淡寫(xiě)地避免了，這種思路簡(jiǎn)單粗暴，但還是有一定作用的。而當前運用較多的障礙物檢測方法主要有：

超聲波測距：這個(gè)方法很多人都熟悉，家用汽車(chē)的倒車(chē)雷達就是利用超聲波檢測障礙物，該方法的優(yōu)點(diǎn)就是技術(shù)成熟，成本很低；但缺點(diǎn)在于作用距離近（常用的中低端超聲波傳感器作用距離不超過(guò)10m），且對反射面有一定要求。因此超聲波測距傳感器常用來(lái)測量無(wú)人機與地面的距離（固定翼無(wú)人機表示自己飛的太高太快，超聲波傳感器用不上）。

紅外/激光TOF：即飛行時(shí)間傳感器，基本原理就是傳感器****一定頻率的紅外/激光信號，然后根據反射信號與原信號的相位差計算信號的飛行時(shí)間，即可換算出距離障礙物的距離。該方法技術(shù)比較成熟，作用距離較超聲波更遠（數米到數百米），而且高等級的TOF傳感器可以獲得障礙物的深度圖像（這一項能力在下文會(huì )有應用說(shuō)明），但缺點(diǎn)在于成本高，抗干擾能力較差（激光TOF稍好）。因此該方案在當前市場(chǎng)上產(chǎn)品或樣機中有一定規模的應用。

雙目視覺(jué)：這個(gè)方法運用了人眼估計距離的原理，即同一個(gè)物體在兩個(gè)鏡頭畫(huà)面中的坐標稍有不同，經(jīng)過(guò)轉換即可得到障礙物的距離，雙目視覺(jué)方法也可以獲得障礙物的深度圖像。這種方法的缺點(diǎn)在于技術(shù)難度較高（不過(guò)自從有了OpenCV，媽媽再也不用擔心我不會(huì )寫(xiě)機器視覺(jué)程序了），且距離估計的誤差隨距離變大而指數型增長(cháng)，只是這一缺點(diǎn)在無(wú)人機避障應用中并無(wú)大礙。

電子地圖：借助細粒度的數字高程地圖和城市3D建筑地圖，既能夠實(shí)現避免重要建筑物受到無(wú)人機撞擊（即禁飛區功能），也能夠實(shí)現很多情況下的無(wú)人機避障。而事實(shí)上，戰斧巡航導彈的遠程飛行也在很大程度上依賴(lài)于數字高程地圖。

障礙物測量的原理搞懂了，就可以開(kāi)始討論無(wú)人機避障了。最簡(jiǎn)單的策略莫過(guò)于遇到障礙物時(shí)停止前進(jìn)，然后與障礙物保持一定的距離。這種遇到障礙物后就默默懸停等待，仿佛手足無(wú)措不知所往的初級策略，就是這么簡(jiǎn)單的開(kāi)始，無(wú)人機就進(jìn)入了避障時(shí)代。

繞過(guò)障礙物

很顯然，我們不會(huì )滿(mǎn)足于讓無(wú)人機遇到障礙物后傻傻等待（固定翼表示自己一秒鐘也無(wú)法等待），這就需要設計讓無(wú)人機安全高效地繞過(guò)障礙物繼續完成預定飛行的策略。表面上看，連薩摩耶這種囧傻呆萌的狗狗都知道前面有座大樓時(shí)該怎么繞過(guò)去（請自行想象為什么說(shuō)到狗狗時(shí)要強調前方是大樓，而不是一棵樹(shù)），讓無(wú)人機繞過(guò)障礙物的策略應該很簡(jiǎn)單了，但這其中的門(mén)道可多了去了。

首先，狗狗很清楚前方大樓的輪廓，因此只需要往邊緣走就可以繞過(guò)去，但是無(wú)人機想獲得障礙物輪廓就很難了，如果避障傳感器是普通超聲波，無(wú)人機就只能知道前方有障礙，但是卻無(wú)從知道障礙物的邊緣，這就是前面為什么要強調“能夠獲得障礙物深度圖像”了，對于能獲得深度圖像的TOF測距和雙目視覺(jué)測距方式，只要障礙物沒(méi)有充滿(mǎn)視場(chǎng)，就總能夠找到障礙物的邊緣。舉例說(shuō)明，下圖所示的是無(wú)人機的到的深度圖像示意圖，灰度越深，表明距離越近，遇到這種情況，很顯然的策略就是往左上方飛，即朝向灰度最淺的區域飛行，此時(shí)問(wèn)題仿佛已經(jīng)得到解決。

但是別高興太早，這種策略可以滿(mǎn)足大多數應用場(chǎng)景，但是問(wèn)題還遠沒(méi)有解決，看下面的左圖，一架無(wú)人機剛繞從一座高大建筑旁繞過(guò)去，然后得到了如左圖的障礙物深度圖像，如果按照前面的策略，肯定是要往顏色最前的地方飛行，好那我要是告訴你其實(shí)右圖是無(wú)人機和兩座懸崖幾何關(guān)系的俯視圖，請你告訴我無(wú)人機會(huì )怎么飛，如果按照前述的策略，這又必將是一場(chǎng)刻骨銘心的事故。

也許有人對windows98時(shí)代的迷宮屏保還有印象，屏保中，使用一直沿著(zhù)左側墻壁和一直沿著(zhù)右側墻壁都會(huì )最終走出迷宮，這是因為普通迷宮的拓撲結構就是兩條平行線(xiàn)中間有一個(gè)通道，按照這種思路，無(wú)人機遇到下圖這種簡(jiǎn)單策略躲不過(guò)去的障礙時(shí)，完全可以采取類(lèi)似的方式，就一直向左或者向右尋找出路。即如果上面右圖的局部場(chǎng)景的完整形態(tài)如果如下圖所示的話(huà)，沿著(zhù)圖中的兩條曲線(xiàn)為路徑都可以繞過(guò)去，如果場(chǎng)景比下圖更復雜，繞過(guò)去的路可就需要苦苦追尋了。

雖然關(guān)于機器人在未知場(chǎng)景中的避障方法研究非常多，但是由于終究是未知場(chǎng)景，其中必然有復雜的搜索過(guò)程。

場(chǎng)景建模和路徑搜索

再回到狗狗繞過(guò)大樓的例子，看下圖，如果狗狗左側右側的路都走過(guò)，而且右側其實(shí)沒(méi)有那棵樹(shù)的話(huà)，很顯然的它下一次繞過(guò)這座樓的時(shí)候基本上會(huì )選擇左側的路（但是當右側有顆邪惡的樹(shù)之后，結論仿佛有所改變），這是因為它大腦里已經(jīng)有了一幅地圖，即有了這個(gè)場(chǎng)景的模型。

無(wú)人機也是如此，無(wú)論是基于電子地圖，還是其他來(lái)源，還是SLAM（即時(shí)定位與地圖構建）獲得了場(chǎng)景模型，就可以在機載計算機里用算法去搜索優(yōu)化的避障路徑。當前關(guān)于這種已知場(chǎng)景路徑規劃的研究很多，算法也是層出不窮（算法太多太復雜，本文暫不展開(kāi)討論），也是無(wú)人機避障發(fā)展的必然趨勢。

與傳統的機器人避障技術(shù)研究相比，當前無(wú)人機的避障還處于很初級的階段，但由于消費級無(wú)人機市場(chǎng)的火爆，大家也都在爭先恐后地開(kāi)展此類(lèi)研究，可以預見(jiàn)，未來(lái)的避障時(shí)代中，將會(huì )有各自各樣現在難以想到的方法用于無(wú)人機避障，有了這些技術(shù)的輔助，無(wú)人機的操作也將越來(lái)越安全，越來(lái)越簡(jiǎn)單。

無(wú)人機避障技術(shù)種類(lèi)

紅外避障

紅外線(xiàn)的應用我們并不陌生：從電視、空調的遙控器，到酒店的自動(dòng)門(mén)，都是利用的紅外線(xiàn)的感應原理。而具體到無(wú)人機避障上的應用，紅外線(xiàn)避障的常見(jiàn)實(shí)現方式就是“三角測量原理”。

紅外感應器包含紅外****與CCD檢測器，紅外線(xiàn)****會(huì )****紅外線(xiàn)，紅外線(xiàn)在物體上會(huì )發(fā)生反射，反射的光線(xiàn)被CCD檢測器接收之后，由于物體的距離D不同，反射角度也會(huì )不同，不同的反射角度會(huì )產(chǎn)生不同的偏移值L，知道了這些數據再經(jīng)過(guò)計算，就能得出物體的距離了，如下圖所示。

超聲波避障

超聲波其實(shí)就是聲波的一種，因為頻率高于20kHz，所以人耳聽(tīng)不見(jiàn)，并且指向性更強。

超聲波測距的原理比紅外線(xiàn)更加簡(jiǎn)單，因為聲波遇到障礙物會(huì )反射，而聲波的速度已知，所以只需要知道****到接收的時(shí)間差，就能輕松計算出測量距離，再結合****和接收器的距離，就能算出障礙物的實(shí)際距離，如下圖所示。

超聲波測距相比紅外測距，價(jià)格更加便宜，相應的感應速度和精度也遜色一些。同樣，由于需要主動(dòng)****聲波，所以對于太遠的障礙物，精度也會(huì )隨著(zhù)聲波的衰減而降低，此外，對于海綿等吸收聲波的物體或者在大風(fēng)干擾的情況下，超聲波將無(wú)法工作。

激光避障

激光避障與紅外線(xiàn)類(lèi)似，也是****激光然后接收。不過(guò)激光傳感器的測量方式很多樣，有類(lèi)似紅外的三角測量，也有類(lèi)似于超聲波的時(shí)間差+速度。

但無(wú)論是哪種方式，激光避障的精度、反饋速度、抗干擾能力和有效范圍都要明顯優(yōu)于紅外和超聲波。

但這里注意，不管是超聲波還是紅外、亦或是這里的激光測距，都只是一維傳感器，只能給出一個(gè)距離值，并不能完成對現實(shí)三維世界的感知。當然，由于激光的波束極窄，可以同時(shí)使用多束激光組成陣列雷達，近年來(lái)此技術(shù)逐漸成熟，多用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛上，但由于其體積龐大，價(jià)格昂貴，故不太適用于無(wú)人機。

視覺(jué)避障

解決機器人如何“看”的問(wèn)題，也就是大家常聽(tīng)到的計算機視覺(jué)（Computer Vision）。其基礎在于如何能夠從二維的圖像中獲取三維信息，從而了解我們身處的這個(gè)三維世界。

視覺(jué)識別系統通常來(lái)說(shuō)可以包括一個(gè)或兩個(gè)攝像頭。單一的照片只具有二維信息，猶如2D電影，并無(wú)直接的空間感，只有靠我們自己依靠“物體遮擋、近大遠小”等生活經(jīng)驗腦補。故單一的攝像頭獲取到的信息及其有限，并不能直接得到我們想要的效果（當然能夠通過(guò)一些其他手段，輔助獲取，但是此項還不成熟，并沒(méi)有大規模驗證）。類(lèi)比到機器視覺(jué)中，單個(gè)攝像頭的圖片信息無(wú)法獲取到場(chǎng)景中每個(gè)物體與鏡頭的距離關(guān)系，即缺少第三個(gè)維度。

如下圖所示，單一的圖片具有很強的迷惑性和不確定性

雙目立體視覺(jué)猶如3D電影（左右眼看到的場(chǎng)景略有差異），能夠直接給人帶來(lái)強烈的空間臨場(chǎng)感。類(lèi)比機器視覺(jué)，從單個(gè)攝像頭升級到兩個(gè)攝像頭，即立體視覺(jué)（Stereo Vision）能夠直接提供第三個(gè)維度的信息，即景深（depth），能夠更為簡(jiǎn)單的獲取到三維信息。雙目視覺(jué)最常見(jiàn)的例子就是我們的雙眼：我們之所以能夠準確的拿起面前的杯子、判斷汽車(chē)的遠近，都是因為雙眼的雙目立體視覺(jué)，而3D電影、VR眼鏡的發(fā)明，也都是雙目視覺(jué)的應用。

雙目視覺(jué)的基本原理是利用兩個(gè)平行的攝像頭進(jìn)行拍攝，然后根據兩幅圖像之間的差異（視差），利用一系列復雜的算法計算出特定點(diǎn)的距離，當數據足夠時(shí)還能生成深度圖。

其實(shí)，各個(gè)避障技術(shù)在無(wú)人機上都有用武之地，只是應用場(chǎng)景有所不同，特別對于前視避障而言，有些技術(shù)就不適用了。

紅外和超聲波技術(shù)，因為都需要主動(dòng)****光線(xiàn)、聲波，所以對于反射的物體有要求，比如：紅外線(xiàn)會(huì )被黑色物體吸收，會(huì )穿透透明物體，還會(huì )被其他紅外線(xiàn)干擾；而超聲波會(huì )被海綿等物體吸收，也容易被槳葉氣流干擾。

而且，主動(dòng)式測距還會(huì )產(chǎn)生兩臺機器相互干擾的問(wèn)題。相比之下，雖然雙目視覺(jué)也對光線(xiàn)有要求，但是對于反射物的要求要低很多，兩臺機器同時(shí)使用也不會(huì )互相干擾，普適性更強。

最重要的是，常見(jiàn)的紅外和超聲波目前都是單點(diǎn)測距，只能獲得特定方向上的距離數據，而雙目視覺(jué)可以在小體積、低功耗的前提下，獲得眼前場(chǎng)景的比較高分辨率的深度圖，這就讓避障功能有了更多的發(fā)展空間，比如避障之后的智能飛行、路徑規劃等。

激光技術(shù)雖然也能實(shí)現類(lèi)似雙目視覺(jué)的功能，但是受限于技術(shù)發(fā)展，目前的激光元件普遍價(jià)格貴、體積大、功耗高，應用在消費級無(wú)人機上既不經(jīng)濟也不實(shí)用。

無(wú)人機避障實(shí)現的難點(diǎn)

避障功能從構思到實(shí)現，走的每一步幾乎都便隨著(zhù)無(wú)數的難題。僅僅是寫(xiě)出有效的視覺(jué)識別或者地圖重構的算法還只是第一步，能讓它在無(wú)人機這樣一個(gè)計算能力和功耗都有限制的平臺上流暢穩定的跑起來(lái)，才是真正困難的地方。

此外，如何處理功能的邊界也是一個(gè)問(wèn)題，比如雙目視覺(jué)在視線(xiàn)良好的情況下可以工作，那么當有灰塵遮擋的情況下呢?這就需要不斷的實(shí)驗和試錯，并且持續的優(yōu)化算法，保證各項功能在各類(lèi)場(chǎng)景下都能正常工作，不會(huì )給出錯誤的指令。

避障功能作為近年來(lái)無(wú)人機產(chǎn)品的大趨勢，帶來(lái)的最直接的好處就是，以往一些人為疏忽造成的撞擊，現在都能經(jīng)由避障功能去避免，既保障了無(wú)人機飛行安全的同時(shí)，也避免了對周?chē)藛T財產(chǎn)的損害，讓飛無(wú)人機的門(mén)檻進(jìn)一步得到了降低。

而長(cháng)遠來(lái)看，無(wú)人機想要普及到農業(yè)、建筑、運輸、媒體等領(lǐng)域，「智能化」肯定是必經(jīng)之路。

畢竟只有在飛行功能上做到智能控制，才有余量去滿(mǎn)足不同行業(yè)的需求。如今由“避障功能”而衍生出的一系列“智能飛行”功能，無(wú)疑就是“無(wú)人機智能化”的階段性體現之一。