盤點(diǎn)無人機(jī)避障技術(shù)原理及廠商

　　什么是無人機(jī)避障技術(shù)？

　　顧名思義就是無人機(jī)自主躲避障礙物的智能技術(shù)。很多玩過無人機(jī)的小伙伴們 都知道，有避障功能的無人機(jī)和沒有避障功能的無人機(jī)，可以說體驗(yàn)是大不相同的！無人機(jī)自動(dòng)避障系統(tǒng)能夠及時(shí)地避開飛行路徑中的障礙物，極大地減少因?yàn)椴僮魇д`而帶來的各項(xiàng)損失。在減少炸機(jī)事故次數(shù)的同時(shí)，還能給無人機(jī)新手極大的幫助！

　　無人機(jī)避障技術(shù)發(fā)展階段和趨勢(shì)

　　根據(jù)目前無人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展以及其未來的研究態(tài)勢(shì)，有資料分析認(rèn)為無人機(jī)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)是無人機(jī)避障技術(shù)的作用過程。從無人機(jī)發(fā)現(xiàn)障礙物，到可以自動(dòng)繞開障礙物，再達(dá)到自我規(guī)劃路徑的過程。

　　可能有人會(huì)問無人機(jī)達(dá)到第一個(gè)“發(fā)現(xiàn)障礙物”的階段不就很容易避開障礙物了？這第二個(gè)階段是不是有些多余！其實(shí)不然，無人機(jī)避障的三個(gè)階段的劃分都是有技術(shù)作為依據(jù)的。其每個(gè)階段具體的技術(shù)分析如下：

　　第一階段，無人機(jī)只能是簡(jiǎn)單地感知障礙物。當(dāng)無人機(jī)遇到障礙物時(shí)，能快速地識(shí)別，并且懸停下來，等待無人機(jī)駕駛者的下一步指令！

　　第二階段，無人機(jī)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，然后自主繞開障礙物！這個(gè)階段是擺脫飛手操作，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主駕駛的階段！

　　第三階段，無人機(jī)能夠?qū)︼w行區(qū)域建立地圖模型然后規(guī)劃合理線路！這個(gè)地圖不能僅僅是機(jī)械平面模型，而應(yīng)該是一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)更新的三維立體地圖！這將是目前無人機(jī)避障技術(shù)的最高階段！

　　目前，市面上主流的電動(dòng)多旋翼無人機(jī)避障系統(tǒng)主要有三種，分別是超聲波、TOF（激光雷達(dá)測(cè)距的一種）以及正有望成為主流的視覺測(cè)距。以下是國(guó)內(nèi)外無人機(jī)避障技術(shù)最新應(yīng)用案例。

　　1、零度Xplorer 2：激光雷達(dá)TOF測(cè)距

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

　　使用這種方式光波容易受到干擾，系統(tǒng)發(fā)出的光，必須避開太陽光的主要能量波段，從而避免太陽光的直射、反射等對(duì)避障系統(tǒng)造成干擾。該原理需要非常精準(zhǔn)的時(shí)間測(cè)量，需要專用處理芯片，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(cè)距方案。無人機(jī)上的“蘑菇頭”就是自動(dòng)避障模塊，該避障模塊可以實(shí)現(xiàn)在6m有效避障距離內(nèi)，以每秒50次的速率實(shí)現(xiàn)360°全方位掃描。

　　Xplorer 2自動(dòng)避障模塊

　　2、昊翔Typhoon H：Realsense（單目+結(jié)構(gòu)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計(jì)算出 3D 圖像中的“深度”信息。通過配有深度傳感器和全1080p彩色鏡頭，能夠精確識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作、面部特征、前景和背景，進(jìn)而讓設(shè)備理解人的動(dòng)作和情感。據(jù) Intel方面對(duì)外透露的數(shù)據(jù)，Realsense的有效測(cè)距可達(dá)10米。

　　Realsense屬于“單目+結(jié)構(gòu)光”，即單個(gè)攝像頭加結(jié)構(gòu)光 發(fā)射器構(gòu)成深度攝像頭。不過結(jié)構(gòu)光卻是個(gè)“見光死”，“結(jié)構(gòu)光只適合暗環(huán)境、室內(nèi)。為啥intel弄個(gè)仿熱帶雨林的暗環(huán)境？因?yàn)闀?huì)受到干擾??！”雷動(dòng)云合 創(chuàng)始人廖鴻宇說，由于將3D深度攝像頭改為2D深度攝像頭，其“單目+結(jié)構(gòu)光”的智能導(dǎo)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+超聲波

　　雙目的測(cè)距原理，就像我們?nèi)祟惖膬蓚€(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，而通過三角測(cè)距是可以測(cè)出這個(gè)點(diǎn)的距離。

　　雙目視覺系統(tǒng)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(shí)別最近0.7米，最遠(yuǎn)15米的障礙物；水平視角 60°，垂直視角為30°。雙目視覺的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，在遠(yuǎn)距離，雙目視覺能保證三維精準(zhǔn)信息，比如遠(yuǎn)處的兩座山能看出一個(gè)近一個(gè)遠(yuǎn)。當(dāng)然，遠(yuǎn)處的小目標(biāo)是不可以的。

　　Phantom 4 下視視覺定位模塊

　　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?yàn)樗麄兊亩鄶?shù)植保作業(yè)是在夜間進(jìn)行。其實(shí)他們實(shí)現(xiàn)夜間避障的原理并不復(fù)雜。

　　先說避障原理，向前避障是雙目避障，它利用成像設(shè)備的兩只眼睛來獲取被測(cè) 物體的兩幅圖像，通過計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差來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(jì)算機(jī)視覺的一種重要形式，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)單來說就是加了一個(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(xiàn)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，也就意味著不僅能看見可見光，還能看見人眼也看不見的紅外線。

　　（中間長(zhǎng)條裝為發(fā)射，兩側(cè)為接收）

　　無人機(jī)會(huì)主動(dòng)發(fā)射近紅外線光線，近紅外光是介于可見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)境中的紅外線的反饋，經(jīng)過雙目計(jì)算后（和白天的計(jì)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(dāng)中運(yùn)用很早，在美、德等國(guó)二戰(zhàn)期間，第一代的主動(dòng)紅外探測(cè)裝置用在了戰(zhàn)場(chǎng)上，通過自帶的光源設(shè)備主動(dòng)產(chǎn)生近紅外輻射照射目標(biāo)區(qū)域，然后接收目標(biāo)返回的紅外信號(hào)，轉(zhuǎn)換為可視圖像進(jìn)行觀察分析。例如德國(guó)研制的車載主動(dòng)紅外夜視儀可用于夜間無燈光條件下隱蔽行進(jìn)，并通過這種手段避開同盟國(guó)的監(jiān)視，秘密地把 V-2 導(dǎo)彈運(yùn)送到前線。

　　而說到這里，目前所有的民用無人機(jī)都不能在夜間或者說光線不好的情況下避障嗎？其實(shí)不然，我們可以看看那些本來見光死的避障無人機(jī)，在晚上是不是能夠活過來。

　　5、美國(guó)俄亥俄州的公司Oculii：四維雷達(dá)技術(shù)

　　傳統(tǒng)的民用雷達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。舉例來說，現(xiàn)在的民用雷達(dá)都無法測(cè)量車子的高度，而這對(duì)于無人駕駛、無人機(jī)等方面的應(yīng)用就有很大的局限性。位于美國(guó)俄亥俄州的公司Oculii，開發(fā)了世界上第一個(gè)可以商用的四維雷達(dá)，使得無人機(jī)在三維空間，獲取上下左右的空間信息。

　　小結(jié)：未來無人機(jī)不只會(huì)采取單一技術(shù)實(shí)現(xiàn)避障功能，可能會(huì)采取多種避障技術(shù)集成的手段來實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景下的避障。