姓名 符子龍惭嚣，學(xué)號(hào)14020120006

【嵌牛導(dǎo)讀】近年來無人機(jī)市場(chǎng)飛速增長龙屉，避障技術(shù)作為增加無人機(jī)安全飛行的保障也隨著技術(shù)的發(fā)展日新月異造挽。無人機(jī)在飛行過程中辑莫，通過其傳感器收集周邊環(huán)境的信息，測(cè)量距離從而做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令计济，從而達(dá)到避障的作用晴楔。

【嵌牛鼻子】無人機(jī)，大疆峭咒，自動(dòng)避障

【嵌牛提問】無人機(jī)的有幾種避障方式？那種方式更好纪岁，實(shí)現(xiàn)原理是什么凑队？

【嵌牛正文】

目前，無人機(jī)的避障技術(shù)中最為常見的是紅外線傳感器、超聲波傳感器漩氨、激光傳感器以及視覺傳感器西壮。那為什么大疆的前視避障首先選擇了雙目視覺呢?這就要從各個(gè)技術(shù)的原理說起了。

紅外避障：

紅外線的應(yīng)用我們并不陌生：從電視叫惊、空調(diào)的遙控器款青，到酒店的自動(dòng)門，都是利用的紅外線的感應(yīng)原理霍狰。而具體到無人機(jī)避障上的應(yīng)用抡草，紅外線避障的常見實(shí)現(xiàn)方式就是「三角測(cè)量原理」。

紅外感應(yīng)器包含紅外發(fā)射器與CCD檢測(cè)器蔗坯，紅外線發(fā)射器會(huì)發(fā)射紅外線康震，紅外線在物體上會(huì)發(fā)生反射，反射的光線被CCD檢測(cè)器接收之后宾濒，由于物體的距離D不同腿短，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绘梦，知道了這些數(shù)據(jù)再經(jīng)過計(jì)算橘忱，就能得出物體的距離了，如下圖所示。

三角測(cè)量原理圖

超聲波避障：

超聲波其實(shí)就是聲波的一種烂叔，因?yàn)轭l率高于20kHz茬缩，所以人耳聽不見，并且指向性更強(qiáng)敲长。

超聲波測(cè)距的原理比紅外線更加簡單，因?yàn)槁暡ㄓ龅秸系K物會(huì)反射秉继，而聲波的速度已知祈噪，所以只需要知道發(fā)射到接收的時(shí)間差，就能輕松計(jì)算出測(cè)量距離尚辑，再結(jié)合發(fā)射器和接收器的距離辑鲤，就能算出障礙物的實(shí)際距離，如下圖所示杠茬。

超聲波測(cè)距相比紅外測(cè)距月褥，價(jià)格更加便宜，相應(yīng)的感應(yīng)速度和精度也遜色一些瓢喉。同樣宁赤，由于需要主動(dòng)發(fā)射聲波，所以對(duì)于太遠(yuǎn)的障礙物栓票，精度也會(huì)隨著聲波的衰減而降低决左，此外，對(duì)于海綿等吸收聲波的物體或者在大風(fēng)干擾的情況下，超聲波將無法工作佛猛。

激光避障：

激光避障與紅外線類似惑芭，也是發(fā)射激光然后接收。不過激光傳感器的測(cè)量方式很多樣继找，有類似紅外的三角測(cè)量遂跟，也有類似于超聲波的時(shí)間差+速度。

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

但這里注意越败，不管是超聲波還是紅外、亦或是這里的激光測(cè)距硼瓣，都只是一維傳感器究飞，只能給出一個(gè)距離值，并不能完成對(duì)現(xiàn)實(shí)三維世界的感知堂鲤。當(dāng)然亿傅，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(dá)瘟栖，近年來此技術(shù)逐漸成熟葵擎，多用于自動(dòng)駕駛車輛上，但由于其體積龐大半哟，價(jià)格昂貴酬滤，故不太適用于無人機(jī)。

視覺避障：

解決機(jī)器人如何“看”的問題寓涨，也就是大家常聽到的計(jì)算機(jī)視覺(Computer Vision)盯串。其基礎(chǔ)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)三維世界戒良。

視覺識(shí)別系統(tǒng)通常來說可以包括一個(gè)或兩個(gè)攝像頭体捏。單一的照片只具有二維信息，猶如2D電影糯崎，并無直接的空間感几缭，只有靠我們自己依靠“物體遮擋、近大遠(yuǎn)小”等生活經(jīng)驗(yàn)?zāi)X補(bǔ)沃呢。故單一的攝像頭獲取到的信息及其有限年栓，并不能直接得到我們想要的效果(當(dāng)然能夠通過一些其他手段，輔助獲取薄霜，但是此項(xiàng)還不成熟某抓，并沒有大規(guī)模驗(yàn)證)竿刁。類比到機(jī)器視覺中，單個(gè)攝像頭的圖片信息無法獲取到場(chǎng)景中每個(gè)物體與鏡頭的距離關(guān)系搪缨，即缺少第三個(gè)維度。

如下圖所示鸵熟，單一的圖片具有很強(qiáng)的迷惑性和不確定性

雙目立體視覺猶如3D電影(左右眼看到的場(chǎng)景略有差異)副编，能夠直接給人帶來強(qiáng)烈的空間臨場(chǎng)感。類比機(jī)器視覺流强，從單個(gè)攝像頭升級(jí)到兩個(gè)攝像頭痹届，即立體視覺(Stereo Vision)能夠直接提供第三個(gè)維度的信息，即景深(depth)打月，能夠更為簡單的獲取到三維信息队腐。雙目視覺最常見的例子就是我們的雙眼：我們之所以能夠準(zhǔn)確的拿起面前的杯子、判斷汽車的遠(yuǎn)近奏篙，都是因?yàn)殡p眼的雙目立體視覺柴淘，而3D電影、VR眼鏡的發(fā)明秘通，也都是雙目視覺的應(yīng)用为严。

雙目視覺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(jù)兩幅圖像之間的差異(視差)肺稀，利用一系列復(fù)雜的算法計(jì)算出特定點(diǎn)的距離第股，當(dāng)數(shù)據(jù)足夠時(shí)還能生成深度圖。

為什么雙目視覺能夠在無人機(jī)應(yīng)用中脫穎而出?

其實(shí)话原，各個(gè)避障技術(shù)在無人機(jī)上都有用武之地夕吻，只是應(yīng)用場(chǎng)景有所不同，特別對(duì)于前視避障而言繁仁，有些技術(shù)就不適用了涉馅。

紅外和超聲波技術(shù)，因?yàn)槎夹枰鲃?dòng)發(fā)射光線改备、聲波控漠，所以對(duì)于反射的物體有要求，比如：紅外線會(huì)被黑色物體吸收悬钳，會(huì)穿透透明物體盐捷，還會(huì)被其他紅外線干擾;而超聲波會(huì)被海綿等物體吸收，也容易被槳葉氣流干擾默勾。

而且碉渡，主動(dòng)式測(cè)距還會(huì)產(chǎn)生兩臺(tái)機(jī)器相互干擾的問題。相比之下母剥，雖然雙目視覺也對(duì)光線有要求滞诺，但是對(duì)于反射物的要求要低很多形导，兩臺(tái)機(jī)器同時(shí)使用也不會(huì)互相干擾，普適性更強(qiáng)习霹。

最重要的是朵耕，常見的紅外和超聲波目前都是單點(diǎn)測(cè)距，只能獲得特定方向上的距離數(shù)據(jù)淋叶，而雙目視覺可以在小體積阎曹、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煞檩，這就讓避障功能有了更多的發(fā)展空間处嫌，比如避障之后的智能飛行、路徑規(guī)劃等斟湃。

激光技術(shù)雖然也能實(shí)現(xiàn)類似雙目視覺的功能熏迹，但是受限于技術(shù)發(fā)展，目前的激光元件普遍價(jià)格貴凝赛、體積大注暗、功耗高，應(yīng)用在消費(fèi)級(jí)無人機(jī)上既不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)用哄酝。

所以各方比較之下友存，性價(jià)比高、原理簡單陶衅、前景廣闊屡立、普遍適用的雙目視覺就這樣脫穎而出了。

精靈4Pro上的五向避障

精靈4Pro上的五向避障可以說是大疆無人機(jī)避障技術(shù)的集中體現(xiàn)搀军，因此我們以精靈4Pro舉例說明膨俐。P4P前后的避障都采用了雙目視覺系統(tǒng)，相比精靈4而言罩句，僅雙目視覺部分的數(shù)據(jù)量就翻了一倍焚刺。向下采用雙目視覺+超聲波的組合避障，以提高在不同環(huán)境中飛行的穩(wěn)定性和安全性门烂。而飛行器左右的避障則采用了紅外線避障乳愉。

視覺里程計(jì)

值得一提的是，其中下視的雙目運(yùn)用了視覺里程計(jì)(VO)的技術(shù)屯远。

視覺里程計(jì)簡單來說蔓姚，就是「通過左右雙目的圖像，反推出視野中物體的三維位置」慨丐，所以相比光流+超聲波技術(shù)只能簡單的測(cè)出速度和高度坡脐，視覺里程計(jì)還能構(gòu)建地面的三維模型，并通過連續(xù)的圖像房揭，跟蹤自身與環(huán)境的相對(duì)移動(dòng)备闲，估計(jì)出自身的運(yùn)動(dòng)晌端。準(zhǔn)確測(cè)出自身與地面的相對(duì)位置。

雖然視覺里程計(jì)的數(shù)據(jù)處理量是光流法的數(shù)倍不止恬砂，但正是因?yàn)樗囊脒志溃沟镁`4和精靈4Pro在無GPS的室內(nèi)也能對(duì)自身位置有清晰的掌控，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸停并且不會(huì)出現(xiàn)掉高等現(xiàn)象泻骤。

有了視覺里程計(jì)惧盹，再結(jié)合前后立體視覺的地圖重構(gòu)，無人機(jī)就同時(shí)掌握了障礙物的位置和機(jī)器自身的位置瞪讼，這時(shí)再驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行繞行就顯得易如反掌了，一個(gè)完整的避障功能就是這么實(shí)現(xiàn)的粹断。

Flight Autonomy系統(tǒng)

精靈4Pro的五向避障并非各自獨(dú)立符欠，前后視的雙目視覺、下視雙目+超聲波和左右紅外避障共同構(gòu)成了大疆的FlightAutonomy系統(tǒng)瓶埋，這個(gè)系統(tǒng)賦予了精靈4Pro對(duì)三維環(huán)境的記憶能力希柿，前后雙目+下視雙目能夠?qū)崟r(shí)對(duì)周圍的地形進(jìn)行構(gòu)建和記錄(Mapping)，具體而言分為局部地圖(Local Mapping)和全局地圖(Global Mapping)养筒。

局部地圖讓無人機(jī)能夠構(gòu)建并記住周圍幾十米內(nèi)的三維環(huán)境曾撤，從而實(shí)現(xiàn)「指點(diǎn)飛行」等功能，因?yàn)閮H僅知道飛行方向和機(jī)身位置肯定是不夠的晕粪，只有對(duì)周圍地形變化有記憶能力挤悉，才能完成「在指定方向上規(guī)劃線路并繞行」這樣級(jí)別的任務(wù)。

而全局地圖則是對(duì)整個(gè)飛行過程中經(jīng)過的地形的記錄巫湘，雖然精度不如局部地圖装悲，卻能幫助無人機(jī)實(shí)現(xiàn)智能返航等功能：當(dāng)無人機(jī)一不小心飛到了建筑物后面導(dǎo)致遙控信號(hào)丟失時(shí)，智能返航功能能夠讓無人機(jī)在一分鐘內(nèi)沿原路返航尚氛，如果一分鐘內(nèi)不能連上遙控器信號(hào)诀诊，則會(huì)直線返航。這其中對(duì)飛行路徑周圍環(huán)境的記憶阅嘶，就是精靈4Pro智能之處的另一個(gè)體現(xiàn)属瓣。

實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)

避障功能從構(gòu)思到實(shí)現(xiàn)，走的每一步幾乎都便隨著無數(shù)的難題讯柔。僅僅是寫出有效的視覺識(shí)別或者地圖重構(gòu)的算法還只是第一步抡蛙，能讓它在無人機(jī)這樣一個(gè)計(jì)算能力和功耗都有限制的平臺(tái)上流暢穩(wěn)定的跑起來，才是真正困難的地方磷杏。特別是在精靈4Pro上溜畅，不僅雙目視覺的數(shù)據(jù)量相比精靈4直接翻了一倍，還要保證續(xù)航不受影響极祸，這是非常困難的慈格。

此外怠晴，如何處理功能的邊界也是一個(gè)問題，比如雙目視覺在視線良好的情況下可以工作浴捆，那么當(dāng)有灰塵遮擋的情況下呢?這就需要不斷的實(shí)驗(yàn)和試錯(cuò)蒜田，并且持續(xù)的優(yōu)化算法，保證各項(xiàng)功能在各類場(chǎng)景下都能正常工作选泻，不會(huì)給出錯(cuò)誤的指令冲粤。

避障功能作為近年來無人機(jī)產(chǎn)品的大趨勢(shì)，帶來的最直接的好處就是页眯，以往一些人為疏忽造成的撞擊梯捕，現(xiàn)在都能經(jīng)由避障功能去避免，既保障了無人機(jī)飛行安全的同時(shí)窝撵，也避免了對(duì)周圍人員財(cái)產(chǎn)的損害傀顾，讓飛無人機(jī)的門檻進(jìn)一步得到了降低。

而長遠(yuǎn)來看碌奉，無人機(jī)想要普及到農(nóng)業(yè)短曾、建筑、運(yùn)輸赐劣、媒體等領(lǐng)域嫉拐，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魁兼，才有余量去滿足不同行業(yè)的需求婉徘。如今由避障功能而衍生出的一系列智能飛行功能，無疑就是無人機(jī)智能化的階段性體現(xiàn)之一咐汞。