近年來(lái)無(wú)人機市場(chǎng)飛速增長(cháng)，避障技術(shù)作為增加無(wú)人機安全飛行的保障也隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展日新月異。無(wú)人機在飛行過(guò)程中，通過(guò)其傳感器收集周邊環(huán)境的信息，測量距離從而做出相對應的動(dòng)作指令，從而達到「避障」的作用。

目前，無(wú)人機的避障技術(shù)中最為常見(jiàn)的是紅外線(xiàn)傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器以及視覺(jué)傳感器。那為什么大疆的前視避障首先選擇了雙目視覺(jué)呢？這就要從各個(gè)技術(shù)的原理說(shuō)起了。

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發(fā)射器與CCD檢測器，紅外線(xiàn)發(fā)射器會(huì )發(fā)射紅外線(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，所以只需要知道發(fā)射到接收的時(shí)間差，就能輕松計算出測量距離，再結合發(fā)射器和接收器的距離，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)發(fā)射聲波，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，也是發(fā)射激光然后接收。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。

為什么雙目視覺(jué)能夠在無(wú)人機應用中脫穎而出？

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)發(fā)射光線(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。

所以各方比較之下，性?xún)r(jià)比高、原理簡(jiǎn)單、前景廣闊、普遍適用的雙目視覺(jué)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(shuō)是大疆無(wú)人機避障技術(shù)的集中體現，因此我們以精靈4Pro舉例說(shuō)明。P4P前后的避障都采用了雙目視覺(jué)系統，相比精靈4而言，僅雙目視覺(jué)部分的數據量就翻了一倍。向下采用雙目視覺(jué)+超聲波的組合避障，以提高在不同環(huán)境中飛行的穩定性和安全性。而飛行器左右的避障則采用了紅外線(xiàn)避障。

視覺(jué)里程計

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

視覺(jué)里程計簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是「通過(guò)左右雙目的圖像，反推出視野中物體的三維位置」，所以相比光流+超聲波技術(shù)只能簡(jiǎn)單的測出速度和高度，視覺(jué)里程計還能構建地面的三維模型，并通過(guò)連續的圖像，跟蹤自身與環(huán)境的相對移動(dòng)，估計出自身的運動(dòng)。準確測出自身與地面的相對位置。

雖然視覺(jué)里程計的數據處理量是光流法的數倍不止，但正是因為它的引入，使得精靈4和精靈4Pro在無(wú)GPS的室內也能對自身位置有清晰的掌控，從而實(shí)現穩定的懸停并且不會(huì )出現掉高等現象。

有了視覺(jué)里程計，再結合前后立體視覺(jué)的地圖重構，無(wú)人機就同時(shí)掌握了障礙物的位置和機器自身的位置，這時(shí)再驅動(dòng)電機進(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)現的。

Flight Autonomy系統

精靈4Pro的五向避障并非各自獨立，前后視的雙目視覺(jué)、下視雙目+超聲波和左右紅外避障共同構成了大疆的FlightAutonomy系統，這個(gè)系統賦予了精靈4Pro對三維環(huán)境的記憶能力，前后雙目+下視雙目能夠實(shí)時(shí)對周?chē)牡匦芜M(jìn)行構建和記錄（Mapping），具體而言分為局部地圖（Local Mapping）和全局地圖（Global Mapping）。

局部地圖讓無(wú)人機能夠構建并記住周?chē)鷰资變鹊娜S環(huán)境，從而實(shí)現「指點(diǎn)飛行」等功能，因為僅僅知道飛行方向和機身位置肯定是不夠的，只有對周?chē)匦巫兓杏洃浤芰?，才能完成「在指定方向上規劃線(xiàn)路并繞行」這樣級別的任務(wù)。

而全局地圖則是對整個(gè)飛行過(guò)程中經(jīng)過(guò)的地形的記錄，雖然精度不如局部地圖，卻能幫助無(wú)人機實(shí)現「智能返航」等功能：當無(wú)人機一不小心飛到了建筑物后面導致遙控信號丟失時(shí)，智能返航功能能夠讓無(wú)人機在一分鐘內沿原路返航，如果一分鐘內不能連上遙控器信號，則會(huì )直線(xiàn)返航。這其中對飛行路徑周?chē)h(huán)境的記憶，就是精靈4Pro智能之處的另一個(gè)體現。

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。特別是在精靈4Pro上，不僅雙目視覺(jué)的數據量相比精靈4直接翻了一倍，還要保證續航不受影響，這是非常困難的。

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。






推薦閱讀：
怎么理解電磁爐中電容式觸控的原理？看完文章恍然大悟 
藍牙OTA測試系統，遭遇破解無(wú)線(xiàn)性能的驗證難題？ 
有機憶阻器，離顛覆存儲器市場(chǎng)還有多遠？ 
噴墨式太陽(yáng)能電池板把 T 恤、窗簾都變成電力源