盤點無人機避障技術原理及廠商

　　什麼是無人機避障技術？

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/367635.htm

　　顧名思義就是無人機自主躲避障礙物的智能技術。很多玩過無人機的小夥伴們 都知道，有避障功能的無人機和沒有避障功能的無人機，可以說體驗是大不相同的！無人機自動避障系統能夠及時地避開飛行路徑中的障礙物，極大地減少因為操作失誤而帶來的各項損失。在減少炸機事故次數的同時，還能給無人機新手極大的幫助！

　　無人機避障技術發展階段和趨勢

　　根據目前無人機避障技術的發展以及其未來的研究態勢，有資料分析認為無人機避障技術可分為三個階段，一是感知障礙物階段；二是繞過障礙物階段；三是場景建模 和路徑搜索階段。這三個階段其實是無人機避障技術的作用過程。從無人機發現障礙物，到可以自動繞開障礙物，再達到自我規劃路徑的過程。

　　可能有人會問無人機達到第一個「發現障礙物」的階段不就很容易避開障礙物了？這第二個階段是不是有些多餘！其實不然，無人機避障的三個階段的劃分都是有技術作為依據的。其每個階段具體的技術分析如下：

　　第一階段，無人機只能是簡單地感知障礙物。當無人機遇到障礙物時，能快速地識別，並且懸停下來，等待無人機駕駛者的下一步指令！

　　第二階段，無人機能夠獲取障礙物的深度圖象，並由此精確感知障礙物的具體輪廓，然後自主繞開障礙物！這個階段是擺脫飛手操作，實現無人機自主駕駛的階段！

　　第三階段，無人機能夠對飛行區域建立地圖模型然後規劃合理線路！這個地圖不能僅僅是機械平面模型，而應該是一個能夠實時更新的三維立體地圖！這將是目前無人機避障技術的最高階段！

　　目前，市面上主流的電動多旋翼無人機避障系統主要有三種，分別是超聲波、TOF（雷射雷達測距的一種）以及正有望成為主流的視覺測距。以下是國內外無人機避障技術最新應用案例。

　　1、零度Xplorer 2：雷射雷達TOF測距

　　TOF是TIme of flight的簡寫，直譯為飛行時間。所謂飛行時間法3D成像，是通過給目標連續發送光脈衝，然後用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈衝的飛行（往返）時間來得到目標物距離。

　　使用這種方式光波容易受到幹擾，系統發出的光，必須避開太陽光的主要能量波段，從而避免太陽光的直射、反射等對避障系統造成幹擾。該原理需要非常精準的時間測量，需要專用處理晶片，而晶片價格則較為高昂。

　　零度在CES2016上發布的Xplorer 2，採用的便是TOF測距方案。無人機上的「蘑菇頭」就是自動避障模塊，該避障模塊可以實現在6m有效避障距離內，以每秒50次的速率實現360°全方位掃描。

　　Xplorer 2自動避障模塊

　　2、昊翔Typhoon H：Realsense（單目+結構光）

　　Realsense 的技術原理是，它採用了「主動立體成像原理」，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，然後用三角定位原理來計算出 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，能夠精確識別手勢動作、面部特徵、前景和背景，進而讓設備理解人的動作和情感。據 Intel方面對外透露的數據，Realsense的有效測距可達10米。

　　Realsense屬於「單目+結構光」，即單個攝像頭加結構光 發射器構成深度攝像頭。不過結構光卻是個「見光死」，「結構光只適合暗環境、室內。為啥intel弄個仿熱帶雨林的暗環境？因為會受到幹擾啊！」雷動雲合 創始人廖鴻宇說，由於將3D深度攝像頭改為2D深度攝像頭，其「單目+結構光」的智能導航模塊只需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

　　雙目的測距原理，就像我們人類的兩個眼睛，看到的圖像不一樣，假如同一個點，兩個眼睛看到兩張圖像是存在差異的，而通過三角測距是可以測出這個點的距離。

　　雙目視覺系統原理圖

　　Phantom 4增加了雙目避障，其實是沿用了guidance的核心算法，能夠識別最近0.7米，最遠15米的障礙物；水平視角 60°，垂直視角為30°。雙目視覺的優勢體現在，在遠距離，雙目視覺能保證三維精準信息，比如遠處的兩座山能看出一個近一個遠。當然，遠處的小目標是不可以的。

　　Phantom 4 下視視覺定位模塊

　　4、極飛：夜間避障採用主動近紅外照射技術

　　極飛做夜間避障是因為他們的多數植保作業是在夜間進行。其實他們實現夜間避障的原理並不複雜。

　　先說避障原理，向前避障是雙目避障，它利用成像設備的兩隻眼睛來獲取被測 物體的兩幅圖像，通過計算圖像對應點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。是基於視差原理，是計算機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。參照下面這個有趣圖片。

　　而夜間避障是採用了這個主動近紅外照射技術，簡單來說就是加了一個特殊的手電筒和並改造了眼睛。夜間這個眼睛幾乎看不到（和現有大疆產品一樣），而極飛採用的雙目是由兩個黑白鏡頭組成，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。

　　（中間長條裝為發射，兩側為接收）

　　無人機會主動發射近紅外線光線，近紅外光是介於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，雙目的每一個鏡頭就能接收到環境中的紅外線的反饋，經過雙目計算後（和白天的計算處理相同）就可以「感知」到環境和障礙物了。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°）。

　　其實這個原理並不是極飛所創造，它在軍事當中運用很早，在美、德等國二戰期間，第一代的主動紅外探測裝置用在了戰場上，通過自帶的光源設備主動產生近紅外輻射照射目標區域，然後接收目標返回的紅外信號，轉換為可視圖像進行觀察分析。例如德國研製的車載主動紅外夜視儀可用於夜間無燈光條件下隱蔽行進，並通過這種手段避開同盟國的監視，秘密地把 V-2 飛彈運送到前線。

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

　　5、美國俄亥俄州的公司Oculii：四維雷達技術

　　傳統的民用雷達大多只能提供二維的信息，但是，人們都生活在三維的空間裡，二維信息是遠遠不夠的。舉例來說，現在的民用雷達都無法測量車子的高度，而這對於無人駕駛、無人機等方面的應用就有很大的局限性。位於美國俄亥俄州的公司Oculii，開發了世界上第一個可以商用的四維雷達，使得無人機在三維空間，獲取上下左右的空間信息。

　　小結：未來無人機不只會採取單一技術實現避障功能，可能會採取多種避障技術集成的手段來實現不同場景下的避障。