3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網: ．無人機避障的技術實現方式

(Mavic Pro) 啟用自動跟隨.自動避障與無人機躲貓貓

來源：雷锋网作者：大疆黑板报

近年來無人機市場飛速成長，避障技術作為增加無人機安全飛行的保障，也隨著技術的發展日新月異。無人機在飛行過程中，透過其感測器收集周邊環境的資訊，測量距離從而做出相對應的動作指令，從而達到「避障」的作用。

目前，無人機的避障技術中最為常見的是紅外線感測器、超音波感測器、雷射感測器，以及視覺感測器。

紅外線避障：

紅外線的應用我們並不陌生：從電視、空調的遙控器，到飯店的自動門，都是利用的紅外線的感應原理。而具體到無人機避障上的應用，紅外線避障的常見實現方式，就是「三角測量原理」。

紅外線感應器包含紅外線發射器與CCD檢測器，紅外線發射器會發射紅外線，紅外線在物體上會發生反射，反射的光線被CCD檢測器接收之後，由於物體的距離D不同，反射角度也會不同，不同的反射角度，會產生不同的偏移值L，知道了這些資料再經過計算，就能得出物體的距離了，如下圖所示。

超音波避障：

超音波其實就是聲波的一種，因為頻率高於20kHz，所以人耳聽不見，並且指向性更強。

超音波測距的原理，比紅外線更加簡單，因為聲波遇到障礙物會反射，而聲波的速度已知，所以只需要知道發射到接收的時間差，就能輕鬆計算出測量距離，再結合發射器和接收器的距離，就能算出障礙物的實際距離，如下圖所示。

超音波測距相比紅外測距，價格更加便宜，相應的感應速度和精度也遜色一些。同樣，由於需要主動發射聲波，所以對於太遠的障礙物，精度也會隨著聲波的衰減而降低，此外，對於海綿等吸收聲波的物體，或者在大風乾擾的情況下，超音波將無法工作。

雷射避障：

雷射避障與紅外線類似，也是發射雷射然後接收。不過雷射感測器的測量方式很多樣，有類似紅外線的三角測量，也有類似於超音波的時間差+速度。

但無論是哪種方式，雷射避障的精度、回饋速度、抗干擾能力和有效範圍，都要明顯優於紅外線和超音波。

但這裡注意，不管是超音波還是紅外線、亦或是這裡的雷射測距，都只是一維感測器，只能給出一個距離值，並不能完成對現實三維世界的感知。當然，由於雷射的波束極窄，可以同時使用多束雷射組成陣列雷達，近年來此技術逐漸成熟，多用於自動駕駛車輛上，但由於其體積龐大，價格昂貴，故不太適用於無人機。

視覺避障：

解決機器人如何「看」的問題，也就是大家常聽到的電腦視覺(Computer Vision)。其基礎在於如何能夠從二維的影象中，獲取三維資訊，從而瞭解我們身處的這個三維世界。

視覺辨識系統通常來說，可以包括一個或兩個攝影機。單一的照片只具有二維資訊，猶如2D電影，並無直接的空間感，只有靠我們自己依靠「物體遮擋、近大遠小」等生活經驗腦補。

故單一的攝影機獲取到的資訊及其有限，並不能直接得到我們想要的效果(當然能夠透過一些其他手段，輔助獲取，但是此項還不成熟，並沒有大規模驗證)。類比到機器視覺中，單個攝影機的圖片資訊，無法獲取到場景中，每個物體與鏡頭的距離關係，即缺少第三個維度。

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，猶如3D電影(左右眼看到的場景略有差異)，能夠直接給人帶來強烈的空間臨場感。類比機器視覺，從單個攝影機升級到兩個攝影機，即立體視覺(Stereo Vision)能夠直接提供第三個維度的資訊，即景深(depth)，能夠更為簡單的獲取到三維資訊。

雙目視覺最常見的例子，就是我們的雙眼：我們之所以能夠準確的拿起面前的杯子、判斷汽車的遠近，都是因為雙眼的雙目立體視覺，而3D電影、VR眼鏡的發明，也都是雙目視覺的應用。

雙目視覺的基本原理，是利用兩個平行的攝影機進行拍攝，然後根據兩幅影象之間的差異(視差)，利用一系列複雜的演算法，計算出特定點的距離，當資料足夠時還能生成深度圖。

為什麼雙目視覺能夠在無人機應用中脫穎而出?

其實，各個避障技術在無人機上，都有用武之地，只是應用場景有所不同，特別對於前視避障而言，有些技術就不適用了。

紅外線和超音波技術，因為都需要主動發射光線、聲波，所以對於反射的物體有要求，比如：紅外線會被黑色物體吸收，會穿透透明物體，還會被其他紅外線干擾；而超音波會被海綿等物體吸收，也容易被槳葉氣流干擾。

而且，主動式測距還會產生兩台機器相互干擾的問題。相比之下，雖然雙目視覺也對光線有要求，但是對於反射物的要求要低很多，兩台機器同時使用，也不會互相干擾，普適性更強。

最重要的是，常見的紅外線和超音波目前都是單點測距，只能獲得特定方向上的距離資料，而雙目視覺可以在小體積、低功耗的前提下，獲得眼前場景的比較高解析度的深度圖，這就讓避障功能，有了更多的發展空間，比如避障之後的智慧飛行、路徑規劃等。

雷射技術雖然也能實現類似雙目視覺的功能，但是受限於技術發展，目前的雷射元件普遍價格貴、體積大、功耗高，應用在消費級無人機上，既不經濟也不實用。

所以各方比較之下，價效比高、原理簡單、前景廣闊、普遍適用的雙目視覺就這樣脫穎而出了。

在這一點上，精靈4Pro上的五向避障，可以說是大疆無人機避障技術的集中體現，因此我們以精靈4Pro舉例說明。

P4P前後的避障，都採用了雙目視覺系統，相比精靈4而言，僅雙目視覺部分的資料量就翻了一倍。向下採用雙目視覺+超音波的組合避障，以提高在不同環境中，飛行的穩定性和安全性。而飛行器左右的避障，則採用了紅外線避障。

視覺里程計

值得一提的是，其中下視的雙目運用了視覺里程計(VO)的技術。

深度| 視覺里程計---推導公式來了-科技頻道-手機搜狐

視覺里程計簡單來說，就是「透過左右雙目的影像，反推出視野中物體的三維位置」，所以相比光流+超音波技術，只能簡單的測出速度和高度，視覺里程計還能建構地面的三維模型，並透過連續的影像，跟蹤自身與環境的相對移動，估計出自身的運動。準確測出自身與地面的相對位置。

雖然視覺里程計的資料處理量，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GPS的室內，也能對自身位置有清晰的掌控，從而實現穩定的懸停，並且不會出現掉高等現象。

有了視覺里程計，再結合前後立體視覺的地圖重構，無人機就同時掌握了障礙物的位置，和機器自身的位置，這時再驅動電機進行繞行就顯得易如反掌了，一個完整的避障功能，就是這麼實現的。

Formation Flight of Swarms of Autonomous Vehicles in Obstructed ...

Flight Autonomy系統

精靈4Pro的五向避障並非各自獨立，前後視的雙目視覺、下視雙目+超音波，和左右紅外線避障，共同構成了大疆的FlightAutonomy系統，這個系統賦予了精靈4Pro，對三維環境的記憶能力，前後雙目+下視雙目，能夠即時對周圍的地形進行建構和記錄(Mapping)，具體而言分為區域性地圖(Local Mapping)和全域性地圖(Global Mapping)。

區域性地圖，讓無人機能夠建構並記住，周圍幾十米內的三維環境，從而實現「指點飛行」等功能，因為僅僅知道飛行方向和機身位置，肯定是不夠的，只有對周圍地形變化有記憶能力，才能完成「在指定方向上規劃線路並繞行」，這樣級別的任務。

而全域性地圖，則是對整個飛行過程中，經過的地形的記錄，雖然精度不如區域性地圖，卻能幫助無人機實現「智慧返航」等功能：當無人機一不小心飛到了建築物後面，導致遙控訊號丟失時，智慧返航功能能夠讓無人機，在一分鐘內沿原路返航，如果一分鐘內不能連上遙控器訊號，則會直線返航。這其中對飛行路徑周圍環境的記憶，就是精靈4Pro智慧之處的另一個體現。

實現的難點

避障功能從構思到實現，走的每一步幾乎都便隨著無數的難題。僅僅是寫出有效的視覺辨識，或者地圖重構的演算法，還只是第一步。能讓它在無人機這樣一個計算能力，和功耗都有限制的平台上，流暢穩定的跑起來，才是真正困難的地方。特別是在精靈4Pro上，不僅雙目視覺的資料量，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問題，比如雙目視覺在視線良好的情況下可以工作，那麼當有灰塵遮擋的情況下呢？這就需要不斷的實驗和試錯，並且持續的優化演算法，保證各項功能，在各類場景下都能正常工作，不會給出錯誤的指令。

「避障功能」作為近年來無人機產品的大趨勢，帶來的最直接的好處就是，以往一些人為疏忽造成的撞擊，現在都能經由避障功能去避免，既保障了無人機飛行安全的同時，也避免了對周圍人員財產的損害，讓飛無人機的門檻進一步得到了降低。