自動(dòng)避障 備受期待的無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)

未到新年，臺(tái)灣高雄發(fā)生里氏6.4級(jí)大地震。臺(tái)南地區(qū)多棟大樓倒塌，116人遇難，550人受傷。

地震發(fā)生10小時(shí)內(nèi)，臺(tái)灣成功大學(xué)就利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍制作了受災(zāi)區(qū)域的3D模型。虛擬現(xiàn)實(shí)模式下圖像的分辨率看起來(lái)明顯更高。因此這也將使得災(zāi)害評(píng)估檢測(cè)工作變得更為直觀(guān)，有助于之后救災(zāi)活動(dòng)的開(kāi)展。

近幾年，隨著技術(shù)的進(jìn)步與成熟，無(wú)人機(jī)越來(lái)越多的被應(yīng)用于各個(gè)場(chǎng)景中，航拍、勘察、安檢、快遞等。而價(jià)格的下降，讓更多普通消費(fèi)者能夠接觸到之前看起來(lái)高大上的無(wú)人機(jī)，如無(wú)人機(jī)干擾春晚西安分會(huì)場(chǎng)。

隨著無(wú)人機(jī)民用化的持續(xù)加速，面對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)景和成本控制的要求，越來(lái)越多的技術(shù)制肘被暴漏出來(lái)，如：續(xù)航、避障。由于民用無(wú)人機(jī)基本都是電力驅(qū)動(dòng)，因此目前制約無(wú)人機(jī)續(xù)航的最大關(guān)鍵因素就是電池技術(shù)。目前雖然有大量電池新技術(shù)，但大部分要么是小改進(jìn)，要么就是尚不成熟。至于避障，雖然目前也尚無(wú)殺手級(jí)技術(shù)，但已經(jīng)呈現(xiàn)出百花齊放的狀態(tài)，令人鼓舞。

在無(wú)人機(jī)商業(yè)化使用越來(lái)越頻繁的今天，避障技術(shù)如有突破，無(wú)疑將為無(wú)人機(jī)更大規(guī)模的商用創(chuàng)造必要條件。

概念：所謂無(wú)人機(jī)“自動(dòng)避障”功能(ObstacleAvoidance)，就是無(wú)人機(jī)飛行器在自動(dòng)飛行的過(guò)程中遇到障礙物的時(shí)候，通過(guò)自動(dòng)提前識(shí)別、有效規(guī)避障礙物，達(dá)到安全飛行的效果。

分類(lèi)：主要分為雷達(dá)系統(tǒng)、超聲波聲吶技術(shù)、TOF(飛行時(shí)間技術(shù))、視覺(jué)圖像復(fù)合型技術(shù)。

下面就四種不同的避障技術(shù)做一番介紹：

雷達(dá)系統(tǒng)：說(shuō)起雷達(dá)系統(tǒng)，大家最先想到的肯定是軍用大飛機(jī)。的確，由于雷達(dá)系統(tǒng)的高昂價(jià)格和笨重的體積，尚無(wú)民用級(jí)無(wú)人機(jī)使用此技術(shù)。

一般的大型固定翼無(wú)人機(jī)采用的就是類(lèi)似于民用客機(jī)上的ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)搭配雷達(dá)工作。讀起來(lái)很是拗口，所謂ADS-B簡(jiǎn)單說(shuō)就是使飛機(jī)能夠利用衛(wèi)星導(dǎo)航確定自身的位置并對(duì)外自動(dòng)發(fā)送包括高度、速度、方向、呼叫代碼和飛機(jī)類(lèi)型在內(nèi)的信息。ADS-B的優(yōu)勢(shì)還在于它能夠幫助飛機(jī)連續(xù)下降，從而降低燃料消耗和噪音、機(jī)組人員可在飛機(jī)顯示屏上實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)到自身與其它飛機(jī)的距離，而且能夠在連續(xù)下降過(guò)程中脫離交通管制的協(xié)助，這也將有助于減少定向問(wèn)題。種種功能，讓操控者或飛行計(jì)算機(jī)及時(shí)掌握飛機(jī)的位置并做出相應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng)，因此具備了避障能力。

超聲波聲吶技術(shù)：超聲波聲吶技術(shù)成本低，操作方便，目前很多無(wú)人機(jī)額的避障技術(shù)都來(lái)源于它。它的原理相信大家在初中就已經(jīng)接觸過(guò)：蝙蝠通過(guò)其口腔中的特殊構(gòu)造來(lái)發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙或者獵物時(shí)就會(huì)被發(fā)射回蝙蝠的聽(tīng)覺(jué)接受系統(tǒng)。依靠這種測(cè)距的方法辨別障礙，規(guī)劃路線(xiàn)。

然而超聲波技術(shù)也有自己的弊端，比如：①在部分場(chǎng)景也會(huì)受到聲波的影響。②超聲波避障依賴(lài)于物體表面的發(fā)射能力。當(dāng)遭遇反射能力不足的物體時(shí)，避障系統(tǒng)的安全性就會(huì)極大降低。超聲波的有效距離是5米，這也是為什么零度Explorer2無(wú)人機(jī)距離只有6米的原因。

TOF(飛行時(shí)間技術(shù))：TOF類(lèi)似于超聲波技術(shù)，不過(guò)在這里，超聲波換成了光，因此可以稱(chēng)之為光相位檢測(cè)。在去年7月創(chuàng)新者峰會(huì)上，首度演示無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障功能，采用的就是無(wú)人機(jī)TOF避障系統(tǒng)。

無(wú)人機(jī)懸空時(shí)，TOF系統(tǒng)會(huì)保持每秒鐘旋轉(zhuǎn)2-5圈的狀態(tài)。通過(guò)這一秒時(shí)間，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)就可以快速掃描周?chē)?60°的有效半徑，及時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙，然后對(duì)飛控系統(tǒng)發(fā)出調(diào)整位置的指令，避免對(duì)周?chē)娜嘶蜇?cái)物造成傷害;當(dāng)飛行的過(guò)程中，TOF系統(tǒng)則會(huì)停止旋轉(zhuǎn)，只會(huì)向前方發(fā)射出光線(xiàn)。而飛行方向一旦確定，在室外的有效距離就可以增加到8-10米。

同超聲波技術(shù)相似，TOF也有不足。例如在光污染越來(lái)越劇烈的今天，不但高樓之間的玻璃光無(wú)人會(huì)干擾系統(tǒng)，就是遭遇太陽(yáng)光的主要能量波段，也會(huì)使TOF暴漏不足，正常的10米左右的測(cè)量距離也會(huì)減少至5米。

視覺(jué)圖像復(fù)合型技術(shù)：視覺(jué)圖像復(fù)合型技術(shù)隨著移動(dòng)芯片的運(yùn)算能力的飛躍而越來(lái)越成為無(wú)人機(jī)避障首選。通過(guò)高清攝像機(jī)拍攝幀速足夠高、清晰、分辨率高的圖像，借助一顆足夠小而性能強(qiáng)大的處理器，分析每一幀圖像中是否存在障礙物。

大疆在去年6月推出的智能避障系統(tǒng)“Guidance”就是基于此項(xiàng)技術(shù)而開(kāi)發(fā)的。在Guidance系統(tǒng)的前后左右下五個(gè)方向都有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行障礙識(shí)別的攝像頭，設(shè)別機(jī)制也有超聲波和圖像視覺(jué)兩種。

麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室也通過(guò)此技術(shù)探索避障技術(shù)，不過(guò)他們是通過(guò)2塊手機(jī)芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理后，尋找出可以飛行的自由空間，而不是識(shí)別障礙物后再進(jìn)行躲避。可以說(shuō)是非常主動(dòng)的一種方法。但是，這款無(wú)人機(jī)只能處理幾秒鐘內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)，而不是會(huì)生成一個(gè)完整的區(qū)域地圖，畢竟現(xiàn)有手機(jī)芯片的處理能力還很有限。

視覺(jué)圖像復(fù)合型技術(shù)給人的激勵(lì)不言而喻，但他也面臨著挑戰(zhàn)，如弱光或者黑夜條件下，通過(guò)圖像識(shí)別障礙物的能力就會(huì)大幅度下降。呃，原諒人類(lèi)的眼光就是這么苛刻，畢竟這是目前最接近人類(lèi)理想狀態(tài)下無(wú)人機(jī)避障的技術(shù)。

四種不同的解決方案，都面臨著不同的挑戰(zhàn)，也有各自突出的優(yōu)勢(shì)。但人類(lèi)進(jìn)步的步伐豈止會(huì)停留于此?

RealSense技術(shù)：微軟和英特爾聯(lián)合開(kāi)發(fā)的RealSense3D攝像頭，利用自身的紅外發(fā)射器向目標(biāo)物 “主動(dòng)打光”，通過(guò)捕捉和定位光的扭曲變化自動(dòng)計(jì)算并構(gòu)建出覆蓋區(qū)域內(nèi)的三維模型，并借助自身的處理器完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整合、借助搭載設(shè)備的處理器進(jìn)行更復(fù)雜的操作，從而自動(dòng)調(diào)整自身以避開(kāi)障礙物。

這架6軸飛行器就是Intel聯(lián)合Yunnec研發(fā)的搭載RealSense技術(shù)的樣品機(jī)，可以看到其在普通的無(wú)人機(jī)頂上添加了一個(gè)六角形的探測(cè)單元，仔細(xì)看可以發(fā)現(xiàn)是由6套R(shí)ealSense組成，形成了一個(gè)360度的探測(cè)角度。

RealSense本質(zhì)上也是類(lèi)似于Kinect的紅外結(jié)構(gòu)光投影的方案。所不同的是，RealSense所投影的是一系列動(dòng)態(tài)變化的圖案，而非 Kinect那樣的固定圖案。因此，也造成了雖然RealSense的分辨率高，也更穩(wěn)定，但幀頻卻不如Kinect的情況，實(shí)際效果也沒(méi)有體現(xiàn)出所期待的優(yōu)勢(shì)。[!--empirenews.page--]

PS：Kinect是一個(gè)XBOX360外接的3D體感攝像機(jī)，利用即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、影像辨識(shí)、麥克風(fēng)輸入、語(yǔ)音辨識(shí)、社群互動(dòng)等功能讓玩家擺脫傳統(tǒng)游戲手柄的束縛，通過(guò)自己的肢體控制游戲，并且實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)玩家互動(dòng)，分享圖片、影音信息。

在救援活動(dòng)里難道只有避障?就沒(méi)有其他辦法了嗎?比如……像推土機(jī)一樣前進(jìn)!

Gimball就是這么一款自行開(kāi)路的無(wú)人機(jī)，它的外層是一個(gè)超輕且堅(jiān)實(shí)的碳纖維籠，這種設(shè)計(jì)還同時(shí)保護(hù)周?chē)谋痪仍藛T，以免被其雙螺旋槳傷到。

通過(guò)對(duì)目前主要無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的了解，我們認(rèn)為，避障技術(shù)目前還有很長(zhǎng)的路要走，不僅僅是技術(shù)上的沉淀，也需要資金方面持續(xù)的跟進(jìn)。多技術(shù)結(jié)合的避障技術(shù)必將隨著處理器的飛躍和硬件制造的成長(zhǎng)發(fā)揮出最大的效用，為我們的生活所用。