無人機(jī)自動(dòng)避障技術(shù)

近年來，隨著多旋翼消費(fèi)級(jí)無人機(jī)市場(chǎng)的飛速增長(zhǎng)，其相關(guān)技術(shù)也正在發(fā)生日新月異的變革，以往多用于特種行業(yè)甚至軍用產(chǎn)品上的技術(shù)（如飛行控制、圖像傳輸、目標(biāo)識(shí)別和跟蹤等）也越來越多地用于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)，使其越來越接近于自動(dòng)化甚至智能化飛行機(jī)器人的概念。在消費(fèi)級(jí)無人機(jī)技術(shù)的諸多趨勢(shì)中，避障能力是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化乃至智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，完善的自主避障系統(tǒng)將能夠在很大程度上減少因操作失誤造成的無人機(jī)損壞和傷及人身和建筑物的事故發(fā)生率，而從各消費(fèi)級(jí)無人機(jī)廠商的新品和技術(shù)發(fā)展方向看，避障技術(shù)也將在未來幾年趨于完善并成為中高端消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的標(biāo)配系統(tǒng)。

避障技術(shù)，顧名思義就是無人機(jī)自主躲避障礙物的智能技術(shù)。很多玩過無人機(jī)的小伙伴們都知道，有避障功能的無人機(jī)和沒有避障功能的無人機(jī)，可以說體驗(yàn)是大不相同的！無人機(jī)自動(dòng)避障系統(tǒng)能夠及時(shí)地避開飛行路徑中的障礙物，極大地減少因?yàn)椴僮魇д`而帶來的各項(xiàng)損失。在減少炸機(jī)事故次數(shù)的同時(shí)，還能給無人機(jī)新手極大的幫助！

無人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展階段

 

根據(jù)目前無人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展以及其未來的研究態(tài)勢(shì)，無人機(jī)避障技術(shù)可分為三個(gè)階段，一是感知障礙物階段；二是繞過障礙物階段；三是場(chǎng)景建模 和路徑搜索階段。這三個(gè)階段其實(shí)是無人機(jī)避障技術(shù)的作用過程。從無人機(jī)發(fā)現(xiàn)障礙物，到可以自動(dòng)繞開障礙物，再達(dá)到自我規(guī)劃路徑的過程。

第一階段，無人機(jī)只能是簡(jiǎn)單地感知障礙物。當(dāng)無人機(jī)遇到障礙物時(shí)，能快速地識(shí)別，并且懸停下來，等待無人機(jī)駕駛者的下一步指令！

 

第二階段，無人機(jī)能夠獲取障礙物的深度圖象，并由此精確感知障礙物的具體輪廓，然后自主繞開障礙物！這個(gè)階段是擺脫飛手操作，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主駕駛的階段！

 

第三階段，無人機(jī)能夠?qū)︼w行區(qū)域建立地圖模型然后規(guī)劃合理線路！這個(gè)地圖不能僅僅是機(jī)械平面模型，而應(yīng)該是一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)更新的三維立體地圖！這將是目前無人機(jī)避障技術(shù)的最高階段！

 

感知障礙物

 

在前避障時(shí)代，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的使用說明上都會(huì)標(biāo)明必須在開闊場(chǎng)地飛行，而且應(yīng)當(dāng)盡量避免周圍有大量人群（當(dāng)然，這也與當(dāng)前技術(shù)和市場(chǎng)環(huán)境使得消費(fèi)級(jí)無人機(jī)產(chǎn)品的可靠性較差有很大關(guān)系），因?yàn)橐徊恍⌒牟僮魇д`，或者在周圍有高大障礙物時(shí)啟動(dòng)一鍵（低電壓、失控）返航，則有可能眼睜睜看著無人機(jī)傻傻地撞向那么明顯的障礙物，這是何等的回天乏力。為了降低這種事故的發(fā)生率，各廠商也都在卯足勁研發(fā)避障技術(shù)，而在實(shí)現(xiàn)方式上，大家的著眼點(diǎn)也都放在了一個(gè)方向——測(cè)量無人機(jī)到障礙物的距離。

我們可以很容易地想到，只要無人機(jī)能夠測(cè)量出與潛在障礙物之間的距離，就可以在撞向障礙物之前停止前進(jìn)（雖然固定翼無人機(jī)表示不同意），于是一場(chǎng)讓人感覺回天乏力的事故被輕描淡寫地避免了，這種思路簡(jiǎn)單粗暴，但還是有一定作用的。而當(dāng)前運(yùn)用較多的障礙物檢測(cè)方法主要有：

 

超聲波測(cè)距：這個(gè)方法很多人都熟悉，家用汽車的倒車?yán)走_(dá)就是利用超聲波檢測(cè)障礙物，該方法的優(yōu)點(diǎn)就是技術(shù)成熟，成本很低；但缺點(diǎn)在于作用距離近（常用的中低端超聲波傳感器作用距離不超過10m），且對(duì)反射面有一定要求。因此超聲波測(cè)距傳感器常用來測(cè)量無人機(jī)與地面的距離（固定翼無人機(jī)表示自己飛的太高太快，超聲波傳感器用不上）。

 

紅外/激光TOF：即飛行時(shí)間傳感器，基本原理就是傳感器發(fā)射一定頻率的紅外/激光信號(hào)，然后根據(jù)反射信號(hào)與原信號(hào)的相位差計(jì)算信號(hào)的飛行時(shí)間，即可換算出距離障礙物的距離。該方法技術(shù)比較成熟，作用距離較超聲波更遠(yuǎn)（數(shù)米到數(shù)百米），而且高等級(jí)的TOF傳感器可以獲得障礙物的深度圖像（這一項(xiàng)能力在下文會(huì)有應(yīng)用說明），但缺點(diǎn)在于成本高，抗干擾能力較差（激光TOF稍好）。因此該方案在當(dāng)前市場(chǎng)上產(chǎn)品或樣機(jī)中有一定規(guī)模的應(yīng)用。

 

雙目視覺：這個(gè)方法運(yùn)用了人眼估計(jì)距離的原理，即同一個(gè)物體在兩個(gè)鏡頭畫面中的坐標(biāo)稍有不同，經(jīng)過轉(zhuǎn)換即可得到障礙物的距離，雙目視覺方法也可以獲得障礙物的深度圖像。這種方法的缺點(diǎn)在于技術(shù)難度較高（不過自從有了OpenCV，媽媽再也不用擔(dān)心我不會(huì)寫機(jī)器視覺程序了），且距離估計(jì)的誤差隨距離變大而指數(shù)型增長(zhǎng)，只是這一缺點(diǎn)在無人機(jī)避障應(yīng)用中并無大礙。

 

電子地圖：借助細(xì)粒度的數(shù)字高程地圖和城市3D建筑地圖，既能夠?qū)崿F(xiàn)避免重要建筑物受到無人機(jī)撞擊（即禁飛區(qū)功能），也能夠?qū)崿F(xiàn)很多情況下的無人機(jī)避障。而事實(shí)上，戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈的遠(yuǎn)程飛行也在很大程度上依賴于數(shù)字高程地圖。

 

障礙物測(cè)量的原理搞懂了，就可以開始討論無人機(jī)避障了。最簡(jiǎn)單的策略莫過于遇到障礙物時(shí)停止前進(jìn)，然后與障礙物保持一定的距離。這種遇到障礙物后就默默懸停等待，仿佛手足無措不知所往的初級(jí)策略，就是這么簡(jiǎn)單的開始，無人機(jī)就進(jìn)入了避障時(shí)代。

 

繞過障礙物

 

很顯然，我們不會(huì)滿足于讓無人機(jī)遇到障礙物后傻傻等待（固定翼表示自己一秒鐘也無法等待），這就需要設(shè)計(jì)讓無人機(jī)安全高效地繞過障礙物繼續(xù)完成預(yù)定飛行的策略。表面上看，連薩摩耶這種囧傻呆萌的狗狗都知道前面有座大樓時(shí)該怎么繞過去（請(qǐng)自行想象為什么說到狗狗時(shí)要強(qiáng)調(diào)前方是大樓，而不是一棵樹），讓無人機(jī)繞過障礙物的策略應(yīng)該很簡(jiǎn)單了，但這其中的門道可多了去了。

 

首先，狗狗很清楚前方大樓的輪廓，因此只需要往邊緣走就可以繞過去，但是無人機(jī)想獲得障礙物輪廓就很難了，如果避障傳感器是普通超聲波，無人機(jī)就只能知道前方有障礙，但是卻無從知道障礙物的邊緣，這就是前面為什么要強(qiáng)調(diào)“能夠獲得障礙物深度圖像”了，對(duì)于能獲得深度圖像的TOF測(cè)距和雙目視覺測(cè)距方式，只要障礙物沒有充滿視場(chǎng)，就總能夠找到障礙物的邊緣。舉例說明，下圖所示的是無人機(jī)的到的深度圖像示意圖，灰度越深，表明距離越近，遇到這種情況，很顯然的策略就是往左上方飛，即朝向灰度最淺的區(qū)域飛行，此時(shí)問題仿佛已經(jīng)得到解決