淺析無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障功能

在今年CES上英特爾攜Yuneec給我們帶來(lái)了擁有避障功能的無(wú)人機(jī)，并配以一段看似很牛X的展示視頻，而同期國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)廠商零度、騰訊等廠商，都展示了帶有自動(dòng)避障功能的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，而到了3月，大疆也帶來(lái)了他們的拳頭產(chǎn)品精靈4,并且在3月5日給中國(guó)媒體展示避障功能。今天我們就來(lái)看看各家的無(wú)人機(jī)智能避障有什么區(qū)別，順便科普一下這是什么原理。

技術(shù)原理：雙目立體視覺(jué)（Binocular Stereo Vision）

早在20世紀(jì)70年代中期以Marr、Barrow和Tenenbaum等人為代表的 一些研究者提出了一整套視覺(jué)計(jì)算的理論來(lái)描述視覺(jué)過(guò)程，能使圖像中的物體恢復(fù)到三維形狀。經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，在馬兒（Marr）的理論框架下，如今能夠運(yùn)算得出物體所處的環(huán)境的三維模型，智能避障礙物的功能也是其應(yīng)用的最顯著功能之一。

馬兒（Marr）的視覺(jué)計(jì)算理論框架，主要分為三個(gè)測(cè)算部分，第一部分是早期視覺(jué)，拍攝的圖像，感知前方物體的位置、方向、表面的紋理、光澤、陰影形狀等信息；第二部分是二維體現(xiàn)，將第一部分收集的信息進(jìn)行2.5D維度的建模，確立以無(wú)人機(jī)為中心的坐標(biāo)軸體系，將畫(huà)面中的物體的表面以坐標(biāo)點(diǎn)的形式體現(xiàn)在坐標(biāo)軸上；第三部分是三維空間構(gòu)建，在2.5D維度的建模以后，仍有Z軸數(shù)據(jù)（物體與無(wú)人機(jī)距離）無(wú)法確定，這時(shí)需要用到三角測(cè)距的計(jì)算原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算測(cè)算出最終位置，建立空間三維模型。

在前半部分主要是對(duì)環(huán)境信息的收集繪制工作，而第三部分中，涉及了另一項(xiàng)技術(shù)——雙目立體視覺(jué)。所謂雙目立體視覺(jué)，是利用兩個(gè)不同視覺(jué)的圖像傳感器，固定之間的距離，測(cè)量物體與傳感器之間的夾角，將物體與根據(jù)三角測(cè)距定理，已知兩傳感器之間的距離和物體與兩傳感器之間的夾角，能夠計(jì)算出物體與無(wú)人機(jī)之間的距離。

避障是雞肋還是黑科技？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)"雙目測(cè)距",就是一個(gè)套路的運(yùn)算，但當(dāng)中包含了N套的代數(shù)方程組，在早期的無(wú)人駕駛汽車(chē)當(dāng)中，也運(yùn)用了該邏輯的運(yùn)算方式，但由于處理量巨大，汽車(chē)上都配備了多臺(tái)頂級(jí)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)同運(yùn)算，才能在短時(shí)間內(nèi)做出精準(zhǔn)的判斷。

在無(wú)人機(jī)上，一般的無(wú)人機(jī)飛控處理器，并不能達(dá)到這樣的運(yùn)算速度，而一直在研發(fā)手機(jī)處理器的廠商（如：英特爾、高通公司），憑借其處理器的低能耗和高性能的特點(diǎn)，成為他們的切入點(diǎn)，像采用英特爾處理器的Yuneec Typhoon H、大疆經(jīng)緯M100的GUIDANCE配件，以及采用高通驍龍?zhí)幚砥鞯牧愣萖PLORER 2、騰訊Ying、大疆精靈4等產(chǎn)品。

因?yàn)閺?qiáng)大的計(jì)算能力，實(shí)時(shí)地繪制出三維環(huán)境模型，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的智能化優(yōu)化功能，就像在大疆精靈4上實(shí)現(xiàn)了"指點(diǎn)飛行"功能，也是依靠前視障礙傳感器構(gòu)建的三維模型實(shí)現(xiàn)此操作，同樣在跟隨模式下，無(wú)人機(jī)在跟隨可視范圍內(nèi)的任務(wù)時(shí)，將會(huì)更加準(zhǔn)確。在自動(dòng)返航的過(guò)程中，自動(dòng)避障也是相對(duì)更加安全，對(duì)于以前常常撞墻、撞樹(shù)、撞山的事，總算有一個(gè)比較靠譜的解決方案。

但由于運(yùn)算量大，運(yùn)算時(shí)，電壓會(huì)相應(yīng)增加，能耗也隨即增加，續(xù)航時(shí)間也會(huì)相應(yīng)下降，實(shí)現(xiàn)每增加一個(gè)避障方向，運(yùn)算量將增加一倍，但能夠繪制出更加清晰的三維模型。在已發(fā)布的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品中，定位開(kāi)發(fā)者使用的大疆經(jīng)緯M100 GUIDANCE配件是能夠?qū)崿F(xiàn)5方向上的自動(dòng)避障功能，而定位消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的Typhoon H、精靈4,騰訊Ying等無(wú)人機(jī)，自動(dòng)避障功能僅支持前方的視覺(jué)的檢測(cè)。

僅前方避障的好處是保證了續(xù)航時(shí)間和最大程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，畢竟無(wú)人機(jī)主要也是往前飛行的，而并非說(shuō)這無(wú)人機(jī)能夠永遠(yuǎn)不會(huì)撞墻，也有其局限性，當(dāng)在智能跟隨模式下，無(wú)人機(jī)在人的前面進(jìn)行跟隨，人往前走，無(wú)人機(jī)會(huì)向后運(yùn)動(dòng)，無(wú)人機(jī)無(wú)法識(shí)別背后的障礙物，無(wú)人機(jī)撞墻的事情也是很可能發(fā)生的。

三大自動(dòng)避障無(wú)人機(jī)的缺陷

除此以外，在無(wú)人機(jī)上使用的視覺(jué)障礙傳感器有一定的使用范圍，大疆的精靈4支持0.7 - 15 米的范圍，光照條件要在> 15 lux以上，弱光下無(wú)效。而零度Xplorer 2則有些不一樣，采用激光雷達(dá)TOF測(cè)距的原理，頭頂?shù)?quot;蘑菇頭"發(fā)射出激光雷達(dá)，以每秒50次的速率360°全方位掃描，繪制出3D模型，在暗光條件下很靈敏，對(duì)于關(guān)照過(guò)強(qiáng)時(shí)，并不能很好地識(shí)別出障礙物距離。而Yuneec Typhoon H使用Intel的Real Sense技術(shù)，單目測(cè)距+結(jié)構(gòu)光，有效測(cè)距可達(dá)10米，通過(guò)打出的左紅外傳感器和右紅外傳感器追蹤這束光的位置，同時(shí)受限于暗光下使用，也是不敵強(qiáng)光。

總結(jié)

在消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)中加入自動(dòng)避障，可以說(shuō)是一場(chǎng)技術(shù)革新，很大程度上避免了"撞墻"的炸機(jī)情況，但受現(xiàn)在的運(yùn)算能力、續(xù)航能力、技術(shù)水平的限制，自動(dòng)避障無(wú)人機(jī)都有其各自的受限條件，并未出現(xiàn)一款最為完美的自動(dòng)避障無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，仍有待日后升級(jí)完善。 

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