无人机如何避障

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　　导读

　　无人机总是因为安全性问题，不合时宜地出现在各种社会新闻里。几个月前，一架大疆无人机坠毁在美国总统居住地白宫的草坪上，引起了人们对于无人机安全操作的广泛关注。美国空管机构FAA也一直因为相关问题，对于无人机的商业化使用进行严格的管控，直到7月19日才有第一个FAA允许的商用无人机快递成功送出。

　　用途日益广泛

　　随着物质生活水平的逐渐提高，越来越多先进的科技产品变成了人们的玩具。回想从前，我们手里的玩具是纸飞机、玻璃弹珠，有钱的小孩可能会买气弹枪；而一转眼15、年过去了，20　长大成人的我们，手里的玩物变成了手腕上的小型计算机，或者只有巴掌大小却能录制高帧率4K视频的GoPro运动摄像机。
　　在所有的“玩物”无人机恐怕是最为昂贵、中，　最不像玩具的一类。它们由电驱动，通过多旋翼获得升力飞行，机载高清摄像头可以用于航拍、地理测绘等多种用途。可以说，无人机因其便捷的使用方式和强大的功能，已经从玩具升格为一款多用途的科技产品。
　　无人机想要继续发展，除了续航、功能进步之外，安全性也是不可小觑的方面。进入2015年，世界上主要的消费级、商业级无人机制造商都开始将避障系统（Obstacle　Avoidance）当作产品重点来提。那么，目前市面上主流的无人机，比如大疆、Parrot等都分别采用了什么样的自动避障系统呢？

　　三类避障系统比较

　　经过走访问询，笔者发现主流的电动多旋翼无人机避障系统主要有三种，分别是超声波、TOF，以及相对更复杂的、由多种测距方法和视觉图像处理组成的复合型方法。
　　超声波避障系统　该系统一个比较形象的比喻就是蝙蝠。这种飞行类哺乳动物，通过口腔中喉部的特殊构造来发出超声波，当超声波遇到猎物或者障碍的时候就会反射回来，蝙蝠可以用特殊的听觉系统来接收反射回来的信号，从而探测目标的距离，确定飞行路线。
　　超声波是最简单的测距系统，绝大部分生活中遇到的测距系统使用的就是这种技术，最常见的就是汽车的倒车雷达。在无人机上加装定向的超声波发射和接收器，然后将其接入飞控系统即可。
　　但是，超声波在无人机避障系统的应用中也有比较明显的干扰问题。深圳零度无人机的CEO杨建军指出，虽然超声波避障系统不会受到光线、粉尘、烟雾干扰，但在部分场景下也会受到声波的干扰。其次，如果物体表面反射超声波的能力不足，避障系统的有效距离就会降低，安全隐患会显著提高。一般来说，超声波的有效距离是5米，对应的反射物体材质是水泥地板，如果材质不是平面光滑的固体物，比如说地毯，那么超声波的反射和接收就会出问题。
　　对于无人机来说，这种超声波系统应该放在多个方向，比如放在前后左右四个方向，可以在悬停和飞行的时候对周围保持监控；而放在机身下方和上方，则可以在起飞、下降以及降落的时候避免速度太快碰到障碍物或者地面。
　　光相位检测系统　通俗一点讲，该系统就是把前面的超声波换成光。检测方法有两种，一种是光的时间，另一种是光的相位。但是总的来说，都是把光打出去，然后检测反射回来的光，进而判断无人机的周围是否有障碍物、距离几何等。
　　最近，有科技公司展示的无人机TOF（光相位检测）避障系统，使用的就是光相位检测。与超声波相同，光波也会受到干扰，而目前城市环境下楼宇间的光污染，TOF避障系统带来了难题，给　系统发出的光，必须避开太阳光的主要能量波段，从而避免太阳光的直射、反射等对避障系统造成干扰。
　　至于TOF系统的有效距离，目前，在室内“　TOF 测量距离最大可以到10米，室外强光干扰的话，米5左右吧。杨建军介绍。”
　　在悬停状态下，系统会一直保持快速旋转，TOF 每秒钟旋转2～5圈。这是因为，在旋转的过程中，系统可以完成对周围有效半径内的360°范围进行快速扫描，从而用较快的速度发现障碍，然后对飞控系统发出调整位置的指令，避免对周围的人或财物造成伤害；在飞行的过程中，系统则会停止旋转，TOF 只把光发射到前进的方向上。固定方向的时候，在室外的有效距离可以增加到8～10米。对于一般无“人机来说，美妙的飞行距离也就是10米左右，检测到障碍物之后有1秒的反应时间，无人机可以用一个较大的加速度来停止前进，这就足够了。杨建军”解释道。
　　复合型、机器视觉避障系统　该系统像大疆这样全球知名度高的无人机技术公司，在避障系统的选用上则更加先进。大疆在2015年6月初推出了一个全新的官方智能避障系统Guidance，配套一个全新的可开发无人机平台“经纬”（Matrice100）系列　使用。
　　这套Guidance系统同样可以在前、左、后、右和下，一共5个方向上进行障碍识别，而识别的机制分为两个部分，分别是超声波和机器视觉。也就是说，除了常规的超声波模块以外，个方向上还专门5放置了摄像头用于获取视觉图像，然后直接传输到机载的英特尔凌动（Atom）　Trail处理器进行计算Bay 处理。另外，进入消费级无人机市场时间较早的Parrot，也在与英伟达（Nvidia）进行避障方面的合作，同样采用了包含机器视觉的复合型避障系统。
　　这种复合型避障系统，相对前两种提到的模式来说技术含量更高一些。当然在工作效率上也有一定的优势。Guidance系统配合大疆的Matrice100无人机开发平台使用，可以为更多与物联网有关的商业化使用场景带来帮助，比如停车场管理。在室内GPS用于定位基本可以免谈了，在地下停车场中光照条件一般不太好，而超声波与机器视觉加起来，几乎可以在任何照度下对多种材质进行较好的识别，从而对无人机在地下停车场封闭环境中的飞行提供更好的指导，识别的有效范围可以显著提升，准确度往往可以达到厘米级。

　　创客的智慧

　　如上所述，我们看到了各种各样技术先进、颇有前景的避障系统。但截至目前，绝大多数市面上主流的消费级无人机，比如大疆销售量暴高的精灵（Phantom）系列，因为成本、量产难度等方面的原因，目前仍然没有官方推出的可用的避障系统。这时候，全世界的创客都坐不住了。
　　一家名为Panoptes的初创公司，为购买了大疆Phantom，又希望能够用避障系统武装自己的无人机的用户提供了一套解决方案：eBumper4。这个产品已经适配了Phantom系列无人机，以及3D　Robotics 公司的Iris无人机。它其实是给这些无人机更换了一个包含避障识别功能的机壳，把原装的机壳换下来，再把eBumper4换上，经过简单的调试，就可以为无人机加上避障功能。
　　还有更多个人身份的创客希望打造出普适性更高、价格更低廉的避障系统。早在2013年，就有几位女性开发者使用夏普的红外摄像头、Arduino开发板，以及Parrot推出的SDK自己开发出了一个简易的避障系统。
　　目前，无论是企业级服务商提供的产品，如英特尔的RealSense实感摄像头，还是个人创客用廉价的零件组装出一套解决方案，避障系统进入消费级无人机的条件都已经得到了满足。如果生产厂商真的希望无人机能够从硬核爱好者的玩物，变成能够进入千家万户的大众商品，加入先进的、商业级的避障系统肯定是接下来民用消费级无人机的重要发展趋势——重要性远高于更长的续航时间和更多的功能。

　　□宗禾