在消費(fèi)級(jí)無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)幾年趨于完善并成為中高端消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的標(biāo)配系統(tǒng)。

      避障技術(shù)，就是無(wú)人機(jī)自主躲避障礙物的智能技術(shù)。無(wú)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(lái)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(wú)人機(jī)新手極大的幫助！

無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展階段

       根據(jù)目前無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展以及其未來(lái)的研究態(tài)勢(shì)，無(wú)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(guò)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(wú)人機(jī)避障技術(shù)的作用過(guò)程。從無(wú)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(guò)程。

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

       第二階段，無(wú)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(wú)人機(jī)自主駕駛的階段！

       第三階段，無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)的使用說(shuō)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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)到障礙物的距離。

       我們可以想到，只要無(wú)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(wú)人機(jī)表示不同意），雖然這種思路簡(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(guò)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(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)與地面的距離（固定翼無(wú)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(shuō)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(jué)：

       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(guò)轉(zhuǎn)換即可得到障礙物的距離，雙目視覺(jué)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(guò)自從有了OpenCV，媽媽再也不用擔(dān)心我不會(huì)寫機(jī)器視覺(jué)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(wú)人機(jī)避障應(yīng)用中并無(wú)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(wú)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(wú)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，就可以討論無(wú)人機(jī)避障了。最簡(jiǎn)單的策略莫過(guò)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(wú)措不知所往的初級(jí)策略，就是這么簡(jiǎn)單的開始，無(wú)人機(jī)就進(jìn)入了避障時(shí)代。

繞過(guò)障礙物

       很顯然，我們不會(huì)滿足于讓無(wú)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(wú)法等待），這就需要設(shè)計(jì)讓無(wú)人機(jī)安全高效地繞過(guò)障礙物繼續(xù)完成預(yù)定飛行的策略。

       首先，無(wú)人機(jī)想獲得障礙物輪廓就很難，如果避障傳感器是普通超聲波，無(wú)人機(jī)就只能知道前方有障礙，但是卻無(wú)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(jué)測(cè)距方式，只要障礙物沒(méi)有充滿視場(chǎng)，就總能夠找到障礙物的邊緣。

       雖然關(guān)于機(jī)器人在未知場(chǎng)景中的避障方法研究非常多，但是由于終究是未知場(chǎng)景，其中必然有復(fù)雜的搜索過(guò)程。

場(chǎng)景建模和路徑搜索

       無(wú)人機(jī)無(wú)論是基于電子地圖，還是其他來(lái)源，還是SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）獲得了場(chǎng)景模型，就可以在機(jī)載計(jì)算機(jī)里用算法去搜索優(yōu)化的避障路徑。當(dāng)前關(guān)于這種已知場(chǎng)景路徑規(guī)劃的研究很多，算法也層出不窮，也是無(wú)人機(jī)避障發(fā)展的必然趨勢(shì)。

       與傳統(tǒng)的機(jī)器人避障技術(shù)研究相比，當(dāng)前無(wú)人機(jī)的避障還處于很初級(jí)的階段，但由于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的火爆，大家也都在爭(zhēng)先恐后地開展此類研究，可以預(yù)見，未來(lái)的避障時(shí)代中，將會(huì)有各自各樣現(xiàn)在難以想到的方法用于無(wú)人機(jī)避障，有了這些技術(shù)的輔助，無(wú)人機(jī)的操作也將越來(lái)越安全，越來(lái)越簡(jiǎn)單。

無(wú)人機(jī)避障技術(shù)種類

紅外避障

       紅外線避障的常見實(shí)現(xiàn)方式就是“三角測(cè)量原理”。

       紅外感應(yīng)器包含紅外發(fā)射器與CCD檢測(cè)器，紅外線發(fā)射器會(huì)發(fā)射紅外線，紅外線在物體上會(huì)發(fā)生反射，反射的光線被CCD檢測(cè)器接收之后，由于物體的距離D不同，反射角度也會(huì)不同，不同的反射角度會(huì)產(chǎn)生不同的偏移值L，知道了這些數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)計(jì)算，就能得出物體的距離了。

超聲波避障

       超聲波其實(shí)就是聲波的一種，因?yàn)轭l率高于20kHz，所以人耳聽不見，并且指向性更強(qiáng)。

       超聲波測(cè)距的原理比紅外線更加簡(jiǎn)單，因?yàn)槁暡ㄓ龅秸系K物會(huì)反射，而聲波的速度已知，所以只需要知道發(fā)射到接收的時(shí)間差，就能輕松計(jì)算出測(cè)量距離，再結(jié)合發(fā)射器和接收器的距離，就能算出障礙物的實(shí)際距離。

       超聲波測(cè)距相比紅外測(cè)距，價(jià)格更加便宜，相應(yīng)的感應(yīng)速度和精度也遜色一些。同樣，由于需要主動(dòng)發(fā)射聲波，所以對(duì)于太遠(yuǎn)的障礙物，精度也會(huì)隨著聲波的衰減而降低，此外，對(duì)于海綿等吸收聲波的物體或者在大風(fēng)干擾的情況下，超聲波將無(wú)法工作。

激光避障

       激光避障與紅外線類似，也是發(fā)射激光然后接收。不過(guò)激光傳感器的測(cè)量方式很多樣，有類似紅外的三角測(cè)量，也有類似于超聲波的時(shí)間差+速度。

       但無(wú)論是哪種方式，激光避障的精度、反饋速度、抗干擾能力和有效范圍都要明顯優(yōu)于紅外和超聲波。

       需要注意的是，不管是超聲波還是紅外、亦或是這里的激光測(cè)距，都只是一維傳感器，只能給出一個(gè)距離值，并不能完成對(duì)現(xiàn)實(shí)三維世界的感知。當(dāng)然，由于激光的波束極窄，可以同時(shí)使用多束激光組成陣列雷達(dá)，近年來(lái)此技術(shù)逐漸成熟，多用于自動(dòng)駕駛車輛上，但由于其體積龐大，價(jià)格昂貴，故不太適用于無(wú)人機(jī)。

視覺(jué)避障

       視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)通常來(lái)說(shuō)可以包括一個(gè)或兩個(gè)攝像頭。單一的照片只具有二維信息，猶如2D電影，并無(wú)直接的空間感，只有靠我們自己依靠“物體遮擋、近大遠(yuǎn)小”等生活經(jīng)驗(yàn)?zāi)X補(bǔ)。故單一的攝像頭獲取到的信息及其有限，并不能直接得到我們想要的效果（當(dāng)然能夠通過(guò)一些其他手段，輔助獲取，但是此項(xiàng)還不成熟，并沒(méi)有大規(guī)模驗(yàn)證）。類比到機(jī)器視覺(jué)中，單個(gè)攝像頭的圖片信息無(wú)法獲取到場(chǎng)景中每個(gè)物體與鏡頭的距離關(guān)系，即缺少第三個(gè)維度。

       雙目立體視覺(jué)猶如3D電影（左右眼看到的場(chǎng)景略有差異），能夠直接給人帶來(lái)強(qiáng)烈的空間臨場(chǎng)感。類比機(jī)器視覺(jué)，從單個(gè)攝像頭升級(jí)到兩個(gè)攝像頭，即立體視覺(jué)（Stereo Vision）能夠直接提供第三個(gè)維度的信息，即景深（depth），能夠更為簡(jiǎn)單的獲取到三維信息。雙目視覺(jué)最常見的例子就是我們的雙眼：我們之所以能夠準(zhǔn)確的拿起面前的杯子、判斷汽車的遠(yuǎn)近，都是因?yàn)殡p眼的雙目立體視覺(jué)，而3D電影、VR眼鏡的發(fā)明，也都是雙目視覺(jué)的應(yīng)用。

雙目視覺(jué)的基本原理是利用兩個(gè)平行的攝像頭進(jìn)行拍攝，然后根據(jù)兩幅圖像之間的差異（視差），利用一系列復(fù)雜的算法計(jì)算出特定點(diǎn)的距離，當(dāng)數(shù)據(jù)足夠時(shí)還能生成深度圖。

       其實(shí)，各個(gè)避障技術(shù)在無(wú)人機(jī)上都有用武之地，只是應(yīng)用場(chǎng)景有所不同，特別對(duì)于前視避障而言，有些技術(shù)就不適用了。

紅外和超聲波技術(shù)，因?yàn)槎夹枰鲃?dòng)發(fā)射光線、聲波，所以對(duì)于反射的物體有要求，比如：紅外線會(huì)被黑色物體吸收，會(huì)穿透透明物體，還會(huì)被其他紅外線干擾；而超聲波會(huì)被海綿等物體吸收，也容易被槳葉氣流干擾。

       而且，主動(dòng)式測(cè)距還會(huì)產(chǎn)生兩臺(tái)機(jī)器相互干擾的問(wèn)題。相比之下，雖然雙目視覺(jué)也對(duì)光線有要求，但是對(duì)于反射物的要求要低很多，兩臺(tái)機(jī)器同時(shí)使用也不會(huì)互相干擾，普適性更強(qiáng)。

       最重要的是，常見的紅外和超聲波目前都是單點(diǎn)測(cè)距，只能獲得特定方向上的距離數(shù)據(jù)，而雙目視覺(jué)可以在小體積、低功耗的前提下，獲得眼前場(chǎng)景的比較高分辨率的深度圖，這就讓避障功能有了更多的發(fā)展空間，比如避障之后的智能飛行、路徑規(guī)劃等。

       激光技術(shù)雖然也能實(shí)現(xiàn)類似雙目視覺(jué)的功能，但是受限于技術(shù)發(fā)展，目前的激光元件普遍價(jià)格貴、體積大、功耗高，應(yīng)用在消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)上既不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)用。

無(wú)人機(jī)避障實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn) 

       避障功能從構(gòu)思到實(shí)現(xiàn)，走的每一步幾乎都便隨著無(wú)數(shù)的難題。僅僅是寫出有效的視覺(jué)識(shí)別或者地圖重構(gòu)的算法還只是第一步，能讓它在無(wú)人機(jī)這樣一個(gè)計(jì)算能力和功耗都有限制的平臺(tái)上流暢穩(wěn)定的跑起來(lái)，才是真正困難的地方。

此外，如何處理功能的邊界也是一個(gè)問(wèn)題，比如雙目視覺(jué)在視線良好的情況下可以工作，那么當(dāng)有灰塵遮擋的情況下呢?這就需要不斷的實(shí)驗(yàn)和試錯(cuò)，并且持續(xù)的優(yōu)化算法，保證各項(xiàng)功能在各類場(chǎng)景下都能正常工作，不會(huì)給出錯(cuò)誤的指令。

       避障功能作為近年來(lái)無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的大趨勢(shì)，帶來(lái)的最直接的好處就是，以往一些人為疏忽造成的撞擊，現(xiàn)在都能經(jīng)由避障功能去避免，既保障了無(wú)人機(jī)飛行安全的同時(shí)，也避免了對(duì)周圍人員財(cái)產(chǎn)的損害，讓飛無(wú)人機(jī)的門檻進(jìn)一步得到了降低。

       而長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，無(wú)人機(jī)想要普及到農(nóng)業(yè)、建筑、運(yùn)輸、媒體等領(lǐng)域，「智能化」肯定是必經(jīng)之路。

       畢竟只有在飛行功能上做到智能控制，才有余量去滿足不同行業(yè)的需求。如今由“避障功能”而衍生出的一系列“智能飛行”功能，無(wú)疑就是“無(wú)人機(jī)智能化”的階段性體現(xiàn)之一。

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