目前,主流的电(diàn)动多旋翼无人(rén)机避障系统主要有三种,分别是超声波(bō)、TOF,以及相对更复杂的,由多种(zhǒng)测(cè)距方(fāng)法和视觉图像处理组(zǔ)成的复合型(xíng)方法。
超声波:
一个比较(jiào)形(xíng)象的比喻就是蝙(biān)蝠。这种飞行类哺乳动物,通过口腔中(zhōng)喉部的特殊构造(zào)来发出超声波,当超声波遇到(dào)猎物或者(zhě)障碍的(de)时候就会反射回来,蝙蝠可以用特(tè)殊的听觉系统来接收(shōu)反射回(huí)来的信号,从而探测目(mù)标的距离,确定飞行路线。超(chāo)声波(bō)是最简单的测距系统,绝大部分生活中遇到(dào)的测(cè)距系统都是使用的这种技术,最常(cháng)见(jiàn)的就是汽车的倒车雷达。在无人机上加装定(dìng)向(xiàng)的(de)超声波(bō)发射和接收(shōu)器(qì),然后将(jiāng)其接入飞控(kòng)系统即(jí)可。但是,超声波(bō)在无人机避(bì)障系统的应用中也有比较明显的干(gàn)扰问题。虽(suī)然超声波避(bì)障系统不(bú)会受到(dào)光线、粉尘、烟(yān)雾,但(dàn)在部分场景下也(yě)会受(shòu)到声波(bō)的干扰。其次(cì),如果物体表面反射超(chāo)声波的(de)能力(lì)不足,避障(zhàng)系统(tǒng)的有效距(jù)离就(jiù)会降低,安全隐患会显(xiǎn)著提高。一般来(lái)说(shuō),超声波的有效距(jù)离是(shì)5米(mǐ),对应(yīng)的反射物体材质是水泥地板,如果材质不是平面光滑的(de)固体(tǐ)物,比如(rú)说地毯,那么(me)超声波的反射和接收(shōu)就会出问题。
对于无人机来(lái)说,这种超声波系统应该(gāi)放在多个(gè)方向,比如放在前(qián)后左右四个方向(xiàng),可以在悬停和飞行(háng)的时候对(duì)周围保(bǎo)持监控(kòng);而放在机身下方和上方,则(zé)可(kě)以在起飞、下降以及降落的时候避免速(sù)度太快碰到障(zhàng)碍物或者(zhě)地面(miàn)。
TOF:
通(tōng)俗一点讲,就是把前面的(de)超声波换成光。检(jiǎn)测方法有两种一种是光(guāng)的(de)时间,另一种(zhǒng)是光的(de)相(xiàng)位(wèi)。但是总的来说,都是把光打(dǎ)出去,然后检测反射(shè)回来(lái)的光,进(jìn)而判断无人(rén)机的周围是(shì)否有障碍物,距离几何等等。
和超声(shēng)波同(tóng)样,光波也会受到干扰,而目前城市(shì)环境下楼(lóu)宇间的光污染,给TOF避障系统带来了难题,系统发出的光,必(bì)须(xū)避开太阳光(guāng)的主要能量波段,从而避免太阳光的直射、反射等对避障系(xì)统造成干扰。
目前,TOF在室内测量距离(lí)最大可以到10米,室外强光(guāng)干扰的话,5米左右吧。在(zài)悬停(tíng)状(zhuàng)态下,TOF系统会一(yī)直(zhí)保持快(kuài)速旋(xuán)转,每秒钟旋转2-5圈。这是因为,在旋转的过程中系(xì)统就可以(yǐ)完成对周围有效半径内的360°范围进行快速扫描,从而(ér)用较快的(de)速度发现障碍(ài),然(rán)后对飞控系(xì)统发(fā)出(chū)调整位置的指令,避免(miǎn)对周(zhōu)围的人或财物(wù)造成伤(shāng)害;当(dāng)在飞(fēi)行的过程中(zhōng),TOF系统(tǒng)则会停止旋转,只把光发射到前进的方向上。固(gù)定方向的时(shí)候,在室外(wài)的有效距离可以增(zēng)加到8-10米。对(duì)于一(yī)般无人机来说,美妙的飞(fēi)行距离(lí)也就是10米左右,检测到障碍物之后1秒的(de)反应(yīng)时间,无人机可以(yǐ)用一(yī)个较大的加速度来停止前进。
复合型、机器视觉避(bì)障系统:
可以在(zài)前、后、左、右和(hé)下,一共5个方向上进行障碍识别,而识别(bié)的机制分为两个部分,分比为是超声波(bō)和机(jī)器视觉。也就是说(shuō),除(chú)了常规(guī)的超声波模块以外,5个(gè)方(fāng)向上还专门放置了(le)摄像(xiàng)头(tóu)用(yòng)于获取视(shì)觉图像,然(rán)后直接(jiē)传输到机载的英特尔(ěr)凌动(Atom)Bay Trail处理器进行计(jì)算处理。另外,进入消(xiāo)费级无人机市场(chǎng)时间较(jiào)早的Parrot,也在跟英(yīng)伟达(dá)(Nvidia)进行避(bì)障方面的合作,同样采用了包(bāo)含机器(qì)视觉的复合型避障系统。
这种(zhǒng)复合型避障系统,相对前两种提到(dào)的模式来说(shuō)技术含量更高(gāo)一些。当然在工作效率上也有一定的优(yōu)势。比如(rú)停(tíng)车场(chǎng)管理。在室内GPS用于定(dìng)位(wèi)基本可以免(miǎn)谈(tán)了,在(zài)地下(xià)停(tíng)车场中光照条件一般不太(tài)好,而超声波与机(jī)器视觉加(jiā)起来(lái),几乎(hū)可以在任何照度下对多种(zhǒng)材(cái)质进行较好的识别,从而对无人(rén)机在地下停车场封(fēng)闭环境中的飞行提供(gòng)更好的指导(dǎo),识别(bié)的有效(xiào)范围(wéi)可以(yǐ)显著提(tí)升,准确度往往可以达(dá)到厘米(mǐ)级。

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