原创 主流多旋翼无人机避障系统技术详谈

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、弹珠玻璃，有钱的小孩可能会买的起气弹 *；而一转眼15、20年过去了，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”中，无人机恐怕是最为昂贵、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，机载了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，成为一款多用途的科技产品。

但是与此同时，无人机却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也在过去一直因为相关问题，对于无人机的商业化使用进行严格的管控，直到几天前（2015年7月 19号）才有第一个FAA允许的商用无人机快递成功送出。

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。时间进入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）当做产品重点来提。今天，就来给大家介绍一下，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。

我们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：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都是使用的这种技术，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， 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。

TOF：通俗一点讲，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，距离几何等等。

零度最近展示的无人机TOF避障系统，使用的就是光相位检测。和超声波同样，光波也会受到干扰，而目前城市环境下楼宇间的光污染，给TOF避障系统带来了难题，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，TOF在室内测量距离最大可以到10米，室外强光干扰的话，5米左右吧。”杨建军介绍称。

在悬停状态下，TOF系统会一直保持快速旋转，每秒钟旋转2-5圈。这是因为，在旋转的过程中系统就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；当在飞行的过程中，TOF系统则会停止旋转，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：像大疆这样全球知名度更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”系列（Matrice 100）使用。

DJI Guidance

 

这套Guidance系统同样可以在前、后、左、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，分比为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，5个方向上还专门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）Bay Trail处理器进行计算处理。另外，进入消费级无人机市场时间较早的Parrot，也在跟英伟达（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Matrice 100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。

尽管在本文中，我们看到了各种各样技术先进，颇有前景的避障系统。但截至目前为止，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。（下图）

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。（如下图、视频）

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。

原文链接：http://www.pingwest.com/obstacle-avoidance-drone/