标签: 避障系统

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/

人工智能技术是与多门基础学科联系紧密、相互促进相互发展的前沿技术，是集计算机、物理学、生理学、控制技术、传感器技术等于一体的高新技术产业。人工智能技术的应用领域也越来越广泛，除了传统的工业领域，人工智能技术的应用也涉及到军事、娱乐、服务、医疗等领域”。 随着机器人技术的不断发展，人们对机器人的要求也越来越高，机器人的智能化已成为当今的热点。智能小车作为一种四轮驱动的智能机器人，它行动灵活、操作方便，车上可集成各种精密传感器数据处理模块，其避障功能保证了智能小车在行进过程中行进方向的自行调节，避免发生碰撞、碰擦，是智能小车的重要组成部分。目前，智能小车大多采用单个传感器实现单面避障，但单面避障存在着固有的缺陷，如：障碍物探测缓慢、避障成功率较低等。由此，设计了一种能全方位避障的智能小车系统，采用红外单点避障与超声波双路避障相结合的模式，可实现多面自动探测，并实现全方位避障，有效提高了避障的成功率和效率。 1 系统设计 设计的避障系统采用红外单点避障与超声波双路避障相结合的模式，以实现对障碍物的全方位有效避障。为此，在小车前端中央设置一个红外避障传感器，用于探测小车前方障碍物，再在小车前端两侧设置左右两个超声波避障传感器，他们分别探测小车前方左右两侧障碍物，有效的扩大了探测范围，从而实现了小车的全方位避障。 本系统利用多模块协调配合，使其具有较高自适应能力。硬件以需求为基础，选择了合适的模块，总体模块中包含：电源模块，红外传感模块，超声波传感模块，电机驱动模块，Arduino模块等。系统整体框图如图1所示。 图1 系统硬件结构图 1．1 Arduino模块 设计中采用Arduino duemilanove作为核心控制模块，Arduino是一款便捷灵活且十分方便上手的开源电子原型平台，能通过各种各样的传感器来感知环境，通过灯光、电机和其他的装置来反馈、影响环境。 Arduino duemilanove包括以下几个部分：一个9 V DC输入，一个USB接口，14个数字IO口，6个模拟IO口，1个5 V DC输出和一个3．3 V DC输出。它的核心是一片Atmega 328单片机。 1．2 电机模块 小车采用双直流电机驱动方式，通过控制左右两个直流电机来控制小车转动转向，电机模块如图2所示，直流电机采用直流电机驱动芯片L298N。 L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46 V、2 A以下的电机，正好可以满足小车的左右直流电机的驱动要求。并且L289N具有过温保护功能和较高的噪声抑制比，故十分适用于智能小车中。 图2 电机模块 由于芯片L298N并没有对电机转速的控制方式，因此，通过Arduino程序控制调节驱动电机的PWM信号，改变电机输出功率，从而控制左右电机的转速。 【分页导航】 第1页： Arduino模块/电机模块 第2页： 超声波传感器模块/红外传感器模块 第3页： 多传感器协调合作方案 1．3 超声波传感器模块 超声波模块由发射电路和接收电路组成，如图3所示。其中发射电路由Em78p153单片机、MAX232及超声波发射头T40等组成，接收电路由TL074运算放大器及超声波接收器R40等组成。 图3 超声波传感器 探测时，超声波发射器发射出长约6 mm，频率为40 kHz的超声波信号。此信号被物体反射回来由超声波接收器接收，接收器实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号，电压信号再在核心控制模块中转换为数字信号。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离D可用D=ct／2求出。 1．4 红外传感器模块 红外测距模块采用夏普GP2YOA21红外测距传感器，夏普GP2YOA21型红外测距传感器是基于位置敏感传感器PSD(Position Sensitive Device)的微距传感器，捕捉的是光信号并且有着基于Lucovusky方程的电路设计，其有效的测量距离为80 cm。 红外测距其优点是无盲区、测量精度高、反应速度快，但其缺点受环境影响较大、探测距离较近。因此本文设计了基于多传感器信息融合的智能小车避障系统，采用红外传感器与超声波传感器互补，使机器人具有精确的感测范围。 【分页导航】 第1页： Arduino模块/电机模块 第2页： 超声波传感器模块/红外传感器模块 第3页： 多传感器协调合作方案 2 算法分析 针对单传感器避障系统中存在的缺点，本文提出了多传感器协调合作方案，通过超声波传感器和红外传感器的配合，扩大了探测范围以及灵敏性，从而避免了误撞和紧贴障碍物的危险，提高了避障机率，实现了全方位避障。 2．1 流程设计 全方位避障小车在行进过程中，各传感器不断检测小车周围是否有障碍物。当有传感器检测到障碍物时，通过判断检测到障碍物的传感器的数量，来实现小车全方位自动避障：单传感器检测到障碍物时，小车远离检测到障碍物方向；两个传感器检测到障碍物时，小车向未检测到障碍物方向转向；所有传感器都检测到障碍物时，小车急速左转避开障碍物。当小车避开障碍物后，小车继续行进。流程图如图4所示。 图4 程序流程图 2．2 避障代码 根据以上避障原理，编写相应的程序，以实现小车的全面避障，程序主要分电机、超声波和红外测距三部分。电机部分由analogWrite()、digitalWrite()分别控制车速和小车前进、后退或转向；超声波测距部分由Trig．Pin控制超声波输入，由EchoPin控制超声波输出，控制模块通过对接收到的脉冲波时间进行处理，转化为距离参数，从而获得距离Middle_distance；红外测距部分由控制模块通过红外传感器获得一个模拟量analo．gRead()，通过输出的模拟量可以推算出电压值volts，而输出电压和探测距离关系为distance：65*pow(volts，-1．10)，从而可获得小车与障碍物的距离。 3 实验研究 智能车在进行了器件选型和确定控制算法后，为了验证系统的性能，进行了实验验证。 实验中选用一块放着多种障碍物的平地，障碍物分两大种：一种是规则的障碍物，如正方体、圆柱等。另一种为不规则障碍物。实验时，智能避障小车在行进过程中不断探测前方周围是否有障碍物，当存在障碍物时候，判断出相应障碍物位置，并进行相应动作。 为了有效验证智能小车避障成功率，通过改变障碍物形状来对小车进行性能测试，结果如图5所示。其中测试小车100次，并统计出单面避障和全方位避障成功通过不同障碍环境的次数，障碍环境由总数为100的规则障碍物和不规则障碍物组成。由图5可见，普通的单面避障方法有着较低的成功通过率，而本文所提出的全方位避障方法则受此影响不大，有着较高的通过率。 图5 单面避障与全方位避障成功率对比 4 结论 设计的基于Arduino的智能小车避障系统，采用了单红外和双超声波避障方式，使小车在行车过程中对障碍物的探测更加精确。实验结果表明，设计的全方位避障系统较大地提高了避障的效率和成功率，可有效地实现全方位避障。 【分页导航】 第1页： Arduino模块/电机模块 第2页： 超声波传感器模块/红外传感器模块 第3页： 多传感器协调合作方案