無人機(jī)要想被冠以人工智能機(jī)器的稱號，當(dāng)然不能僅僅滿足于“飛起來”而已！關(guān)于未來的“人工智能無人機(jī)”的構(gòu)想,，無人機(jī)通常被想象為一架飛行中的機(jī)器人,。這架飛行機(jī)器人不但能夠和人交流，還能獨(dú)立完成任務(wù)或解決問題,。
其實(shí)這些高度智能的功能已經(jīng)在開發(fā)之中了，今天AOPA云小編要介紹的就是無人機(jī)“黑科技”中的避障技術(shù)！
無人機(jī)避障
什么是無人機(jī)避障技術(shù),？
顧名思義就是無人機(jī)自主躲避障礙物的智能技術(shù)。很多玩過無人機(jī)的小伙伴們都知道,，有避障功能的無人機(jī)和沒有避障功能的無人機(jī),，可以說體驗(yàn)是大不相同的！無人機(jī)自動避障系統(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)，還能給無人機(jī)新手極大的幫助,！
無人機(jī)避障技術(shù)發(fā)展階段和趨勢
根據(jù)目前無人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展以及其未來的研究態(tài)勢,，有資料分析認(rèn)為無人機(jī)避障技術(shù)可分為三個(gè)階段，一是感知障礙物階段,；二是繞過障礙物階段,；三是場景建模和路徑搜索階段。這三個(gè)階段其實(shí)是無人機(jī)避障技術(shù)的作用過程,。從無人機(jī)發(fā)現(xiàn)障礙物,，到可以自動繞開障礙物，再達(dá)到自我規(guī)劃路徑的過程,。
可能有人會問無人機(jī)達(dá)到第一個(gè)“發(fā)現(xiàn)障礙物”的階段不就很容易避開障礙物了嗎,？這第二個(gè)階段是不是有些多余！
其實(shí)不然,，無人機(jī)避障的三個(gè)階段的劃分都是有技術(shù)作為依據(jù)的,。其每個(gè)階段具體的技術(shù)分析如下：
第一階段，無人機(jī)只能是簡單地感知障礙物,。當(dāng)無人機(jī)遇到障礙物時(shí),，能快速地識別,，并且懸停下來，等待無人機(jī)駕駛者的下一步指令,！
第二階段,，無人機(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)無人機(jī)自主駕駛的階段,！
第三階段,，無人機(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,！這將是目前無人機(jī)避障技術(shù)的最高階段！
目前能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)避障功能的幾大主要技術(shù)
拋開無人機(jī)避障技術(shù)發(fā)展階段不談,，目前無人機(jī)避障技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)的是多元發(fā)展的模式,。老技術(shù)在淘汰，新技術(shù)在改良,，但整體來說都是不斷地調(diào)整前進(jìn)的方向,！從整體來說，無人機(jī)避障技術(shù)目前大致有六種,！
一,、超聲波避障
超聲波，用一個(gè)比較形象的比喻就是蝙蝠,。蝙蝠通過口腔中喉部的特殊構(gòu)造來發(fā)出超聲波,，當(dāng)超聲波遇到獵物或者障礙的時(shí)候就會反射回來，蝙蝠可以用特殊的聽覺系統(tǒng)來接收反射回來的信號,，從而探測目標(biāo)的距離,，確定飛行路線。
這是一項(xiàng)非常常見且非常成熟的技術(shù),！由于超聲波指向性強(qiáng),，而且能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量,。而且利用超聲波檢測往往比較迅速、方便,、計(jì)算簡單,、易于做到實(shí)時(shí)控制,，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求,，所以用來避障非常合適,。
目前來說，市面上有很多家用汽車的雷達(dá)都是采用的這項(xiàng)技術(shù),。而在無人機(jī)的具體應(yīng)用,，基石keyshare無人機(jī)就采用了超聲波避障技術(shù)。
但是超聲波測距并非一項(xiàng)完美的技術(shù),。雖然超聲波避障系統(tǒng)不會受到光線,、粉塵、煙霧,，但在部分場景下也會受到聲波的干擾,。其次，如果物體表面反射超聲波的能力不足,，避障系統(tǒng)的有效距離就會降低,，安全隱患會顯著提高。一般來說,，超聲波的有效距離是5米,，對應(yīng)的反射物體材質(zhì)是水泥地板，如果材質(zhì)不是平面光滑的固體物,，比如說地毯,，那么超聲波的反射和接收就會出問題。距離短,、對障礙物感知能力有限,，所以超聲波避障處境仍舊尷尬。這也就是市面上采用超聲波避障的無人機(jī)其有效避障距離非常短的原因,。
二,、紅外線或激光測距避障
紅外線或激光避障技術(shù)的英文名稱為“TIme of flight”，常常被縮寫成“TOF”,，因此紅外線或激光避障技術(shù)又被稱為飛行時(shí)間測距法,。
TOF 的工作原理和超聲波測距避障原理很相似，最大的不同就是把超聲波換成了紅外線或者激光,！該技術(shù)檢測方法有兩種：一種是光的時(shí)間,，另一種是光的相位。但不管是哪種方法,，其都是把光發(fā)射出去,，然后檢測反射回來的光，進(jìn)而判斷無人機(jī)的周圍是否有障礙物,，從而知道障礙物距離多少,。
零度Xplorer 2無人機(jī)采用的就是TOF避障系統(tǒng)。在零度Xplorer 2無人機(jī)懸停狀態(tài)下，TOF系統(tǒng)會保持每秒鐘旋轉(zhuǎn)2-5圈的快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài),。這樣就可以使TOF在旋轉(zhuǎn)的過程中完成對周圍有效半徑內(nèi)的360°范圍進(jìn)行快速掃描,，從而用較快的速度發(fā)現(xiàn)障礙，然后對飛控系統(tǒng)發(fā)出調(diào)整位置的指令,，避免對周圍的人或財(cái)物造成傷害,；而當(dāng)無人機(jī)在飛行的過程中，TOF系統(tǒng)則會停止旋轉(zhuǎn),，只把光發(fā)射到無人機(jī)前進(jìn)的方向上,。固定方向的時(shí)候，在室外的有效距離可以增加到8-10米,。對于一般無人機(jī)來說,，每秒的飛行距離也就是10米左右，檢測到障礙物之后1秒的反應(yīng)時(shí)間,，無人機(jī)可以用一個(gè)較大的加速度來停止前進(jìn),，這就足夠了。
但是和超聲波同樣,，光波也會受到干擾,。目前城市環(huán)境下樓宇間的光污染，給TOF避障系統(tǒng)帶來了難題,，系統(tǒng)發(fā)出的光,，必須避開太陽光的主要能量波段，從而避免太陽光的直射,、反射等對避障系統(tǒng)造成干擾,。從而就進(jìn)一步需要非常精準(zhǔn)的時(shí)間測量，乃至需要專用處理芯片,，而目前來說,，芯片價(jià)格則較為高昂。
三,、視覺圖像復(fù)合型技術(shù)
視覺圖像符合型技術(shù)通過高清攝像機(jī)拍攝幀速足夠高,、清晰、分辨率高的圖像,，借助一顆足夠小而性能強(qiáng)大的處理器,，分析每一幀圖像中是否存在障礙物。視覺圖像復(fù)合型技術(shù)隨著移動芯片的運(yùn)算能力的飛躍而越來越成為無人機(jī)避障首選,。
智能避障系統(tǒng)“Guidance”就是典型的視覺圖像復(fù)合型技術(shù),。Guidance系統(tǒng)的前后左右下五個(gè)方向都有專門進(jìn)行障礙識別的攝像頭，識別機(jī)制也有超聲波和圖像視覺兩種,。也就是說,，除了常規(guī)的超聲波模塊以外,，5個(gè)方向上還專門放置了攝像頭用于獲取視覺圖像，然后直接傳輸?shù)綑C(jī)載的l處理器進(jìn)行計(jì)算處理,。
進(jìn)入消費(fèi)級無人機(jī)市場時(shí)間較早的Parrot,，也在跟英偉達(dá)（Nvidia）進(jìn)行避障方面的合作，同樣采用了包含機(jī)器視覺的復(fù)合型避障系統(tǒng),。麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室也通過此技術(shù)探索避障技術(shù),，不過他們是通過2塊手機(jī)芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理后,，尋找出可以飛行的自由空間,，而不是識別障礙物后再進(jìn)行躲避?？梢哉f是非常主動的一種方法,。但是，這款無人機(jī)只能處理幾秒鐘內(nèi)的視頻數(shù)據(jù),，而不是會生成一個(gè)完整的區(qū)域地圖,，畢竟現(xiàn)有手機(jī)芯片的處理能力還很有限。
四,、Real Sense技術(shù)
微軟和英特爾聯(lián)合開發(fā)的RealSense 3D攝像頭,，利用自身的紅外發(fā)射器向目標(biāo)物“主動打光”，通過捕捉和定位光的扭曲變化自動計(jì)算并構(gòu)建出覆蓋區(qū)域內(nèi)的三維模型,，并借助自身的處理器完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整合,、借助搭載設(shè)備的處理器進(jìn)行更復(fù)雜的操作，從而自動調(diào)整自身以避開障礙物,。
RealSense本質(zhì)上也是類似于XBOX360外接的3D體感攝像機(jī)的紅外結(jié)構(gòu)光投影方案,。所不同的是，RealSense所投影的是一系列動態(tài)變化的圖案,，而非Kinect那樣的固定圖案,。因此，也造成了雖然RealSense的分辨率高,，也更穩(wěn)定,，但幀頻卻不如Kinect的情況，實(shí)際效果也沒有體現(xiàn)出所期待的優(yōu)勢,。
五,、雷達(dá)
雷達(dá)，應(yīng)用最多的還是軍事領(lǐng)域,，在民用階段還是很少使用,！而用在消費(fèi)級無人機(jī)上更是沒有先例！
但前不久,，在美國紐約州雪城舉辦的無人機(jī)交通管制峰會（Unmanned Traffic Management ConvenTIon - UTM 2016）,，舉行了一場無人機(jī)避障飛行比賽。無人機(jī)方案提供企業(yè)Aerotenna獲得了此次峰會比賽的冠軍。
除了精彩的比賽,，還有無人機(jī)的避障技術(shù)也稱為當(dāng)時(shí)的熱點(diǎn),！與通常無人機(jī)采用的超聲波或雙目等方案避障不同的是，Aerotenna的避障方案采用以雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)的?Sharp 360度微波雷達(dá),，同時(shí)搭載了雷達(dá)高度計(jì)?Landing作為室內(nèi)定高,，在障礙規(guī)避上效果相對傳統(tǒng)方案占了明顯優(yōu)勢。
但是雷達(dá)的成本相比于其他的避障技術(shù)還是比較高的,！
目前把雷達(dá)方案做到無人機(jī)上,，成本相比雙目、超聲是要稍微貴一些,，但并不是貴得離譜,。舉一個(gè)價(jià)位的參考的例子，“超聲波”好一點(diǎn)的一兩百（人民幣）,，雙目攝像頭稍微好一點(diǎn)大約六百到一千,，微波雷達(dá)目前大約在千元左右（根據(jù)解決方案的不同價(jià)位也不盡相同），但是這個(gè)價(jià)格也受生產(chǎn)量的影響,，將來產(chǎn)量上去了也會相應(yīng)降一些,。
但是由于雷達(dá)的可靠性、受環(huán)境影響較小的優(yōu)勢,，在將來的無人機(jī)避障技術(shù)上肯定會大放異彩的,！
六、電子地圖
當(dāng)飛行目標(biāo)區(qū)域被模型化為一張精確的三維立體地圖,，借助GPS等導(dǎo)航系統(tǒng),，就可以能夠?qū)崿F(xiàn)避開障礙物自主飛行。
在無人機(jī)上預(yù)先載入目標(biāo)區(qū)域的三維立體地圖,，就能知道障礙物的具體位置,，從而在飛行時(shí)候就提前避開它。而且在飛行的時(shí)候,，無人機(jī)還可以從多條路徑中選擇出最優(yōu)路徑,，這樣可以大大加快任務(wù)效率！
而且目前的三維立體地圖發(fā)展也很迅猛,，數(shù)據(jù)雖然尚不能做到非常準(zhǔn)確,，但是較之前還是有非常大的提升！隨著精確度的提升,，無人機(jī)運(yùn)用三維立體地圖實(shí)現(xiàn)避障,，還是非常有希望的！
說了這么多無人機(jī)避障技術(shù),，哪一項(xiàng)技術(shù)會稱霸未來呢,？其是依AOPA云小編之間,，我覺得未來無人機(jī)不只會采取單一技術(shù)實(shí)現(xiàn)避障功能，可能會采取多種避障技術(shù)集成的手段來實(shí)現(xiàn)不同場景下的避障,！當(dāng)讓,，這些愿景必須建立在各項(xiàng)技術(shù)非常成熟的情況下，特別是制造工藝非常成熟的情況下,，這樣才能更好地普及無人機(jī)避障技術(shù),，讓各位飛友“放心”地飛！