红外?视觉?主流无人机避障技术解析

作者辰一

在前篇文章《大疆Inspire 2和Phantom 4 Pro并不是无人机》中,笔者将航拍无人机分为了两个方面去解析,一方面是相机部分,一方面则是飞行器,飞行器的可靠性是所有用户和厂商关心的内容,包括飞行控制、图像传输、续航时间等,本文主要解析目前在安全性方面最为重要的避障技术。

在如今无人机市场飞速增长的时代,避障技术一直伴随着相关技术进行着日新月异的变革,同时也是未来无人机实现自动化、智能化的关键步骤。有了强大的环境感知系统与避障能力至少能从产品层面去减少无人机损坏或造成事故的概率。幸运的是,我们也能在各个消费级无人机厂商的新品和发展方向上看到避障技术将会在未来成为无人机上的核心硬件。

其中最有代表性当属大疆的Phantom 4,体验过它的模友应该对其环境感知系统惊叹。要做到避障,就需要无人机通过传感器实时获取周边环境信息,而获取周围环境信息的传感器就目前而言可分为超声波传感器、红外传感器、激光传感器以及视觉传感器,每个传感器各自有不同的原理及特点。


超声波

超声波测距是最简单的感知系统,例如生活中常见的汽车倒车雷达,在Parrot等无人机上被人熟知。其基本原理是测量超声波的飞行时间,通过公式d=vt/2测量相关距离。具体是通过压电或静电变送器产生一个频率在几十kHz的超声波脉冲组成波包,系统检测高于某阈值的反向声波,检测到后使用测量到的飞行时间计算出距离。

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由于超声传感器的成本低、实现方法简单、技术成熟,是无人机常用的传感器。但不同材料对声波的反射或者吸引是不相同的,在部分场景下易受到其他声波干扰,并且超声波的测量周期较长,比如3米左右的物体,声波传输这么远的距离需要约20ms的时间。

超声波传感器一般作用距离较短,普通的有效探测距离都在几米,如果用以前视避障,无人机可能来不及刹车,所以一般用于下方感知与地面的距离。

优点:技术成熟,成本低,调试简单

缺点:易受其他声波干扰,距离短


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红外

红外感应器具备红外发射器与CCD检测器,一般的红外感知都是采用三角测距的原理。红外发射器按照一定角度发射红外光束,遇到物体之后,光会反射回来,CCD检测到反射光之后,通过结构上的几何三角关系,就可以计算出物体距离。

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当D的距离足够近的时候,上图中L值会相当大,如果超过CCD的探测范围,这时,虽然物体很近,但是传感器反而看不到了。当物体距离D很大时,L值就会很小,测量精度会变差。因此,常见的红外传感器测量距离都比较近,同时远距离测量也有最小距离的限制。

另外,红外感应器对障碍物的要求跟超声波恰恰相反,它需要漫反射表面,而对于透明的或者近似黑体的物体,红外传感器是无法检测距离的。

优点:技术成熟,成本较低

缺点:对抗环境光干扰能力较差,需要漫反射物体才能检测,距离较短


激光

常见的激光传感器感知距离原理是基于飞行时间(Time of Flight)的,也就是ToF避障。激光传感器包括发射器和接收器,发射器用激光照射障碍物,接收器接收反向回的光波。激光测距有两个方式,一种是检测光的时间差,另一种是检测光的相移差。

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检测时间差类似于前面提到的超声波测距公式,通过测量激光的飞行时间来进行测距d=ct/2。对时间差的测量也有不同的方法,比如使用脉冲激光,直接测量占用的时间,但因为光速远高于声速,需要非常高精度的时间测量元件,所以成本非常高;另一种是发射调频后的连续激光波,通过测量接收到的反射波之间的差频来测量时间。

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而检测光的相移差则是比较简单的方案。传感器以已知的频率发射一定幅度的调制光,并测量发射和反向信号之间的相移。调制信号的波长为lamda=c/f,其中c是光速,f是调制频率,测量到发射和反射光束之间的相移差theta之后,距离可由lamda*theta/4pi计算得到。

激光的测量距离可以达到几十米甚至上百米,角度分辨率高,通常可以达到零点几度,测距的精度也高。但在非漫反射以及太阳光的主要能量波段的环境下,激光就无能为力了。 由于激光测距成本高昂,一些厂商(如零度Xplorer 2等产品上)会采用低成本的三角测距的方案进行测距,但这时它们的量程会受到限制,一般几米以内,并且精度相对低一些,所以有的朋友会将红外理解为ToF的一种。

优点:距离远,精度高

缺点:成本高昂,需要漫反射物体才能检测,不能在太阳光的主要能量波段


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视觉

常用的视觉感知系统也有很多种,比如双目视觉、基于ToF的深度相机,基于结构光的深度相机等。

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我们所熟知的双目视觉的测距本质上也是三角测距法,由于两个摄像头的位置不同,就像我们人的两只眼睛一样,看到的物体不一样。两个摄像头看到的同一个点P,在成像的时候会有不同的像素位置,此时通过三角测距就可以测出这个点的距离。

双目立体视觉算法由大量的代数方程组构成,对数据的处理量通用巨大,需要强大的处理能力进行协同计算。当然由于摄像头原理问题,在弱光环境下,双目视觉也没办法进行环境感知。

优点:距离优秀,精度高,成本较低

缺点:运算复杂,需要光线充足环境


了解了无人机常见的避障技术以及环境感知原理,其实我们可以看到红外、激光、视觉传感器都是采用的三角测距法(高成本的ToF除外),成本各不相同,各个厂商都会根据自身产品定位而选择不同的传感器应对各种实用场景。目前主流厂商都会根据传感器各自的优劣势,采用多种传感器组合进行环境感知与避障,例如大疆Phantom 4 Pro采用了视觉、超声波以及红外传感器,昊翔台风H RS版采用了红外、视觉组合而成的避障模块。

多种传感器结合才能铸就更完善的自主避障系统,从而在自主飞行方面更加智能与安全,同时使无人机的操作门槛更低。


文章部分插图来自雷锋网


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