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无人机避障系统

目前,主流(liú)的电动(dòng)多旋翼无人机(jī)避障系统主要有三(sān)种,分(fèn)别(bié)是超(chāo)声波、TOF,以及相(xiàng)对更复杂的,由(yóu)多种测距方(fāng)法和视觉图像处理组(zǔ)成的复合型方法。

超声波:

一个(gè)比(bǐ)较(jiào)形象的比喻(yù)就是蝙蝠(fú)。这种飞行类哺乳(rǔ)动物,通(tōng)过口腔中(zhōng)喉部的(de)特殊构造来(lái)发出超声(shēng)波(bō),当超声波遇到(dào)猎物或者障碍(ài)的(de)时候就会反射回来,蝙蝠可以用特殊的听(tīng)觉(jiào)系(xì)统来接收反射回来的信号,从而(ér)探测目标的距离,确定(dìng)飞行(háng)路线。超声(shēng)波是最简单的(de)测距系(xì)统,绝大部分生活(huó)中遇到的测距系统都是使用的这种技术,最(zuì)常见的就是汽车(chē)的倒车(chē)雷(léi)达(dá)。在无人机上加装定向的超(chāo)声波发射和接收器(qì),然后将其接入飞控(kòng)系统(tǒng)即可。但(dàn)是,超声波在无人机(jī)避障系统的应用中(zhōng)也有比较明显的干(gàn)扰问题(tí)。虽(suī)然超声(shēng)波避障系统不(bú)会(huì)受到光线(xiàn)、粉尘、烟(yān)雾,但在部分场景下也会(huì)受到(dào)声波的(de)干扰。其次,如果物(wù)体表面反射超声波(bō)的能力不足(zú),避障系统(tǒng)的有(yǒu)效距(jù)离就会降低,安全隐患会显著提高。一(yī)般来说(shuō),超声波的有效距离(lí)是5米,对(duì)应的反射物体材质是水泥地板,如果材质(zhì)不(bú)是平(píng)面光(guāng)滑的固体物,比如说地毯,那么超声波的(de)反射和接收就会出问题。

对于无人机来说,这种超声波系统(tǒng)应该(gāi)放在多个方向,比如放(fàng)在(zài)前(qián)后左右四个方向,可以在(zài)悬(xuán)停和飞行的(de)时候(hòu)对周围(wéi)保持监控;而放在机身下方和(hé)上(shàng)方,则可以在起飞、下降以及(jí)降落的(de)时候避免速度太快(kuài)碰到障碍物或者地面(miàn)。

TOF

通俗一(yī)点讲,就(jiù)是(shì)把前面的超声波换成光。检测方(fāng)法有两种一种是光的时(shí)间,另一种是光的相(xiàng)位。但是总(zǒng)的来(lái)说(shuō),都是(shì)把光打出去(qù),然后检测反射回来的光,进而(ér)判断无人机的周(zhōu)围是否有障(zhàng)碍物,距(jù)离几何等等(děng)。

和超声波同样(yàng),光波也会(huì)受到干扰,而目前城市环境(jìng)下楼宇间的光(guāng)污染,给TOF避障(zhàng)系统带(dài)来了难(nán)题,系统(tǒng)发出的光,必须(xū)避开太(tài)阳(yáng)光的主要能量(liàng)波段(duàn),从(cóng)而避免太阳(yáng)光的(de)直射、反射等对避障系统造成干扰(rǎo)。

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(zuǒ)右吧。在悬停状态下,TOF系统会一直保(bǎo)持快速旋转,每秒(miǎo)钟旋转2-5圈。这(zhè)是因为,在旋转的(de)过程中系(xì)统就可以完成对周围有效半径内的360°范围进行快速扫描(miáo),从而(ér)用较(jiào)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(fēi)行(háng)的过程中(zhōng),TOF系统则会停止旋转,只(zhī)把光发射到前进的方向(xiàng)上。固定(dìng)方(fāng)向的时候,在室外的有效距离(lí)可以(yǐ)增加到8-10米。对于一般(bān)无人(rén)机来说,美妙的飞行距离也(yě)就是10米左右(yòu),检测到障碍物之后1秒的(de)反(fǎn)应时间(jiān),无人机可以用一个较大的加(jiā)速(sù)度来(lái)停(tíng)止前进。

复合型、机器视觉避障系统:

可以在(zài)前、后、左(zuǒ)、右和下,一共5个方向上进行障碍识别,而识别的(de)机(jī)制(zhì)分为两个部分(fèn),分(fèn)比(bǐ)为是超(chāo)声(shēng)波和机(jī)器视觉。也就是(shì)说,除(chú)了(le)常规(guī)的超声波模块(kuài)以外(wài),5个方向上还专(zhuān)门(mén)放置(zhì)了摄像头用(yòng)于获取视(shì)觉(jiào)图像,然后直(zhí)接传输(shū)到机载的英特尔凌动(AtomBay Trail处理(lǐ)器(qì)进行计(jì)算处理。另外,进入(rù)消费级(jí)无人(rén)机市场时(shí)间较早的Parrot,也在跟英伟达(Nvidia)进行避障(zhàng)方面的合作,同(tóng)样采(cǎi)用了包含机器视觉(jiào)的复合型避(bì)障系(xì)统。

这种复合型避障系统(tǒng),相对前两种提到的模(mó)式来说技术含量更高一(yī)些。当然在工作效率上也有一(yī)定(dìng)的优势(shì)。比(bǐ)如停车(chē)场管理。在室内GPS用于定位基本(běn)可以(yǐ)免谈了,在地下停(tíng)车场(chǎng)中(zhōng)光照条件一般不太好(hǎo),而超声波与机器视觉(jiào)加起来,几乎可以在任何照(zhào)度下对多种材质进(jìn)行较好的识别(bié),从而对无人机在地下停车场封闭(bì)环境中的飞行提供更(gèng)好(hǎo)的指导,识别的有效(xiào)范围可以显著提升,准确度(dù)往(wǎng)往可以达到厘米(mǐ)级。

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