什么是无人机避障技术?

2018-08-24

  无人机要想被冠以人工智能机器的称号,当然不能仅仅满足于“飞起来”而已!关于未来的“人工智能无人机”的构想,无人机通常被想象为一架飞行中的机器人。这架飞行机器人不但能够和人交流,还能独立完成任务或解决问题。

  什么是无人机避障技术?

  顾名思义就是无人机自主躲避障碍物的智能技术。根据物体拥有的各种感官器件,对于外界的阻碍到物体的运动方向的作出各种躲避障碍的动作,并继续打断前的动作,这个过程就是避障。

  随着消费级无人机技术的不断成熟,不断完善的自动避障系统可以极大的减少因操作失误而带来的各项损失,目前避障能力正逐渐成为了无人机自动化或智能化的关键点所在。

  很多玩过无人机的小伙伴们都知道,有避障功能的无人机和没有避障功能的无人机,可以说体验是大不相同的!无人机自动避障系统能够及时地避开飞行路径中的障碍物,极大地减少因为操作失误而带来的各项损失。在减少炸机事故次数的同时,还能给无人机新手极大的帮助!

  无人机避障技术发展阶段和趋势

  根据目前无人机避障技术的发展以及其未来的研究态势,有资料分析认为无人机避障技术可分为三个阶段:

  一是感知障碍物阶段;

  二是绕过障碍物阶段;

  三是场景建模和路径搜索阶段。

  这三个阶段其实是无人机避障技术的作用过程。从无人机发现障碍物,到可以自动绕开障碍物,再达到自我规划路径的过程。

  可能有人会问无人机达到第一个“发现障碍物”的阶段不就很容易避开障碍物了吗?这第二个阶段是不是有些多余!

  其实不然,无人机避障的三个阶段的划分都是有技术作为依据的。其每个阶段具体的技术分析如下:

  第一阶段,无人机只能是简单地感知障碍物。当无人机遇到障碍物时,能快速地识别,并且悬停下来,等待无人机驾驶者的下一步指令!

  第二阶段,无人机能够获取障碍物的深度图象,并由此精确感知障碍物的具体轮廓,然后自主绕开障碍物!这个阶段是摆脱飞手操作,实现无人机自主驾驶的阶段!

  第三阶段,无人机能够对飞行区域建立地图模型然后规划合理线路!这个地图不能仅仅是机械平面模型,而应该是一个能够实时更新的三维立体地图!这将是目前无人机避障技术的最高阶段!

  无人机公司避不开的“障碍”

  无人机避障技术概况

  无人机的障障技术,是怎样的一回事?

  最初的无人机,能透过陀螺仪和加速器,感知无人机的平稳程度,透过控制四个电机的输出,稳定自身的飞行和悬停形态。然后,无人机引入 GPS 和气压计感器,结合陀螺仪和加速器定位;GPS 判断自身的平面位置,气压计判断自身的垂直高度,再透过控制电机输出,把无人机保持在同一平面和垂直点。

  虽然,无人机已经能成功找到三维的“绝对定位”(GPS 平面坐、气压垂直高度),但如何在四边不靠的空中,感知四周环境,知道无人机与邻近事物的“相对定位”(与周遭四事的距离),成为了业界的最大课题。诚然,最新的一批无人机的避障技术,其实骨子里就也就是:以传感器判断周遭事物与自身的距离,然后透过控制电机输出,停止继续接近障碍、甚至是绕过障碍。

  最初,无人机常用的测距方式为“飞行时间 (Time of Flight, TOF) ”,无人机透过发射激光/红外线/超声波,然后计算电波反射到传感器的时差,估算障碍与自己的距离;但这种方法感知范围狭窄、距离也不够远。爱范儿曾报道,2016 年的新一批无人机,主要建基于计算机视觉:改用透过双目摄影机或结构光的造成的视差 (Parallax)(上图),进行即时的三维建模,判定障碍物与无人机之间的距离。

  但是,为什么消费级无人机的自动避障变得先进了,但仍然火不起来?

  避障/飞行,一个矛盾命题

  避障之所以重要,是因为障碍物的存在;没有障碍物,根本也不需要避障。

  无人机除了是一台机器人,它更是一台会飞的机器人;要拍机器人飞上天,为的也是要躲开各种地表的障碍,以取得更直接的移动路线、或是更广阔而无遮挡的视野。简言之,避障是要用来回避障碍,但无人机飞得愈高,障碍物就愈少,对避障的需求就愈来愈低。

  所以某程度上,无人机加入避障能力,本身还是矛盾命题。

  为什么消费级无人机的自动避障技术,最后就火不了?也就是因为“避障/飞行”的矛盾 ── 目前消费级无人机仍然以航拍为主。用户为了拍摄“上帝视角”,需要把无人机飞往高空;但在高空里却没有太多的障碍要躲,航拍无人机飞行愈高,景色愈壮观,愈壮观的景色,愈与避障无关。

  虽然如此,无人机的自动避障技术在航拍上用处不大,但它在行业无人机里仍然十分重要。

  举例说,植保无人机针对的是地面环境,一般在农作物的 1 – 2 米上空喷洒,无人机飞高了,就难以集中的喷洒农药;不会自动避障的话,很容易就撞到树了。同样地,专业电影无人机针对的也是地面的拍摄场景,飞得太高的话,什么俊男美女也变成小豆一颗;但飞得太低,明星们都身娇肉贵,不个不小心削到脸皮,谁来负责?其余像经常穿梭灾场的救灾无人机、或是巡逻监察的安防无人机,更不在话下了。

  自动避障技术真的没有用吗?

  所以,无人机避障绝非没用,只是在消费级无人机上,火不了起来而已。

  消费级无人机,真的不需要避障吗?不是的。航拍无人机在起飞、降落和和断线后的自动回航的情况下,仍然需要一定程度的避障能力;何况消费级无人机的用户,不少都是新手、是无人机的小白,更需要自动避障保护。正如爱范儿指出,不少新手在操控无人机的时候,最常犯的错误就搞错操作方向,简单来说就是“推前走左、推右走后”,然后撞墙。

  然而,由于“视觉避障”对计算能力要求极高,超出消费级无人机所能负担的程度。即使前向避障也许能防止失控回航时的撞墙意外,但一般新手仍然经常因为操作失误,从侧向或后面撞上障碍,然后炸机。

  更讽刺的是,自拍无人机飞得更矮,更需要自动避障吧?但偏偏是飞行高度最小、最接近地面、需要面对最多障碍物、最需要自动避障能力的自拍无人机,更受限于体积、成本和续航力,更难以引入自动避障功能。也许某程度上,自拍无人机缺少自动避障功能,阻碍了它的普及;而自拍无人机没能普及,也使消费者对自动避障更提不起劲。

  为什么厂商要研发自动避障?

  如是者,为什么无人机公司要如此积极研发自动避障技术?因为它是未来。

  正确一点来说,Odin 说的“未来”不是指自动避障技术,而是“计算机视觉”和“自动化操作”,避障只是它们的“应用场景”。“计算机视觉”和“自动化操作”,均为未来机械人学及人工智能范畴的显学,而自动避障则是当中的应用方式。举例说,Mobileye 就把计算机视觉用于在辅助驾驶,透过自动避障技术,让汽车在若干程度上能自主行走。

  但相比起无人驾驶汽车来说,无人机对“自动避障”的需求更大、难度也更低。举例说,我们要一人一台、手动遥控一定数量的无人机,并进行长时间的飞行任务,绝非易事;故此,像植保或安防等行业无人机,已经开始利用地面站集中管理,进行长时间的自动化自动喷洒或监察任务(上图)。因此,行业无人机必须拥有可靠的自动避障能力,来让无人机自己运作。

  即使自动避障能力没能在消费级无人机发挥很大效果,但背后的计算机视觉原理,也在降低消费级无人机的操作难度。

  例如是大疆的双目下视镜头,采用立体的视觉里程计 (Visual Odometry) 技术,使无人机的定高能力更精准;而其 FlightAutonomy 五向感知技术,大幅提升无人机的室内定位能力,也有双目视觉和侧向红外线侧距的功劳,让无人机更稳定 ── 何况是基于计算机视觉的各种视觉跟随和指点飞行功能(上图),把无人机的操作变得更简单?

  自动避障的未来?

  总体来说,Odin 并不否认消费级无人机的自动避障能力,目前还是鸡肋,食之无肉,弃之有味。但尽管目前消费者对自动避障兴趣不大,但由于目前计算机技术计算仍然有很大潜力,未来在消费级市场上还有什么的发展空间,仍然很不好说。

  所以,无人机公司如果单纯为了航拍市场用不上自动避障、或是因为自拍无人机不温不火而放弃计算机视觉,那就实在太短视了。