室内无人机快速避障

2018-11-26

  目前,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。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。

  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。

  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。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。推荐阅读:灵show室内无人机率先解决应急救援行业痛点

  复合型、机器视觉避障系统:

  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。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。