隨著消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷成熟,不斷完善的自動(dòng)避障系統(tǒng)可以極大的減少因操作失誤而帶來(lái)的各項(xiàng)損失,目前避障能力正逐漸成為了無(wú)人機(jī)自動(dòng)化或智能化的關(guān)鍵點(diǎn)所在。
讓無(wú)人機(jī)自主避障教學(xué)研究邁向更高處slam導(dǎo)航避障算法。根據(jù)無(wú)人機(jī)避障技術(shù)的原理和發(fā)展趨勢(shì),可以將無(wú)人機(jī)避障技術(shù)分為三重階段：即感知障礙物階段、繞過障礙物和場(chǎng)景建模和路徑搜索。
感知障礙階段
"在開闊場(chǎng)地飛行,盡量避開人群,避免因操作失誤而帶來(lái)的安全事故”是目前大部分消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的使用說明上都會(huì)出現(xiàn)的一項(xiàng)標(biāo)注,因此各無(wú)人機(jī)開發(fā)商為了降低安全事故的發(fā)生幾率,都將避障技術(shù)作為了開發(fā)的重點(diǎn)。而如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自動(dòng)避障,首先要實(shí)現(xiàn)的是如何精確的測(cè)量無(wú)人機(jī)與障礙物之間的距離，只有先測(cè)量出危險(xiǎn)范圍內(nèi)的距離，才可以有時(shí)間在撞向障礙物之前停止無(wú)人機(jī)的前進(jìn)動(dòng)作,進(jìn)而避免事故的發(fā)生。就如人類或其他動(dòng)物在前進(jìn)的過程中,只有先看見前方的障礙物,并且會(huì)大致估算出自己與障礙物之間的距離,才能決定下一步的行為方向,因此雖然看似測(cè)距停止的這種思路很簡(jiǎn)單粗暴,但在實(shí)際應(yīng)用中還是有一定的存在意義。
而目前的無(wú)人機(jī)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用到的障礙物檢測(cè)方法有超聲波測(cè)距、紅外或激光測(cè)距、雙目視覺、電子地圖等。其中雙目視覺技術(shù)更是利用了人眼如何估計(jì)視覺的原理,是目前較受無(wú)人機(jī)開發(fā)商青睞的一種技術(shù)。超聲波測(cè)距其實(shí)是一種比較成熟的測(cè)距技術(shù),而成本相對(duì)較低,目前被大量的應(yīng)用于家用的汽車倒車?yán)走_(dá)上,但是其測(cè)量距離較近,而且對(duì)反射面有著一定的要求 ,因此常被用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)與地面之間的距離,而非與障礙物之間的距離。
紅外或激光測(cè)距又稱TOF是利用傳感器發(fā)射定頻率的信號(hào)，通過計(jì)算反射信號(hào)與原信號(hào)之間的相位差來(lái)確定信號(hào)的飛行時(shí)間,并最終確定的無(wú)人機(jī)與障礙物之間的距離，該技術(shù)一旦達(dá)到高等級(jí) ,還可以獲得障礙物的深度圖。
而雙目視覺技術(shù)是運(yùn)用了人眼計(jì)算距離的原理,是機(jī)器視覺的一種重要形式，主要基于視察原理并利用成像設(shè)備從不同的位置獲取被測(cè)物體的兩幅圖像，并通過計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的位偏差,來(lái)確定物體三維幾何信息的方法。雖然該技術(shù)的難度較高.但是已經(jīng)開始逐漸應(yīng)用到無(wú)人機(jī)避障技術(shù)中來(lái)。
電子地圖則是借助GPS系統(tǒng)、細(xì)粒度的數(shù)字高程地圖和城市建筑3D地圖，比較適用于無(wú)人機(jī)的禁區(qū)功能，不僅可以避免重要建筑物受到撞擊，還可實(shí)現(xiàn)多種情況下的避障功能。
在看過基本的障礙物測(cè)量原理之后，我們可以繼續(xù)看無(wú)人機(jī)的避障功能，最簡(jiǎn)單的概況就是通過各項(xiàng)障礙物測(cè)量技術(shù)，來(lái)保障無(wú)人機(jī)與障礙物之間的距離并且根據(jù)距離實(shí)行下一步的飛行計(jì)劃，然而在遇到障礙物之后就保持距離并進(jìn)行等待,只能說是無(wú)人機(jī)避障功能的最初級(jí)階段。
繞過障礙階段
當(dāng)無(wú)人機(jī)遇到障礙物之后進(jìn)行懸停等待，等待已經(jīng)完全不能滿足操作者們的使用需求目標(biāo),但是獲取前方障礙物距離容易，獲取精準(zhǔn)的障礙物輪廓并繞過去卻是新的技術(shù)障礙，而關(guān)鍵點(diǎn)則如何精確獲得障礙物的深度圖像。
在自然界中,動(dòng)物們都知道前方遇到障礙物時(shí)該如何繞過去,而不是只在障礙物之前等待,而原因在于動(dòng)物們可以知道障礙物的大致輪廓,只要找到邊緣處所在,就可以從邊上繞過去,然而看似簡(jiǎn)單的做法卻包含著很深的套路。
很簡(jiǎn)單的就是目前的測(cè)障技術(shù)很難滿足障礙物輪廓獲取的需求,當(dāng)無(wú)人機(jī)采用超聲波進(jìn)行測(cè)距時(shí),只能大致測(cè)出前方的距離,只能獲得二維的數(shù)值，而非三維的畫面。
但是目前的TOF和雙目視覺技術(shù)則是聲稱可以獲得障礙物深度圖像的技術(shù)。也就是說利用這兩種技術(shù)來(lái)進(jìn)行障礙物距離測(cè)量,只要障礙物沒有充滿整個(gè)視覺范圍,其邊緣總會(huì)被獲取到,而無(wú)人機(jī)則可以根據(jù)測(cè)量的結(jié)果繼續(xù)選擇下一步的飛行路線。
看似問題已經(jīng)解決，其實(shí)不然。舉例來(lái)說，當(dāng)我們出門想到達(dá)一個(gè)目的地的時(shí)候，如果目的地前方有一座高樓，我們可以通過發(fā)現(xiàn)高樓的邊緣從而繞過它來(lái)到達(dá)目的地,但是我們不可預(yù)知的是高樓背后是否有其他的建筑物的存在。無(wú)人機(jī)也是如此，一旦障礙物之后的近距離還有障礙物的存在，那么依然存在較高的事故發(fā)生率。因此如何應(yīng)對(duì)多重障礙物的存在就成為了無(wú)人機(jī)避障技術(shù)下一步需要探討的對(duì)象。
場(chǎng)景建模和路徑探索
上文說到無(wú)人機(jī)的避障功能已經(jīng)需要一個(gè)可以應(yīng)對(duì)多重障礙物的技術(shù)出現(xiàn)，也就是說在目前的技術(shù)中,如何對(duì)飛行場(chǎng)景進(jìn)行精準(zhǔn)建模,實(shí)時(shí)獲取場(chǎng)景模型,并通過飛控來(lái)設(shè)置最優(yōu)避障飛行路徑是重點(diǎn),這也拉開了無(wú)人機(jī)避障功能中的場(chǎng)景建模和路徑搜索階段的帷幕。
其實(shí)就是基于電子地圖等來(lái)源獲取場(chǎng)景模型,利用機(jī)載計(jì)算機(jī)中的算法來(lái)得出最優(yōu)路徑,如果應(yīng)用在自然界中來(lái)說,就是當(dāng)動(dòng)物經(jīng)過一些障礙物時(shí)，它們的大腦里面會(huì)存在相關(guān)場(chǎng)景的一個(gè)地圖,當(dāng)再一次經(jīng)過的時(shí)候，就會(huì)根據(jù)上次記憶的場(chǎng)景模型來(lái)獲取最佳避障路線。無(wú)人機(jī)雖然不能通過兩次飛行去獲取記憶的場(chǎng)景模型,但是它可以通過其他的科技手段來(lái)獲取,也就是說飛行場(chǎng)地的3D地圖等。
基于該項(xiàng)理論的基礎(chǔ)上，卓翼智能聯(lián)合北航專業(yè)視覺導(dǎo)航團(tuán)隊(duì)研發(fā)出，基于機(jī)器視覺無(wú)人平臺(tái)自主導(dǎo)航避障系統(tǒng)，具有立體視覺、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、稠密重建、Slam導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、自主避礙等功能。
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