無人機(jī)避障技術(shù)三國殺 看誰才是真正的黑科技

今日北京時(shí)間凌晨，DJI大疆創(chuàng)新在美國紐約舉行新品發(fā)布會(huì)，發(fā)布了精靈系列新品——大疆精靈Phantom 4。雖然因?yàn)樘崆捌毓鈱?duì)于精靈4并無太多懸念，不過其中的三點(diǎn)創(chuàng)新功能依然表現(xiàn)了大疆的誠意，尤其是其中的視覺避障，可稱得上是黑科技。

目前，市面上主流的電動(dòng)多旋翼無人機(jī)避障系統(tǒng)主要有三種，分別是超聲波、TOF（激光雷達(dá)測(cè)距的一種）以及正有望成為主流的視覺測(cè)距。正好最受關(guān)注的國內(nèi)三家無人機(jī)廠商最近相繼都推出了自己的新品，并且分別使用到了這三種系統(tǒng)其中一種或兩種。那么，就來分析下，誰在避障上是真正的黑科技。

零度Xplorer 2：激光雷達(dá)TOF測(cè)距

TOF是Time of flight的簡寫，直譯為飛行時(shí)間。所謂飛行時(shí)間法3D成像，是通過給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測(cè)光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來得到目標(biāo)物距離。

使用這種方式光波容易受到干擾，系統(tǒng)發(fā)出的光，必須避開太陽光的主要能量波段，從而避免太陽光的直射、反射等對(duì)避障系統(tǒng)造成干擾。該原理需要非常精準(zhǔn)的時(shí)間測(cè)量，需要專用處理芯片，而芯片價(jià)格則較為高昂。

零度在CES2016上發(fā)布的Xplorer 2，采用的便是TOF測(cè)距方案。無人機(jī)上的“蘑菇頭”就是自動(dòng)避障模塊，該避障模塊可以實(shí)現(xiàn)在6m有效避障距離內(nèi)，以每秒50次的速率實(shí)現(xiàn)360°全方位掃描。

Xplorer 2自動(dòng)避障模塊

昊翔Typhoon H：Realsense（單目+結(jié)構(gòu)光）

Realsense的技術(shù)原理是，它采用了“主動(dòng)立體成像原理”，模仿了人眼的“視差原理”，通過打出一束紅外光，以左紅外傳感器和右紅外傳感器追蹤這束光的位置，然后用三角定位原理來計(jì)算出 3D 圖像中的“深度”信息。通過配有深度傳感器和全1080p彩色鏡頭，能夠精確識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作、面部特征、前景和背景，進(jìn)而讓設(shè)備理解人的動(dòng)作和情感。據(jù)Intel方面對(duì)外透露的數(shù)據(jù)，Realsense的有效測(cè)距可達(dá)10米。

Realsense屬于“單目+結(jié)構(gòu)光”，即單個(gè)攝像頭加結(jié)構(gòu)光發(fā)射器構(gòu)成深度攝像頭。不過結(jié)構(gòu)光卻是個(gè)“見光死”，“結(jié)構(gòu)光只適合暗環(huán)境、室內(nèi)。為啥intel弄個(gè)仿熱帶雨林的暗環(huán)境？因?yàn)闀?huì)受到干擾?。　崩讋?dòng)云合創(chuàng)始人廖鴻宇說，由于將3D深度攝像頭改為2D深度攝像頭，其“單目+結(jié)構(gòu)光”的智能導(dǎo)航模塊只需200元。

Typhoon H整合了Intel的Realsense模塊

大疆精靈Phantom 4：雙目視覺+超聲波

雙目的測(cè)距原理，就像我們?nèi)祟惖膬蓚€(gè)眼睛，看到的圖像不一樣，假如同一個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)眼睛看到兩張圖像是存在差異的，而通過三角測(cè)距是可以測(cè)出這個(gè)點(diǎn)的距離。

雙目視覺系統(tǒng)原理圖

Phantom 4增加了雙目避障，其實(shí)是沿用了guidance的核心算法，能夠識(shí)別最近0.7米，最遠(yuǎn)15米的障礙物；水平視角 60°，垂直視角為30°。雙目視覺的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，在遠(yuǎn)距離，雙目視覺能保證三維精準(zhǔn)信息，比如遠(yuǎn)處的兩座山能看出一個(gè)近一個(gè)遠(yuǎn)。當(dāng)然，遠(yuǎn)處的小目標(biāo)是不可以的。

Phantom 4 下視視覺定位模塊

誰的技術(shù)才是黑科技？

雷動(dòng)云合創(chuàng)始人廖鴻宇：

“其實(shí)，所有的光學(xué)測(cè)距除了TOF以外都是三角測(cè)距。雙目測(cè)距是基礎(chǔ)，但雙目測(cè)距的困難在于，比如兩個(gè)攝像頭各拍一張圖像，我怎么知道這兩張圖像中的某一點(diǎn)是同一點(diǎn)，這個(gè)我們稱為測(cè)中點(diǎn)，也叫錨點(diǎn)。這個(gè)是計(jì)算量很大的工作，后來有人想了一個(gè)辦法，我打一個(gè)結(jié)構(gòu)光出去，我把一個(gè)攝像頭去掉了，結(jié)構(gòu)光那個(gè)圖像是已知的，也就是說其中一個(gè)圖像我是明確知道的，那么另外一個(gè)攝像頭拍到的圖像呢，就很容易把這個(gè)點(diǎn)找出來，然后再計(jì)算其中的差異，這樣就可以測(cè)距了，這是結(jié)構(gòu)光測(cè)距原理。它的運(yùn)算量會(huì)小很多，因?yàn)殡p目的運(yùn)算復(fù)雜度太大了。不過結(jié)構(gòu)光的前提是需要補(bǔ)光，為什么叫主動(dòng)視覺，是因?yàn)槲覀兇虺隽艘皇?，那為了安全這束光不能太強(qiáng)，如果環(huán)境很亮的話，這個(gè)光點(diǎn)就很難找，所以結(jié)構(gòu)光一般不適合室外的環(huán)境，它適合室內(nèi)的環(huán)境，尤其是越暗的情況下，越容易找到這些點(diǎn)。而雙目視覺呢，是被動(dòng)視覺，所以外界的光越強(qiáng)圖像就越清晰，所以說雙目視覺比較適合室外的環(huán)境。

我覺得大疆比較創(chuàng)新的一點(diǎn)是，在室內(nèi)它的雙目視覺會(huì)弱一些的時(shí)候，恰好可以使用超聲波，然后在室外雙目視覺運(yùn)算量太大了，總會(huì)有漏掉的部分，這個(gè)時(shí)候超聲波也可以作為補(bǔ)充。超聲波的特點(diǎn)是用來測(cè)距離很準(zhǔn)確，但是不能形成各個(gè)點(diǎn)之間的深度信息，它只能測(cè)一個(gè)大概的距離。舉例來說，車上的雷達(dá)都是超聲的，它告訴你某個(gè)方向有障礙物，但是它不能告訴你哪個(gè)點(diǎn)有障礙物，但是用雙目視覺或結(jié)構(gòu)光我可以測(cè)出哪個(gè)點(diǎn)的深度信息。所以，超聲我們一般用來避障，它不適合室內(nèi)機(jī)器人的導(dǎo)航。而無人機(jī)在室外主要就是避障，比如只要知道前方有樹就行了。然后在室內(nèi)，有人用來定高，因?yàn)闊o人機(jī)要懸停，而GPS在室內(nèi)的信號(hào)比較弱?！?/span>

圖漾科技的創(chuàng)始人費(fèi)浙平同樣認(rèn)同結(jié)構(gòu)光在室外無法使用，而且雙目在觀測(cè)對(duì)象紋理不明顯的情況下很難有用武之地，不過他的方式不是減少一個(gè)攝像頭，而是在兩個(gè)攝像頭的基礎(chǔ)上再加上結(jié)構(gòu)光：

“guidance是雙目RGB，看他們網(wǎng)上其中有個(gè)說明：‘環(huán)境要求照明情況良好；觀測(cè)對(duì)象紋理明顯’。這是典型的保證雙目RGB方法能夠有效工作的前提，雙目的要求是兩個(gè)攝像頭能夠同時(shí)定位同一個(gè)特征點(diǎn)，對(duì)象特征紋理不豐富的話，比如一堵白墻，雙目是完全不能用的。所以雙目不能作為通用的深度傳感器使用，只能用作預(yù)設(shè)的特定任務(wù)，比如看手型（如leapmotion），避障（如DJI），ADAS（只看有限的前車物體）。雙RGB好處是室外晴天可用（當(dāng)然在保證攝像頭成像的前提下，不能對(duì)著光線過曝），普通結(jié)構(gòu)光在室外完全不行（如kinect和realsense）、室內(nèi)靠近窗口就已經(jīng)不行了。結(jié)構(gòu)光就像是投影儀，主動(dòng)發(fā)射設(shè)計(jì)好的紋理出去打在物體表面。為了不干擾人，用的紅外激光，人眼看不到，攝像頭可能看到這些紋理。工業(yè)深度相機(jī)為了效果好就直接用投影儀投射紋理的，反正不用考慮干擾人眼的問題?！?/span>

所以，總結(jié)起來就是，在無人機(jī)應(yīng)用上，零度的Xplorer 2因?yàn)橹挥?m有效避障距離失掉先機(jī)，大疆的精靈4比昊翔的Typhoon H的室外避障更勝一籌，當(dāng)然，如果加上結(jié)構(gòu)光是最好的了。