隨著物質(zhì)生活水平的逐漸提高，越來越多先進的科技產(chǎn)品變成了人們的玩具?；叵霃那?，我們手里的玩具是紙飛機、彈珠玻璃，有錢的小孩可能會買得起氣彈槍；而一轉(zhuǎn)眼15、20年過去了，長大成人的我們，手里的玩物變成了手腕上的小型計算機，或者只有巴掌大小卻能錄制高幀率4K視頻的GoPro運動攝像機。

在所有的“玩物”中，無人機恐怕是最為昂貴、最不像玩具的一類。它們由電驅(qū)動，通過多旋翼獲得升力飛行，機載了高清攝像頭可以用于航拍、地理測繪等多種用途?？梢哉f，無人機因其便捷的使用方式和強大的功能，已經(jīng)從玩具升格，成為一款多用途的科技產(chǎn)品。

但是與此同時，無人機卻總是因為安全性問題，不合時宜地出現(xiàn)在各種社會新聞里。幾個月前，一架大疆無人機墜毀在美國總統(tǒng)居住地白宮的草坪上，引起了人們對于無人機安全操作的廣泛關(guān)注。美國空管機構(gòu)FAA也在過去一直因為相關(guān)問題，對于無人機的商業(yè)化使用進行嚴格的管控，直到幾天前（2015年7月19號）才有第一個FAA允許的商用無人機快遞成功送出。

無人機想要繼續(xù)發(fā)展，除了續(xù)航、功能進步之外，安全性也是不可小覷的方面。時間進入2015年，世界上主要的消費級、商業(yè)級無人機制造商都開始將“避障系統(tǒng)”（Obstacle Avoidance）當(dāng)做產(chǎn)品重點來提。今天，就來給大家介紹一下，目前市面上主流的無人機，比如大疆、Parrot等都分別采用了什么樣的自動避障系統(tǒng)。

經(jīng)過走訪問詢，我們發(fā)現(xiàn)主流的電動多旋翼無人機避障系統(tǒng)主要有三種，分別是超聲波、TOF，以及相對更復(fù)雜的，由多種測距方法和視覺圖像處理組成的復(fù)合型方法。

超聲波：一個比較形象的比喻就是蝙蝠。這種飛行類哺乳動物，通過口腔中喉部的特殊構(gòu)造來發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到獵物或者障礙的時候就會反射回來，蝙蝠可以用特殊的聽覺系統(tǒng)來接收反射回來的信號，從而探測目標的距離，確定飛行路線。

超聲波是最簡單的測距系統(tǒng)，絕大部分生活中遇到的測距系統(tǒng)都是使用的這種技術(shù)，最常見的就是汽車的倒車雷達。在無人機上加裝定向的超聲波發(fā)射和接收器，然后將其接入飛控系統(tǒng)即可。

但是，超聲波在無人機避障系統(tǒng)的應(yīng)用中也有比較明顯的干擾問題。深圳零度無人機的CEO楊建軍指出，雖然超聲波避障系統(tǒng)不會受到光線、粉塵、煙霧，但在部分場景下也會受到聲波的干擾。其次，如果物體表面反射超聲波的能力不足，避障系統(tǒng)的有效距離就會降低，安全隱患會顯著提高。一般來說，超聲波的有效距離是5米，對應(yīng)的反射物體材質(zhì)是水泥地板，如果材質(zhì)不是平面光滑的固體物，比如說地毯，那么超聲波的反射和接收就會出問題。

對于無人機來說，這種超聲波系統(tǒng)應(yīng)該放在多個方向，比如放在前后左右四個方向，可以在懸停和飛行的時候?qū)χ車３直O(jiān)控；而放在機身下方和上方，則可以在起飛、下降以及降落的時候避免速度太快碰到障礙物或者地面。

TOF：通俗一點講，就是把前面的超聲波換成光。檢測方法有兩種一種是光的時間，另一種是光的相位。但是總的來說，都是把光打出去，然后檢測反射回來的光，進而判斷無人機的周圍是否有障礙物，距離幾何等等。

零度最近展示的無人機TOF避障系統(tǒng)，使用的就是光相位檢測。和超聲波同樣，光波也會受到干擾，而目前城市環(huán)境下樓宇間的光污染，給TOF避障系統(tǒng)帶來了難題，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、反射等對避障系統(tǒng)造成干擾。

至于TOF系統(tǒng)的有效距離，“目前，TOF在室內(nèi)測量距離最大可以到10米，室外強光干擾的話，5米左右吧?！睏罱ㄜ娊榻B稱。

在懸停狀態(tài)下，TOF系統(tǒng)會一直保持快速旋轉(zhuǎn)，每秒鐘旋轉(zhuǎn)2-5圈。這是因為，在旋轉(zhuǎn)的過程中系統(tǒng)就可以完成對周圍有效半徑內(nèi)的360°范圍進行快速掃描，從而用較快的速度發(fā)現(xiàn)障礙，然后對飛控系統(tǒng)發(fā)出調(diào)整位置的指令，避免對周圍的人或財物造成傷害；當(dāng)在飛行的過程中，TOF系統(tǒng)則會停止旋轉(zhuǎn)，只把光發(fā)射到前進的方向上。固定方向的時候，在室外的有效距離可以增加到8-10米。“對于一般無人機來說，美妙的飛行距離也就是10米左右，檢測到障礙物之后1秒的反應(yīng)時間，無人機可以用一個較大的加速度來停止前進，這就足夠了，”楊建軍解釋道。

復(fù)合型、機器視覺避障系統(tǒng)：像大疆這樣全球知名度更高的無人機技術(shù)公司，在避障系統(tǒng)的選用上則更加先進。大疆在2015年6月初推出了一個全新的官方智能避障系統(tǒng)“Guidance”，配套一個全新的可開發(fā)無人機平臺“經(jīng)緯”系列（Matrice 100）使用。

DJI Guidance

這套Guidance系統(tǒng)同樣可以在前、后、左、右和下，一共5個方向上進行障礙識別，而識別的機制分為兩個部分，分比為是超聲波和機器視覺。也就是說，除了常規(guī)的超聲波模塊以外，5個方向上還專門放置了攝像頭用于獲取視覺圖像，然后直接傳輸?shù)綑C載的英特爾凌動（Atom）Bay Trail處理器進行計算處理。另外，進入消費級無人機市場時間較早的Parrot，也在跟英偉達（Nvidia）進行避障方面的合作，同樣采用了包含機器視覺的復(fù)合型避障系統(tǒng)。

這種復(fù)合型避障系統(tǒng)，相對前兩種提到的模式來說技術(shù)含量更高一些。當(dāng)然在工作效率上也有一定的優(yōu)勢。Guidance系統(tǒng)配合大疆的Matrice 100無人機開發(fā)平臺使用，可以為更多與物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的商業(yè)化使用場景帶來幫助，比如停車場管理。在室內(nèi)GPS用于定位基本可以免談了，在地下停車場中光照條件一般不太好，而超聲波與機器視覺加起來，幾乎可以在任何照度下對多種材質(zhì)進行較好的識別，從而對無人機在地下停車場封閉環(huán)境中的飛行提供更好的指導(dǎo)，識別的有效范圍可以顯著提升，準確度往往可以達到厘米級。

盡管在本文中，我們看到了各種各樣技術(shù)先進，頗有前景的避障系統(tǒng)。但截至目前為止，絕大多數(shù)市面上主流的消費級無人機，比如大疆銷售量暴高的精靈（Phantom）系列，因為成本、量產(chǎn)難度等方面的原因，目前仍然沒有官方推出的可用的避障系統(tǒng)。這時候，全世界的創(chuàng)客都坐不住了。

一家名為Panoptes的初創(chuàng)公司，為購買了大疆Phantom，又希望能夠用避障系統(tǒng)武裝自己的無人機的用戶提供了一套解決方案：eBumper4。這個產(chǎn)品已經(jīng)適配了Phantom系列無人機，以及3D Robotics公司的Iris無人機。它其實是給這些無人機更換了一個包含避障識別功能的機殼，把原裝的機殼換下來，再把eBumper4換上，經(jīng)過簡單的調(diào)試，就可以為無人機加上避障功能。

還有更多個人身份的創(chuàng)客希望打造出普適性更高，價格更低廉的避障系統(tǒng)。早在2013年，就有幾位女性開發(fā)者使用夏普的紅外攝像頭、Arduino開發(fā)板，以及Parrot推出的SDK自己開發(fā)出了一個簡易的避障系統(tǒng)。

目前，無論是企業(yè)級服務(wù)商提供的產(chǎn)品，如英特爾的RealSense實感攝像頭，還是個人創(chuàng)客用廉價的零件組裝出一套解決方案，避障系統(tǒng)進入消費級無人機的條件都已經(jīng)得到了滿足。如果生產(chǎn)廠商真的希望無人機能夠從硬核愛好者的玩物，變成能夠進入千家萬戶的大眾商品，加入先進的、商業(yè)級的避障系統(tǒng)肯定是接下來民用消費級無人機的重要發(fā)展趨勢——重要性遠高于更長的續(xù)航時間和更多的功能。

文章作者：光譜

封面圖片轉(zhuǎn)自昵圖網(wǎng)