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超聲波傳感器——無人機避障係統大盤點

時間:2016-01-11 08:42:10  來源:

隨著物質生活水平的逐漸提高,越來越多先進的科技產品變成了人們的玩具。回想從前,AG8亚游手裏的玩具是紙飛機、彈珠玻璃,有錢的小孩可能會買的起氣彈槍;而一轉眼15、20年過去了,長大成人的AG8亚游,手裏的玩物變成了手腕上的小型計算機,或者隻有巴掌大小卻能錄製高幀率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。它們由電驅動,通過多旋翼獲得升力飛行,機載了高清攝像頭可以用於航拍、地理測繪等多種用途。可以說,無人機因其便捷的使用方式和強大的功能,已經從玩具升格,成為一款多用途的科技產品。【超聲波傳感器

但是與此同時,無人機卻總是因為安全性問題,不合時宜地出現在各種社會新聞裏。幾個月前,一架大疆無人機墜毀在美國總統居住地白宮的草坪上,引起了人們對於無人機安全操作的廣泛關注。美國空管機構FAA也在過去一直因為相關問題,對於無人機的商業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。

無人機想要繼續發展,除了續航、功能進步之外,安全性也是不可小覷的方麵。時間進入2015年,世界上主要的消費級、商業級無人機製造商都開始將“避障係統”(Obstacle Avoidance)當做產品重點來提。今天,就來給大家介紹一下,目前市麵上主流的無人機,比如大疆、Parrot等都分別采用了什麽樣的自動避障係統。【超聲波傳感器


經過走訪問詢,AG8亚游發現主流的電動多旋翼無人機避障係統主要有三種,分別是超聲波、TOF,以及相對更複雜的,由多種測距方法和視覺圖像處理組成的複合型方法。

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造來發出超聲波,當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係統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係統,絕大部分生活中遇到的測距係統都是使用的這種技術,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射和接收器,然後將其接入飛控係統即可。


但是,超聲波在無人機避障係統的應用中也有比較明顯的幹擾問題。深圳零度無人機的CEO楊建軍指出,雖然超聲波避障係統不會受到光線、粉塵、煙霧,但在部分場景下也會受到聲波的幹擾。其次,如果物體表麵反射超聲波的能力不足,避障係統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,對應的反射物體材質是水泥地板,如果材質不是平麵光滑的固體物,比如說地毯,那麽超聲波的反射和接收就會出問題。

對於無人機來說,這種超聲波傳感器超聲波係統應該放在多個方向,比如放在前後左右四個方向,可以在懸停和飛行的時候對周圍保持監控;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麵。

TOF:通俗一點講,就是把前麵的超聲波換成光。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,然後檢測反射回來的光,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避障係統,使用的就是光相位檢測。和超聲波同樣,光波也會受到幹擾,而目前城市環境下樓宇間的光汙染,給TOF避障係統帶來了難題,係統發出的光,必須避開太陽光的主要能量波段,從而避免太陽光的直射、反射等對避障係統造成幹擾。

至於TOF係統的有效距離,“目前,TOF在室內測量距離最大可以到10米,室外強光幹擾的話,5米左右吧。”楊建軍介紹稱。

在懸停狀態下,TOF係統會一直保持快速旋轉,每秒鍾旋轉2-5圈。這是因為,在旋轉的過程中係統就可以完成對周圍有效半徑內的360°範圍進行快速掃描,從而用較快的速度發現障礙,然後對飛控係統發出調整位置的指令,避免對周圍的人或財物造成傷害;當在飛行的過程中,TOF係統則會停止旋轉,隻把光發射到前進的方向上。固定方向的時候,在室外的有效距離可以增加到8-10米。“對於一般無人機來說,美妙的飛行距離也就是10米左右,檢測到障礙物之後1秒的反應時間,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。

複合型、機器視覺避障係統:像大疆這樣全球知名度更高的無人機技術公司,在避障係統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係統“Guidance”,配套一個全新的可開發無人機平台“經緯”係列(Matrice 100)使用。(此款產品使用的是AG8亚游的NU40C16T/R-1超聲波探頭)



這套Guidance係統同樣可以在前、後、左、右和下,一共5個方向上進行障礙識別,而識別的機製分為兩個部分,分比為是超聲波和機器視覺。也就是說,除了常規的超聲波模塊以外,5個方向上還專門放置了攝像頭用於獲取視覺圖像,然後直接傳輸到機載的英特爾淩動(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)進行避障方麵的合作,同樣采用了包含機器視覺的複合型避障係統。

這種複合型避障係統,相對前兩種提到的模式來說技術含量更高一些。當然在工作效率上也有一定的優勢。Guidance係統配合大疆的Matrice 100無人機開發平台使用,可以為更多與物聯網有關的商業化使用場景帶來幫助,比如停車場管理。在室內GPS用於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進行較好的識別,從而對無人機在地下停車場封閉環境中的飛行提供更好的指導,識別的有效範圍可以顯著提升,準確度往往可以達到厘米級。


盡管在本文中,AG8亚游看到了各種各樣技術先進,頗有前景的避障係統。但截至目前為止,絕大多數市麵上主流的消費級無人機,比如大疆銷售量暴高的精靈(Phantom)係列,因為成本、量產難度等方麵的原因,目前仍然沒有官方推出的可用的避障係統。這時候,全世界的創客都坐不住了。

一家名為Panoptes的初創公司,為購買了大疆Phantom,又希望能夠用避障係統武裝自己的無人機的用戶提供了一套解決方案:eBumper4。這個產品已經適配了Phantom係列無人機,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,經過簡單的調試,就可以為無人機加上避障功能。【超聲波傳感器

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