這幾年隨著大疆創新（DJI）、零度智控（ZEROTECH）、億航（EHang）等公司的產品曝光度越來越高，無人機概念日漸火熱，其發展勢頭迅猛，就像20世紀80年代的個人電腦。在為人類服務的道路上，無人機時代正在向我們走來。
無人機到底是啥？
　　無人機的定義是: An aircraft without a human pilot aboard。從技術角度來劃分的話，無人機可以簡單分為固定翼，直升機以及多旋翼三類。但從其定義可以看出，無人機并不局限于此，即便是無法控制，也沒有任何自駕儀的氣球炸彈也屬于無人機的范疇（在1849年，奧地利的先驅們曾經用裝滿炸彈的熱氣球去“轟炸”過威尼斯，這個可比日本人借助洋流將氣球炸彈送到美國東海岸的“飛象行動”早了95年）。
　　通常無人機可由人員遙控操作，或是在機載計算機的控制下間歇或完全自主工作。相比于載人飛行器，最初的無人機任務定位是去處理對于人類來說“枯燥，骯臟以及危險”的工作。現如今，無人機的任務相比最初已經有了極大拓展，其任務范圍從最初的軍事用途擴展到了科學研究，農業，電力巡檢，搜救，個人娛樂等。


圖為常規布局固定翼


圖為直升機　　　　　　　　　　　　　　 圖為四旋翼控制原理

圖為美軍修復后放飛用于研究的日本氣球炸彈

無人機的系統特性對比
　　對比三種常見類型無人機的系統特性如下：
　　常規固定翼：系統為穩定系統，同時具有完整的驅動系統。
　　常規直升機：系統不穩定，同時具有完整的驅動系統。
　　多旋翼：系統既是不穩定的，也是欠驅動的。
　　雖然多旋翼控制系統難設計，氣動效率低，機動性差，但其相比于其他兩類，動力學模型和結構相對簡單，對起降場地以及使用者的操縱水平要求不高，再加上其酷炫的外表，引起了人們的廣泛研究與應用，成為目前市場上最常見的無人機類型。
　　除了軍用與工業使用外，近年來消費級無人機市場快速崛起。隨著越來越多的新晉廠商入局試水，目前市場上已存在各種級別的到手即飛整機供消費者選擇，把航拍從少數專業玩家和攝像師手里解放，推向普通大眾。
無人機智能化：避障成最大需求
　　從這幾年發布的消費級無人機來說，無人機愈加智能化，避障成為當前最大的需求。現在市場上存在的避障系統大概可以分為三種：超聲波、TOF以及視覺系統。其中，基于視覺的系統是當前的主流。


圖為Mavic的前向雙目立體視覺　　　　　　 圖為探索者2的TOF模塊

　　從最初的開源PX4FLOW 光流模塊，DJI的Phantom 3系列的視覺定位，到搭載了Intel realsense的YUNEECE Typhoon H以及DJI的Phantom 4，再到DJI剛剛發布的Mavic，我們不難發現，視覺導航在無人機上的應用不再滿足于讓無人機飛得更穩，而是能夠借助該系統讓無人機自主完成避障的功能。
　　拋開算法不說，僅從原理上來看，當一個攝像頭內部參數（有效焦距，光學中心，不垂直因子）已知，由圖像只可以確定出一條射線，換言之缺乏深度信息（距離信息），所以想要得到三維信息，就必須在空間中多加一個約束。
　　如果多加一個攝像頭，保證由兩個攝像頭通過各自對同一點的圖像確定的兩條射線能相交，則可以確定該點的空間位置，這就是雙目立體視覺。如果采用額外的光源裝置確定一個光平面，則可以得到由攝像頭及圖像上一點確定的射線與光平面交點的坐標，這就是結構光三維視覺，由此也可以看出，結構光三維視覺只能得到光平面上的點位置坐標。


圖為雙目立體視覺原理圖　　　　　　　　 圖為結構光三維視覺原理圖

　　如果按照景物的照明條件，三維視覺技術可以分為被動和主動兩大類。被動式中景物的照明來自周圍物體的光照條件，主動式中則是使用一個專門的光源裝置來提供目標物體周圍的照明。前述的雙目立體視覺就屬于被動方式，而結構光三維視覺則是屬于主動方式。被動方式比較適合于由于環境約束或者出于保密需求而不能加裝光源的環境，而主動方式視覺圖像信息處理簡單、可靠性高，在工業生產中應用廣泛。


圖為realsense

　　在為開發者準備的套件中，DJI的Guidance選擇了由兩個RGB攝像頭組成的雙目立體視覺加超聲波，而realsense則是由一個RGB攝像頭，加上兩個紅外攝像頭以及一個紅外發射器組成。RGB 攝像頭負責圖像信息，兩個紅外攝像頭，確定物體距離攝像頭的距離，也就是深度，從而得到三維圖像信息。就雙目立體視覺而言，對使用的環境要求較高，需要照明情況良好，觀測對象紋理明顯。至于realsense，其設計初衷是應用在筆記本電腦以及智能設備上實現近距離3D建模，其紅外結構光在室外自然光的干擾下，效果可能會受到干擾。
　　在已有的導航技術中，基于視覺的方法因其具有豐富的信息以及類似人類的感知方式，成為了極具潛力的導航方法之一。該技術與傳統的導航技術相結合，能夠克服慣性導航的積分誤差累積和衛星導航信號易受干擾等缺點，同時其豐富的信息能夠幫助飛行器“感知”周圍的情況，為實現飛行器實時避障提供了高效的解決方案。

無人機的“眼睛”能避障

圖文簡介