這幾年隨著大疆創(chuàng)新（DJI）、零度智控（ZEROTECH）、億航（EHang）等公司的產(chǎn)品曝光度越來(lái)越高，無(wú)人機(jī)概念日漸火熱，其發(fā)展勢(shì)頭迅猛，就像20世紀(jì)80年代的個(gè)人電腦。在為人類服務(wù)的道路上，無(wú)人機(jī)時(shí)代正在向我們走來(lái)。
無(wú)人機(jī)到底是啥？
　　無(wú)人機(jī)的定義是: An aircraft without a human pilot aboard。從技術(shù)角度來(lái)劃分的話，無(wú)人機(jī)可以簡(jiǎn)單分為固定翼，直升機(jī)以及多旋翼三類。但從其定義可以看出，無(wú)人機(jī)并不局限于此，即便是無(wú)法控制，也沒(méi)有任何自駕儀的氣球炸彈也屬于無(wú)人機(jī)的范疇（在1849年，奧地利的先驅(qū)們?cè)?jīng)用裝滿炸彈的熱氣球去“轟炸”過(guò)威尼斯，這個(gè)可比日本人借助洋流將氣球炸彈送到美國(guó)東海岸的“飛象行動(dòng)”早了95年）。
　　通常無(wú)人機(jī)可由人員遙控操作，或是在機(jī)載計(jì)算機(jī)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(wú)人機(jī)任務(wù)定位是去處理對(duì)于人類來(lái)說(shuō)“枯燥，骯臟以及危險(xiǎn)”的工作。現(xiàn)如今，無(wú)人機(jī)的任務(wù)相比最初已經(jīng)有了極大拓展，其任務(wù)范圍從最初的軍事用途擴(kuò)展到了科學(xué)研究，農(nóng)業(yè)，電力巡檢，搜救，個(gè)人娛樂(lè)等。


圖為常規(guī)布局固定翼


圖為直升機(jī)　　　　　　　　　　　　　　 圖為四旋翼控制原理

圖為美軍修復(fù)后放飛用于研究的日本氣球炸彈

無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)特性對(duì)比
　　對(duì)比三種常見(jiàn)類型無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)特性如下：
　　常規(guī)固定翼：系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)，同時(shí)具有完整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
　　常規(guī)直升機(jī)：系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)具有完整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
　　多旋翼：系統(tǒng)既是不穩(wěn)定的，也是欠驅(qū)動(dòng)的。
　　雖然多旋翼控制系統(tǒng)難設(shè)計(jì)，氣動(dòng)效率低，機(jī)動(dòng)性差，但其相比于其他兩類，動(dòng)力學(xué)模型和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)起降場(chǎng)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(yīng)用，成為目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)類型。
　　除了軍用與工業(yè)使用外，近年來(lái)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)快速崛起。隨著越來(lái)越多的新晉廠商入局試水，目前市場(chǎng)上已存在各種級(jí)別的到手即飛整機(jī)供消費(fèi)者選擇，把航拍從少數(shù)專業(yè)玩家和攝像師手里解放，推向普通大眾。
無(wú)人機(jī)智能化：避障成最大需求
　　從這幾年發(fā)布的消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)愈加智能化，避障成為當(dāng)前最大的需求。現(xiàn)在市場(chǎng)上存在的避障系統(tǒng)大概可以分為三種：超聲波、TOF以及視覺(jué)系統(tǒng)。其中，基于視覺(jué)的系統(tǒng)是當(dāng)前的主流。


圖為Mavic的前向雙目立體視覺(jué)　　　　　　 圖為探索者2的TOF模塊

　　從最初的開(kāi)源PX4FLOW 光流模塊，DJI的Phantom 3系列的視覺(jué)定位，到搭載了Intel realsense的YUNEECE Typhoon H以及DJI的Phantom 4，再到DJI剛剛發(fā)布的Mavic，我們不難發(fā)現(xiàn)，視覺(jué)導(dǎo)航在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用不再滿足于讓無(wú)人機(jī)飛得更穩(wěn)，而是能夠借助該系統(tǒng)讓無(wú)人機(jī)自主完成避障的功能。
　　拋開(kāi)算法不說(shuō)，僅從原理上來(lái)看，當(dāng)一個(gè)攝像頭內(nèi)部參數(shù)（有效焦距，光學(xué)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(gè)約束。
　　如果多加一個(gè)攝像頭，保證由兩個(gè)攝像頭通過(guò)各自對(duì)同一點(diǎn)的圖像確定的兩條射線能相交，則可以確定該點(diǎn)的空間位置，這就是雙目立體視覺(jué)。如果采用額外的光源裝置確定一個(gè)光平面，則可以得到由攝像頭及圖像上一點(diǎn)確定的射線與光平面交點(diǎn)的坐標(biāo)，這就是結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)，由此也可以看出，結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)只能得到光平面上的點(diǎn)位置坐標(biāo)。


圖為雙目立體視覺(jué)原理圖　　　　　　　　 圖為結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)原理圖

　　如果按照景物的照明條件，三維視覺(jué)技術(shù)可以分為被動(dòng)和主動(dòng)兩大類。被動(dòng)式中景物的照明來(lái)自周圍物體的光照條件，主動(dòng)式中則是使用一個(gè)專門的光源裝置來(lái)提供目標(biāo)物體周圍的照明。前述的雙目立體視覺(jué)就屬于被動(dòng)方式，而結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)則是屬于主動(dòng)方式。被動(dòng)方式比較適合于由于環(huán)境約束或者出于保密需求而不能加裝光源的環(huán)境，而主動(dòng)方式視覺(jué)圖像信息處理簡(jiǎn)單、可靠性高，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。


圖為realsense

　　在為開(kāi)發(fā)者準(zhǔn)備的套件中，DJI的Guidance選擇了由兩個(gè)RGB攝像頭組成的雙目立體視覺(jué)加超聲波，而realsense則是由一個(gè)RGB攝像頭，加上兩個(gè)紅外攝像頭以及一個(gè)紅外發(fā)射器組成。RGB 攝像頭負(fù)責(zé)圖像信息，兩個(gè)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(jué)而言，對(duì)使用的環(huán)境要求較高，需要照明情況良好，觀測(cè)對(duì)象紋理明顯。至于realsense，其設(shè)計(jì)初衷是應(yīng)用在筆記本電腦以及智能設(shè)備上實(shí)現(xiàn)近距離3D建模，其紅外結(jié)構(gòu)光在室外自然光的干擾下，效果可能會(huì)受到干擾。
　　在已有的導(dǎo)航技術(shù)中，基于視覺(jué)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(dǎo)航方法之一。該技術(shù)與傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合，能夠克服慣性導(dǎo)航的積分誤差累積和衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)易受干擾等缺點(diǎn)，同時(shí)其豐富的信息能夠幫助飛行器“感知”周圍的情況，為實(shí)現(xiàn)飛行器實(shí)時(shí)避障提供了高效的解決方案。

無(wú)人機(jī)的“眼睛”能避障

圖文簡(jiǎn)介

這幾年隨著大疆創(chuàng)新（DJI）、零度智控（ZEROTECH）、億航（EHang）......