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設(shè)備與工具無人機(jī)如果不能避障，跟會飛的咸魚有什么分別?！_特·福萊費施
近年來，隨著多旋翼消費級無人機(jī)市場的飛速增長，其相關(guān)技術(shù)也正在發(fā)生日新月異的變革，以往多用于特種行業(yè)甚至軍用產(chǎn)品上的技術(shù)（如飛行控制、圖像傳輸、目標(biāo)識別和跟蹤等）也越來越多地用于消費級無人機(jī)，使其越來越接近于自動化甚至智能化飛行機(jī)器人的概念。在消費級無人機(jī)技術(shù)的諸多趨勢中，避障能力是實現(xiàn)自動化乃至智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，完善的自主避障系統(tǒng)將能夠在很大程度上減少因操作失誤造成的無人機(jī)損壞和傷及人身和建筑物的事故發(fā)生率，而從各消費級無人機(jī)廠商的新品和技術(shù)發(fā)展方向看，避障技術(shù)也將在未來幾年趨于完善并成為中高端消費級無人機(jī)的標(biāo)配系統(tǒng)。
通過梳理無人機(jī)避障技術(shù)的原理和發(fā)展趨勢，大致可套用王國維先生所謂的“古今之成大事業(yè)、大學(xué)問者,必經(jīng)過三種之境界”，以下便以此三重境界對無人機(jī)避障技術(shù)進(jìn)行介紹和推演。為了便于表述，本文姑且稱公元2016為“無人機(jī)避障元年”，因此2016年之前的時代則稱為“前避障時代”，無人機(jī)和其避障技術(shù)發(fā)生當(dāng)前難以預(yù)知的技術(shù)變革之后稱為“后避障時代”，而中間的時期便是“避障時代”。
無人機(jī)避障第一重境界：感知障礙物。
在前避障時代，消費級無人機(jī)的使用說明上都會標(biāo)明必須在開闊場地飛行，而且應(yīng)當(dāng)盡量避免周圍有大量人群（當(dāng)然，這也與當(dāng)前技術(shù)和市場環(huán)境使得消費級無人機(jī)產(chǎn)品的可靠性較差有很大關(guān)系），因為一不小心操作失誤，或者在周圍有高大障礙物時啟動一鍵（低電壓、失控）返航，則有可能眼睜睜看著無人機(jī)傻傻地撞向那么明顯的障礙物，這是何等的回天乏力。為了降低這種事故的發(fā)生率，各廠商也都在卯足勁研發(fā)避障技術(shù)，而在實現(xiàn)方式上，大家的著眼點也都放在了一個方向——測量無人機(jī)到障礙物的距離。
我們可以很容易地想到，只要無人機(jī)能夠測量出與潛在障礙物之間的距離，就可以在撞向障礙物之前停止前進(jìn)（雖然固定翼無人機(jī)表示不同意），于是一場讓人感覺回天乏力的事故被輕描淡寫地避免了，這種思路簡單粗暴，但還是有一定作用的。而當(dāng)前運用較多的障礙物檢測方法主要有：
超聲波測距。這個方法很多人都熟悉，家用汽車的倒車?yán)走_(dá)就是利用超聲波檢測障礙物，該方法的優(yōu)點就是技術(shù)成熟，成本很低；但缺點在于作用距離近（常用的中低端超聲波傳感器作用距離不超過10m），且對反射面有一定要求。因此超聲波測距傳感器常用來測量無人機(jī)與地面的距離（固定翼無人機(jī)表示自己飛的太高太快，超聲波傳感器用不上）。
紅外/激光TOF：即飛行時間傳感器，基本原理就是傳感器發(fā)射一定頻率的紅外/激光信號，然后根據(jù)反射信號與原信號的相位差計算信號的飛行時間，即可換算出距離障礙物的距離。該方法技術(shù)比較成熟，作用距離較超聲波更遠(yuǎn)（數(shù)米到數(shù)百米），而且高等級的TOF傳感器可以獲得障礙物的深度圖像（這一項能力在下文會有應(yīng)用說明），但缺點在于成本高，抗干擾能力較差（激光TOF稍好）。因此該方案在當(dāng)前市場上產(chǎn)品或樣機(jī)中有一定規(guī)模的應(yīng)用。
雙目視覺：這個方法運用了人眼估計距離的原理，即同一個物體在兩個鏡頭畫面中的坐標(biāo)稍有不同，經(jīng)過轉(zhuǎn)換即可得到障礙物的距離，雙目視覺方法也可以獲得障礙物的深度圖像。這種方法的缺點在于技術(shù)難度較高（不過自從有了OpenCV，媽媽再也不用擔(dān)心我不會寫機(jī)器視覺程序了），且距離估計的誤差隨距離變大而指數(shù)型增長，只是這一缺點在無人機(jī)避障應(yīng)用中并無大礙。
電子地圖：借助細(xì)粒度的數(shù)字高程地圖和城市3D建筑地圖，既能夠?qū)崿F(xiàn)避免重要建筑物受到無人機(jī)撞擊（即禁飛區(qū)功能），也能夠?qū)崿F(xiàn)很多情況下的無人機(jī)避障。而事實上，戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈的遠(yuǎn)程飛行也在很大程度上依賴于數(shù)字高程地圖。
障礙物測量的原理搞懂了，就可以開始討論無人機(jī)避障了。最簡單的策略莫過于遇到障礙物時停止前進(jìn)，然后與障礙物保持一定的距離，敵退我進(jìn)，敵進(jìn)我退，敵不動我不動，事實上現(xiàn)在國內(nèi)消費級無人機(jī)廠商的避障基本上也是做到了這一步。
而這種遇到障礙物后就默默懸停等待，仿佛手足無措不知所往的初級策略，恰如成大事者三種境界中的“昨夜西風(fēng)凋碧樹，獨上高樓，望盡天涯路”。然而就是這么簡單的開始，無人機(jī)就進(jìn)入了避障時代。
無人機(jī)避障第二重境界：繞過障礙物。
障礙物/圖 來源網(wǎng)絡(luò)
很顯然，我們不會滿足于讓無人機(jī)遇到障礙物后傻傻等待（固定翼表示自己一秒鐘也無法等待），這就需要設(shè)計讓無人機(jī)安全高效地繞過障礙物繼續(xù)完成預(yù)定飛行的策略。表面上看，連薩摩耶這種囧傻呆萌的狗狗都知道前面有座大樓時該怎么繞過去（請自行想象為什么說到狗狗時要強(qiáng)調(diào)前方是大樓，而不是一棵樹），讓無人機(jī)繞過障礙物的策略應(yīng)該很簡單了，但這其中的門道可多了去了。
首先，狗狗很清楚前方大樓的輪廓，因此只需要往邊緣走就可以繞過去，但是無人機(jī)想獲得障礙物輪廓就很難了，如果避障傳感器是普通超聲波，無人機(jī)就只能知道前方有障礙，但是卻無從知道障礙物的邊緣，這就是前面為什么要強(qiáng)調(diào)“能夠獲得障礙物深度圖像”了，對于能獲得深度圖像的TOF測距和雙目視覺測距方式，只要障礙物沒有充滿視場，就總能夠找到障礙物的邊緣。舉例說明，下圖所示的是無人機(jī)的到的深度圖像示意圖，灰度越深，表明距離越近，遇到這種情況，很顯然的策略就是往左上方飛，即朝向灰度最淺的區(qū)域飛行，此時問題仿佛已經(jīng)得到解決。
但是別高興太早，這種策略可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場景，但是問題還遠(yuǎn)沒有解決，看下面的左圖，一架無人機(jī)剛繞從一座高大建筑旁繞過去，然后得到了如左圖的障礙物深度圖像，如果按照前面的策略，肯定是要往顏色最前的地方飛行，好那我要是告訴你其實右圖是無人機(jī)和兩座懸崖幾何關(guān)系的俯視圖，請你告訴我無人機(jī)會怎么飛，如果按照前述的策略，這又必將是一場刻骨銘心的事故。
無人機(jī)避障/圖 來源網(wǎng)絡(luò)
也許有人對windows98時代的迷宮屏保還有印象，屏保中，使用一直沿著左側(cè)墻壁和一直沿著右側(cè)墻壁都會最終走出迷宮，這是因為普通迷宮的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是兩條平行線中間有一個通道，按照這種思路，無人機(jī)遇到下圖這種簡單策略躲不過去的障礙時，完全可以采取類似的方式，就一直向左或者向右尋找出路。即如果上面右圖的局部場景的完整形態(tài)如果如下圖所示的話，沿著圖中的兩條曲線為路徑都可以繞過去，如果場景比下圖更復(fù)雜，繞過去的路可就需要苦苦追尋了。
無人機(jī)避障/圖 來源網(wǎng)絡(luò)
雖然關(guān)于機(jī)器人在未知場景中的避障方法研究非常多，但是由于終究是未知場景，其中必然有復(fù)雜的搜索過程，這反倒應(yīng)了成大事者的第二種境界：”衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴?！?
無人機(jī)避障第三重境界：場景建模和路徑搜索。
再回到狗狗繞過大樓的例子，看下圖，如果狗狗左側(cè)右側(cè)的路都走過，而且右側(cè)其實沒有那棵樹的話，很顯然的它下一次繞過這座樓的時候基本上會選擇左側(cè)的路（但是當(dāng)右側(cè)有顆邪惡的樹之后，結(jié)論仿佛有所改變），這是因為它大腦里已經(jīng)有了一幅地圖，即有了這個場景的模型。
無人機(jī)避障/圖 來源網(wǎng)絡(luò)
無人機(jī)也是如此，無論是基于電子地圖，還是其他來源，還是SLAM（即時定位與地圖構(gòu)建）獲得了場景模型，就可以在機(jī)載計算機(jī)里用算法去搜索優(yōu)化的避障路徑。當(dāng)前關(guān)于這種已知場景路徑規(guī)劃的研究很多，算法也是層出不窮（算法太多太復(fù)雜，本文暫不展開討論），也是無人機(jī)避障發(fā)展的必然趨勢，只是當(dāng)前的消費級無人機(jī)廠商尚在第一重境界中打拼。而這種境界就是”眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處“。為什么驀然回首，因為實在是找不到了，她就在微信里共享了自己的位置啊。
總之，與傳統(tǒng)的機(jī)器人避障技術(shù)研究相比，當(dāng)前無人機(jī)的避障還處于很初級的階段，但由于消費級無人機(jī)市場的火爆，大家也都在爭先恐后地開展此類研究，可以預(yù)見，未來的避障時代中，將會有各自各樣現(xiàn)在難以想到的方法用于無人機(jī)避障，有了這些技術(shù)的輔助，無人機(jī)的操作也將越來越安全，越來越簡單。
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