智能無人機(jī)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)

無人機(jī)“視覺”技術(shù)

賦予無人機(jī)“智能”中關(guān)鍵技術(shù)之一是讓無人機(jī)能夠通過機(jī)器視覺感知周邊的環(huán)境，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)通過OS(操作系統(tǒng))傳給其他應(yīng)用程序。

目前無人機(jī)領(lǐng)域主流的機(jī)器視覺硬件技術(shù)有：雙目機(jī)器視覺、紅外激光視覺、超聲波輔助探測等方式。

1、雙目機(jī)器視覺

雙目機(jī)器視覺基于三角定位原理，與人眼對三維世界的還原原理類似，通過比較兩個同向攝像頭拍攝的畫面中同一物體的視角差來確定距離，從而從二維圖像中還原出三維世界的立體模型。

雙目機(jī)器視覺僅需兩個攝像頭，但對計(jì)算能力的要求較高。

雙目機(jī)器視覺的門檻不在于根據(jù)視角信息α、β和間距d解算距離L，而在于讓計(jì)算機(jī)能夠在畫面中將物體從背景中“提取”出來。目前高通支持雙目機(jī)器視覺的無人機(jī)參考設(shè)計(jì)使用旗艦芯片Snapdragon  801/820，可見其對計(jì)算能力的要求之高。

對人眼來說將一個物體從背景畫面當(dāng)中區(qū)分開來是一件很自然的事情，但對于計(jì)算機(jī)就不同了：同一景物在不同視點(diǎn)的攝像機(jī)圖像平面上的成像會發(fā)生不同程度的扭曲和變形，要讓計(jì)算機(jī)模糊分割出物體，圖像分割算法需要做卷積/微分等大計(jì)算量運(yùn)算;而無人機(jī)這種要求實(shí)時測距的場景下需要的總體計(jì)算性能就更高了。

2、紅外激光視覺

為了規(guī)避計(jì)算機(jī)視覺中識別物體的大量計(jì)算以及提高精度，以Intel為代表的一批廠商使用了紅外激光視覺技術(shù)，如Intel  RealSense機(jī)器視覺模組。其基本原理見下圖，其測距原理與雙目視覺類似，但識別對象從物體替換成了打在物體表面的紅外激光點(diǎn)。這樣就從根本上消除了物體識別的計(jì)算需求。

紅外激光視覺的必要代價(jià)是將兩個攝像頭替換為紅外攝像頭，并增加一個紅外激光掃描器的硬件成本以及功耗。其中紅外激光掃描器由一個紅外激光發(fā)射器和MEMS掃描反射鏡組成，整體增加的硬件成本較高。

除了對計(jì)算量要求小以外，紅外激光機(jī)器視覺還具有兩大優(yōu)點(diǎn)：  相比雙目，其應(yīng)用時間與范圍更廣，可在暗夜和照明條件不好的室內(nèi)使用;相比雙目，其有著更高的測距精度，能夠精確還原物體的三維數(shù)據(jù)。

3、超聲波探測

超聲波測障是一種較為成熟的技術(shù)，已廣泛使用在軍/民用多種應(yīng)用場合之中。

超聲波的優(yōu)勢在于能夠有效識別玻璃，電線等雙目視覺/紅外激光視覺無法準(zhǔn)備測距的物體。

缺點(diǎn)在于精度較差，只能用于探測障礙是否存在，無法提取精確空間信息用作路徑規(guī)劃。

定點(diǎn)懸停技術(shù)

消費(fèi)級無人機(jī)的核心應(yīng)用就是基于無人機(jī)的航拍功能，而航拍功能對無人機(jī)系統(tǒng)要求最高的技術(shù)指標(biāo)就是飛行的穩(wěn)定性。

懸停定位技術(shù)所采用的技術(shù)手段主要有幾種：

1)GPS/IMU組合定位

2)超聲波輔助定高

3)基于圖像的光流定位技術(shù)

GPS/IMU定位技術(shù)

GPS/IMU定位的原理是較為傳統(tǒng)和成熟的定位方法。

GPS可以測得無人機(jī)當(dāng)前的水平位置和高度，飛控系統(tǒng)根據(jù)無人機(jī)位置和高度相對于懸停點(diǎn)的偏差對無人機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償控制從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停。

然而，GPS信號更新較慢，而且GPS信號容易收到干擾，影響實(shí)際控制效果。因此工程實(shí)踐中引入了飛行器的IMU信息與GPS信號進(jìn)行濾波，得到更為精確和更新率更高的位置、高度信息，這種模式還可以保證在GPS失常時，僅依靠IMU提供應(yīng)急位置高度信息，但是因?yàn)閮H利用IMU信息進(jìn)行位置高度解算時，解算結(jié)果容易發(fā)散，因此這種方法僅適合在空曠的戶外進(jìn)行懸?？刂疲⒉贿m宜在室內(nèi)或有信號遮蔽的環(huán)境下使用。

超聲波輔助定高技術(shù)

超聲波測距傳感器是一種較為成熟的測距傳感器，能夠根據(jù)超聲波發(fā)出與返回的時間差，測得超聲波傳感器前的障礙物的距離，當(dāng)無人機(jī)布置有下視超聲波傳感器時，可測得較為精確的距地面距離，從而輔助實(shí)現(xiàn)定高控制，但是超聲波輔助定高對于水平位置的飄移控制起不到作用。

光流定位

光流定位是采用圖像傳感器對傳感器所捕捉的圖像畫面進(jìn)行分析，間接解算得到自身位置、運(yùn)動信息的一種技術(shù)。

隨著圖像處理算法的演進(jìn)和圖像處理硬件平臺的發(fā)展，使得這種算法的精度和實(shí)時性得到保證，從而得以在無人機(jī)系統(tǒng)上得到應(yīng)用。

光流定位是利用圖像序列中像素在時間域上的變化以及相鄰幀之間的相關(guān)性來找到上一幀跟當(dāng)前幀之間存在的對應(yīng)關(guān)系，從而計(jì)算出相鄰幀之間物體的運(yùn)動信息的一種方法。一般而言，光流是由于場景中前景目標(biāo)本身的移動、相機(jī)的運(yùn)動，或者兩者的共同運(yùn)動所產(chǎn)生的。

在無人機(jī)應(yīng)用中，無人機(jī)機(jī)身加裝對地的光流攝像頭，根據(jù)所觀測到的地面圖像來進(jìn)行定位的，其原理可通過下圖進(jìn)行理解：無人機(jī)在相對地面移動時，其對地觀測鏡頭所拍攝到的畫面會相對向反方向“移動”，根據(jù)無人機(jī)距離地面的高度(這也是光流傳感器都與對地超聲波傳感器成對出現(xiàn)的原因)以及對地觀測圖像中像素移動的量，即可推算出無人機(jī)相對地面移動的距離。

當(dāng)無人機(jī)采用光流定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)自身位置確定后，即可采用通用的控制算法實(shí)現(xiàn)水平面和高度上的定位。目前所采用的光流技術(shù)，基本上可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定懸停，但是隨著時間的累積，仍然會有十幾厘米到幾十厘米范圍的飄移。不過，這種低頻率、小幅度的位置改變對于航拍來說，是可以接受的。

跟蹤拍攝技術(shù)

對于航拍無人機(jī)來說，一個新的趨勢是采用跟蹤拍攝模式，即對無人機(jī)設(shè)置一個興趣點(diǎn)，無人機(jī)則自動對興趣點(diǎn)進(jìn)行跟蹤拍攝，這是無人機(jī)智能化的發(fā)展趨勢。

目前的跟蹤拍攝技術(shù)主要分為兩種：

1)GPS跟蹤;

2)圖像跟蹤。

GPS跟蹤

GPS跟蹤技術(shù)較為簡單，即被跟蹤者需手持遙控器，并獲得自己當(dāng)前位置的衛(wèi)星定位信息，之后將此信息發(fā)送給無人機(jī)，無人機(jī)以接收到的目標(biāo)位置作為目標(biāo)，并進(jìn)行導(dǎo)航。

GPS跟蹤是一種比較初級的跟蹤的方式，市場上大部分無人機(jī)均采用這種方式。

圖像跟蹤(包括臉部識別跟蹤)

圖像跟蹤技術(shù)是無人機(jī)根據(jù)所設(shè)置的興趣點(diǎn)的圖像特征，完全根據(jù)圖像信息完成目標(biāo)的跟蹤，這涉及到了對目標(biāo)對象的圖像識別、圖像跟蹤，尤其是在目標(biāo)運(yùn)動場景中，圖像背景變化較、目標(biāo)形態(tài)變化較大的情況下，對目標(biāo)準(zhǔn)確的跟蹤需要運(yùn)用到深度學(xué)習(xí)技術(shù)，是當(dāng)前人工智能的一個熱點(diǎn)研究方向。

自動避障技術(shù)

無人機(jī)的飛行安全一直是關(guān)系到無人機(jī)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的核心問題，如何感知到障礙物、并且自主的規(guī)避障礙物是無人機(jī)飛行安全領(lǐng)域最前沿的研究課題。

隨著無人機(jī)的自主飛行、跟蹤飛行的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，無人機(jī)在自主航拍、跟拍的過程中對自主避障的功能要求變得更加迫切。

目前主要采用3種不同的避障技術(shù)：

1)基于超聲波探測的避障;

2)基于激光雷達(dá)的壁障技術(shù);

3)Realsense單目+結(jié)構(gòu)光探測避障。

超聲波測距避障

這種技術(shù)類似于傳統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，根據(jù)超聲波探測，獲知障礙物距離信息，然后采用相應(yīng)策略避開障礙物，其特點(diǎn)是探測距離近，探測范圍小，但是方法非常成熟，實(shí)現(xiàn)容易。

雙目視覺避障

這種技術(shù)是基于雙目視覺的圖像景深重構(gòu)方法，對視場內(nèi)的景物進(jìn)行景深重構(gòu)，通過景深信息來判斷視場內(nèi)的障礙物情況，探測范圍更廣、距離更遠(yuǎn)，相應(yīng)安全性更高，但是技術(shù)難度大，而且會受到光照強(qiáng)弱變化的影響。

基于激光雷達(dá)的避障技術(shù)

這種技術(shù)依靠的是無人汽車上應(yīng)用較多的激光雷達(dá)技術(shù)對無人機(jī)周邊的環(huán)境進(jìn)行掃描，并進(jìn)行地圖建模。

Realsense單目+結(jié)構(gòu)光探測避障

RealSense是Intel公司早先發(fā)布的視覺感知系統(tǒng)。它采用了“主動立體成像原理”，模仿了人眼的“視差原理”，通過打出一束紅外光，以左紅外傳感器和右紅外傳感器追蹤這束光的位置，然后用三角定位原理來計(jì)算出3D  圖像中的“深度”信息。通過配有深度傳感器和全1080p彩色鏡頭，能夠精確識別手勢動作、面部特征、前景和背景，進(jìn)而讓設(shè)備理解人的動作和情感。據(jù)Intel方面對外透露的數(shù)據(jù)，Realsense的有效測距可達(dá)10米。

無線圖像傳輸技術(shù)

無人機(jī)航拍的核心技術(shù)之一就是無線圖像傳輸，傳輸?shù)哪芰Υ笮∈菍o人機(jī)航拍能力衡量的一個重要因素。

無人機(jī)航拍技術(shù)

無人機(jī)航拍技術(shù)其實(shí)可以簡單地按照字面的“無人機(jī)”+“航拍”拆分為2點(diǎn)：

1、影像拍攝技術(shù)，也即成像以及圖像處理技術(shù);比如像素?cái)?shù)、光圈大小等，但是攝像頭模組上影響成像質(zhì)量的參數(shù)還有許多：單個像素尺寸、傳感器技術(shù)、鏡片組技術(shù)、ISP技術(shù)等。

2、無人機(jī)平臺技術(shù)，主要指為航拍提供穩(wěn)定的航拍環(huán)境的機(jī)身控制技術(shù)。

影像拍攝技術(shù)：目前市場上的影像拍攝方案，都是對幾個大品牌主流的攝像頭模組的集成應(yīng)用，無人機(jī)生產(chǎn)廠商在這一方面沒有太多的技術(shù)空間，而且因?yàn)榧夹g(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，不同產(chǎn)品方案之間差距并不大。

無人機(jī)機(jī)載平臺穩(wěn)定技術(shù)：是指除了飛行導(dǎo)航、控制等無人機(jī)自身飛行技術(shù)以外，為無人機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定航拍平臺保障的相關(guān)技術(shù)。這種技術(shù)是影響到成像質(zhì)量最關(guān)鍵的因素。

穩(wěn)定的拍攝平臺的意義：

在拍攝視頻時，畫面的抖動、傾斜都會嚴(yán)重影響畫面的流暢度和美觀度;

在拍攝照片時，尤其是弱光情況下，如果曝光時間較長，機(jī)身的抖動會引起畫面的模糊;若減少曝光時間，則需要提高感光度，噪點(diǎn)增多，影響畫質(zhì)。因此，機(jī)身的穩(wěn)定對于拍攝來說至關(guān)重要。

影響機(jī)身穩(wěn)定的主要因素：

按照當(dāng)前四旋翼無人機(jī)的典型情況，可以將對于機(jī)身位置、姿態(tài)造成擾動的幾個因素歸結(jié)如下：

1、懸停定位不精確造成的水平位置以及高度的飄逸;

2、機(jī)體作動時的機(jī)身傾斜與抖動;

3、電機(jī)震動、突風(fēng)等帶來的干擾。對于不同類型的擾動，無人機(jī)系統(tǒng)上采取了不同的策略進(jìn)行應(yīng)對。

對于水平以及高度的飄移，在室外，也即GPS信號良好的情況下，無人機(jī)會主要根據(jù)GPS信號進(jìn)行定位。但是限于民用GPS系統(tǒng)自身的精度有限且更新頻率較低，單純依靠GPS系統(tǒng)進(jìn)行定位較為困難，通常無人機(jī)還會引入慣性模組進(jìn)行組合定位。

當(dāng)處于室內(nèi)或者GPS信號接收受限的情況下，無人機(jī)系統(tǒng)還采用對地?cái)z像頭進(jìn)行光流定位。光流定位是一項(xiàng)近年來興起的基于圖像的定位方式，在距離地面較近時，使用效果良好。

如果說位置的飄移屬于慢動態(tài)的擾動，那么無人機(jī)機(jī)動時所引起的機(jī)體傾斜、抖動則是高頻擾動因素，對于畫面的影響十分顯著。

當(dāng)無人機(jī)需要進(jìn)行位置移動時，四旋翼機(jī)身姿態(tài)必須做出較大調(diào)整，尤其是在機(jī)動剛發(fā)生時，機(jī)身姿態(tài)出現(xiàn)了40度的調(diào)整。

對于機(jī)身在水平方向移動時所帶來的機(jī)體傾斜，以及機(jī)體作動時的抖動等干擾因素，對圖像拍攝效果影響較大，必須通過掛載穩(wěn)定云臺抵消影響。

對于電機(jī)震動、突風(fēng)擾動等因素，考慮到其屬于較高頻擾動，可采用空心橡膠球彈簧進(jìn)行高頻震動濾除，即可取得較好的效果。對于突風(fēng)等干擾，由于其形式、大小均存在較大的隨機(jī)性，很難保證完全消除影響，只能考慮結(jié)合云臺、光流等多種形式對其影響進(jìn)行抑制。

最后，不能忽略的一個技術(shù)是電子穩(wěn)像技術(shù)。電子穩(wěn)像技術(shù)是在不借助機(jī)械設(shè)備的前提下，通過傳感器，感受機(jī)體運(yùn)動，從而在顯示畫面上對圖像進(jìn)行剪裁、拼接的修正，從軟件的角度，一定程度上實(shí)現(xiàn)了圖像穩(wěn)定的意圖。

云臺技術(shù)

云臺對于抑制機(jī)身的主動傾側(cè)、被動干擾等影響航拍效果的擾動起到了重大作用。

一般說的機(jī)載云臺通常都是三軸云臺。如下圖所示，三軸云臺的“三軸”分為俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)三個軸，也稱三個自由度，分別有一個電機(jī)進(jìn)行控制。也即攝像頭在三自由度云臺的框架上通過電機(jī)的控制，可以實(shí)現(xiàn)與無人機(jī)三個自由度的解耦(值無人機(jī)的：俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)三個自由度)，起到隔離、抵消無人機(jī)運(yùn)動影響的作用。

三軸云臺技術(shù)主要包含部分內(nèi)容：1、運(yùn)動敏感;2、抵消控制。

運(yùn)動敏感：需要安裝在最內(nèi)層的攝像頭部分能夠感知到攝像頭的姿態(tài)偏差。通常會安裝一個三自由度陀螺儀。

抵消控制：即當(dāng)敏感到攝像頭要偏離設(shè)定的姿態(tài)(一般是水平狀態(tài))時，通過電機(jī)施加反向的運(yùn)動，抵消運(yùn)動變化。

從以上角度來看，傳感器的精度、頻率以及電機(jī)輸出的精度、功率大小，控制算法的性能都對最終效果起到比較大的影響。不過從目前的產(chǎn)品技術(shù)來看，只要配備了三軸云臺的無人機(jī)在航拍方面基本不存在太大使用感受上的區(qū)別。

單從功能上來說，比較關(guān)鍵的幾個因素是1、云臺與機(jī)身隔離度的高低;2、云臺可控的角度范圍;3、響應(yīng)的快慢;4、精度的高低。

云臺對于航拍的重要性

位移補(bǔ)償：即使采取了較好的GPS+光流定位技術(shù)，無人機(jī)在定位懸停拍攝時，還是會出現(xiàn)較大幅度的飄移，幅度大概為0.3m左右，當(dāng)發(fā)生位移后，畫面中心會有那么為了進(jìn)一步保證畫面的穩(wěn)定，就必須引入機(jī)械云臺對畫面進(jìn)行穩(wěn)定。

通過簡單的幾何計(jì)算可以看出，當(dāng)相距被拍攝物體距離較近時，水平飄移對畫面影響較大。但是當(dāng)距離被拍攝物體較遠(yuǎn)時，影響較小。這時，僅需要云臺偏轉(zhuǎn)較小的度數(shù)既可修正畫面偏移，使得被拍攝物體重新回到畫面中心。

姿態(tài)補(bǔ)償：相比于無人機(jī)位置的移動，無人機(jī)自身姿態(tài)的擾動對畫面影響更為劇烈。當(dāng)相距被拍攝物體距離較近或較遠(yuǎn)時，影響均較大。

超遠(yuǎn)程操控無人機(jī)技術(shù)

你可以坐在電腦前，然后只需輕點(diǎn)一下鼠標(biāo)，便能夠讓無人機(jī)出動到達(dá)另一個領(lǐng)空甚至是國度。

原理其實(shí)很簡單，整套系統(tǒng)需要有兩個4G接入點(diǎn)，一個接入點(diǎn)在無人機(jī)上，另一個在控制器上。PC通過無線網(wǎng)絡(luò)連接向無人機(jī)發(fā)出指令，控制無人機(jī)的飛行路線，同時無人機(jī)會將內(nèi)置的攝像頭拍攝的高清視頻發(fā)送給用戶，用戶在監(jiān)控周圍環(huán)境的同時，可調(diào)整無人機(jī)的飛行路線。