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无人机视觉避障 看谁才是真正的黑科技

2016-03-23 05:53 性质:转载 作者:金红 来源:雷锋网
今日北京时间凌晨,DJI大疆创新在美国纽约举行新品发布会,发布了精灵系列新品——大疆精灵Phantom4。虽然因为提前曝光对于...


无人机避障技术三国杀,看谁才是真正的黑科技

  今日北京时间凌晨,DJI大疆创新在美国纽约举行新品发布会,发布了精灵系列新品——大疆精灵Phantom 4。虽然因为提前曝光对于精灵4并无太多悬念,不过其中的三点创新功能依然表现了大疆的诚意,尤其是其中的视觉避障,可称得上是黑科技。

  目前,市面上主流的电动多旋翼无人机避障系统主要有三种,分别是超声波、TOF(激光雷达测距的一种)以及正有望成为主流的视觉测距。正好最受关注的国内三家无人机厂商最近相继都推出了自己的新品,并且分别使用到了这三种系统其中一种或两种。那么,就来分析下,谁在避障上是真正的黑科技。

  零度Xplorer 2:激光雷达TOF测距

  TOF是Time of flight的简写,直译为飞行时间。所谓飞行时间法3D成像,是通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

  使用这种方式光波容易受到干扰,系统发出的光,必须避开太阳光的主要能量波段,从而避免太阳光的直射、反射等对避障系统造成干扰。该原理需要非常精准的时间测量,需要专用处理芯片,而芯片价格则较为高昂。

  零度在CES2016上发布的Xplorer 2,采用的便是TOF测距方案。无人机上的“蘑菇头”就是自动避障模块,该避障模块可以实现在6m有效避障距离内,以每秒50次的速率实现360°全方位扫描。

无人机避障技术三国杀,看谁才是真正的黑科技

Xplorer 2自动避障模块

  昊翔Typhoon H:Realsense(单目+结构光)

  Realsense的技术原理是,它采用了“主动立体成像原理”,模仿了人眼的“视差原理”,通过打出一束红外光,以左红外传感器和右红外传感器追踪这束光的位置,然后用三角定位原理来计算出 3D 图像中的“深度”信息。通过配有深度传感器和全1080p彩色镜头,能够精确识别手势动作、面部特征、前景和背景,进而让设备理解人的动作和情感。据Intel方面对外透露的数据,Realsense的有效测距可达10米。

  Realsense属于“单目+结构光”,即单个摄像头加结构光发射器构成深度摄像头。不过结构光却是个“见光死”,“结构光只适合暗环境、室内。为啥intel弄个仿热带雨林的暗环境?因为会受到干扰啊!”雷动云合创始人廖鸿宇说,由于将3D深度摄像头改为2D深度摄像头,其“单目+结构光”的智能导航模块只需200元。

无人机避障技术三国杀,看谁才是真正的黑科技

Typhoon H整合了Intel的Realsense模块

  大疆精灵Phantom 4:双目视觉+超声波

  双目的测距原理,就像我们人类的两个眼睛,看到的图像不一样,假如同一个点,两个眼睛看到两张图像是存在差异的,而通过三角测距是可以测出这个点的距离。

无人机避障技术三国杀,看谁才是真正的黑科技

双目视觉系统原理图

  Phantom 4增加了双目避障,其实是沿用了guidance的核心算法,能够识别最近0.7米,最远15米的障碍物;水平视角 60°,垂直视角为30°。双目视觉的优势体现在,在远距离,双目视觉能保证三维精准信息,比如远处的两座山能看出一个近一个远。当然,远处的小目标是不可以的。

无人机避障技术三国杀,看谁才是真正的黑科技

Phantom 4 前方避障模块

  谁的技术才是黑科技?

  雷动云合创始人廖鸿宇:

“其实,所有的光学测距除了TOF以外都是三角测距。双目测距是基础,但双目测距的困难在于,比如两个摄像头各拍一张图像,我怎么知道这两张图像中的某一点是同一点,这个我们称为测中点,也叫锚点。这个是计算量很大的工作,后来有人想了一个办法,我打一个结构光出去,我把一个摄像头去掉了,结构光那个图像是已知的,也就是说其中一个图像我是明确知道的,那么另外一个摄像头拍到的图像呢,就很容易把这个点找出来,然后再计算其中的差异,这样就可以测距了,这是结构光测距原理。它的运算量会小很多,因为双目的运算复杂度太大了。不过结构光的前提是需要补光,为什么叫主动视觉,是因为我们打出了一束光,那为了安全这束光不能太强,如果环境很亮的话,这个光点就很难找,所以结构光一般不适合室外的环境,它适合室内的环境,尤其是越暗的情况下,越容易找到这些点。而双目视觉呢,是被动视觉,所以外界的光越强图像就越清晰,所以说双目视觉比较适合室外的环境。

我觉得大疆比较创新的一点是,在室内它的双目视觉会弱一些的时候,恰好可以使用超声波,然后在室外双目视觉运算量太大了,总会有漏掉的部分,这个时候超声波也可以作为补充。超声波的特点是用来测距离很准确,但是不能形成各个点之间的深度信息,它只能测一个大概的距离。举例来说,车上的雷达都是超声的,它告诉你某个方向有障碍物,但是它不能告诉你哪个点有障碍物,但是用双目视觉或结构光我可以测出哪个点的深度信息。所以,超声我们一般用来避障,它不适合室内机器人的导航。而无人机在室外主要就是避障,比如只要知道前方有树就行了。然后在室内,有人用来定高,因为无人机要悬停,而GPS在室内的信号比较弱。”

  图漾科技的创始人费浙平同样认同结构光在室外无法使用,而且双目在观测对象纹理不明显的情况下很难有用武之地,不过他的方式不是减少一个摄像头,而是在两个摄像头的基础上再加上结构光:

“guidance是双目RGB,看他们网上其中有个说明:‘环境要求照明情况良好;观测对象纹理明显’。这是典型的保证双目RGB方法能够有效工作的前提,双目的要求是两个摄像头能够同时定位同一个特征点,对象特征纹理不丰富的话,比如一堵白墙,双目是完全不能用的。所以双目不能作为通用的深度传感器使用,只能用作预设的特定任务,比如看手型(如leapmotion),避障(如DJI),ADAS(只看有限的前车物体)。双RGB好处是室外晴天可用(当然在保证摄像头成像的前提下,不能对着光线过曝),普通结构光在室外完全不行(如kinect和realsense)、室内靠近窗口就已经不行了。结构光就像是投影仪,主动发射设计好的纹理出去打在物体表面。为了不干扰人,用的红外激光,人眼看不到,摄像头可能看到这些纹理。工业深度相机为了效果好就直接用投影仪投射纹理的,反正不用考虑干扰人眼的问题。”

  所以,总结起来就是,在无人机应用上,零度的Xplorer 2因为只有6m有效避障距离失掉先机,大疆的精灵4比昊翔的Typhoon H的室外避障更胜一筹,当然,如果加上结构光是最好的了。


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