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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。
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。
Xplorer 2自动避障模块
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。
Typhoon H整合了Intel的Realsense模块
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。
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。
Phantom 4 前方避障模块
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。
2022-07-07 11:02
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