无人机新技术——超声波避障

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，目前，无人机广泛应用于航拍、农业、植保、微型自拍等领域。在今年的疫情中无人机集中地展现了它的应用优势，让大家看到了无人机的价值。

在疫情来袭之际，无人机成为了战“疫”利器。无人机在医院和疾控中心间穿梭，实施疫情防控急救药品和标本的自动化转运;无人机在公路上盘旋，代替人工进行空中指挥的工作;“庄稼卫士”变身“消防能手”，无人机成为全国各地广大农村乃至城区防疫消杀工作的“超级神器”;隔空中喊话宣传劝导，无人机成为宣传小能手……

在科技的更新和技术的进步，无人机的研究变得越来越深入，无人机要实现低空尤其是近地面的自主飞行，除了要知道无人机当前的海拔高度夕卜，还需知道无人机相对于地面的高度。无人机的海拔高度信息一般通过气压计、GPS等测量得到，无人机相对于地面高度，可以使用声纳测距、激光测距、微波雷达测距、以及机器视觉测量方法等方式得到。

目前，超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离远等优点，并且硬件电路简单、计算处理容易，所以随着科学技术的蓬勃发展，测距装置中广泛采用超声波的方式。超声波测距的原理通常为利用声波的发射和接收，根据超声波在介质中传播的时间来计算出距离。用于无人机测距最为合适。

在无人机中利用超声波传感器可以准确的判断无人机与障碍物之间的距离。我们都知道大多数无人机中还有悬停和地面跟踪模式，主要用于捕捉连续镜头和陆地导航，其中超声波传感器有助于将无人机保持在高于地面的恒定高度。

无人机的飞行任务主要有三大要求：

其一，是飞行姿态的稳定性要求。空中机器人（即无人机）在执行任务过程中必须保持飞行轨迹平滑，高度基本不变，这也是对飞行器的基础要求；
其二，是对障碍物的精准识别及规避；
其三，要求无人机完成规避后恢复预定轨迹。

无人机避障技术可简单分为三个阶段：

一是感知障碍物并停止阶段；
二是获取障碍物深度图像自主绕开阶段；
三是建立区域地图合理规划路径阶段。

作为一个无人机的感官系统，实时性要求更高也是硬需求，考虑到未来无人机在飞行执行任务的过程中需要保持好的飞行状态，就需要极高的安全性和稳定性，这对传感器收集到的信号信息以及同时所涉及到的应用能够做实时处理的能力是一个关键点。这三个避障技术对应到几种传感器有：超声波、毫米波、激光红外、双目视觉、电子地图等。这几种避障方式技术原理不同，因此适用的场景也会因需而议。

苏黎世大学的研究人员使用新型摄像机演示了一种飞行机器人，该机器人可以检测并避开快速移动的物体。为实现无人机在恶劣环境下的更快飞行提供了一个解决方案。

“对于搜索和救援应用（例如地震后），时间非常关键，因此我们需要能够尽可能快地导航的无人机，以便在其有限的电池寿命内完成更多任务，” 苏黎世大学的感知小组以及NCCR机器人技术搜救大挑战负责机器人技术的Davide Scaramuzza解释说。“但是，通过快速导航的无人机，也更容易碰到障碍物，如果障碍物在移动，甚至会更多。我们意识到，一种名为事件摄像机（Event Camera）的新型摄像机非常适合此目的。”

　　传统的摄像机（例如每个智能手机中的摄像机）都通过定期拍摄整个场景的快照来工作。这是通过同时曝光所有图像像素来完成的。但是，这种方式只能在车载计算机分析完所有像素之后才能检测到运动物体。另一方面，事件摄像机具有彼此独立工作的智能像素。未检测到变化的像素时保持沉默，而看到光强度变化的像素立即发送信息。这意味着车载计算机仅需要处理图像中所有像素的一小部分，从而大大加快了计算速度。

　　事件摄像机是一项最新的创新，现有的无人机对象检测算法不能很好地与它们配合使用。因此，研究人员必须发明自己的算法，该算法可以在很短的时间内收集摄像机记录的所有事件，然后减去无人机自身运动的影响-这通常是摄像机看到的大部分变化的原因。

　　仅3.5毫秒即可检测到传入的对象

　　Scaramuzza和他的团队首先单独测试了相机和算法。他们将各种形状和大小的物体扔向相机，并测量了算法检测物体的效率。成功率在81％到97％之间变化，具体取决于对象的大小和投掷的距离，并且该系统仅用3.5毫秒即可检测到传入的对象。

　　然后最严峻的测试开始了：将摄像机放在实际的无人机上，在室内和室外飞行，然后直接向其投掷物体。无人机能够避开90％以上的物体（包括从三米远处抛出并以每秒10米的速度行进的球）。当无人机提前“知道” 物体的大小时，一台摄像机就足够了。相反，当它不得不面对大小不同的物体时，使用了两个摄像头为其提供立体视觉。

　　根据Scaramuzza的说法，这些结果表明，事件摄像机可以将无人机导航的速度提高多达十倍，从而扩展了其可能的应用范围。他说：“无人机已经用于各种各样的应用中，例如货物交付，人员运输，航空摄影术，当然还有搜救。但是，使机器人能够更快地感知和做出决策，对于其他领域来说，也是一个游戏的改变者，在这些领域，可靠地检测进入的障碍物是至关重要的功能，例如汽车、运输、采矿和机器人的远程检查等。”

　　几乎与飞行员一样可靠

　　未来，该团队将在更加敏捷的四旋翼飞机上测试该系统。“我们的最终目标是未来有一天无人驾驶无人机能够像人类无人机飞行员一样导航。目前，在涉及无人机的所有搜索和救援应用中，人类实际上都处于控制之下。如果我们能够让无人机像人类无人机一样可靠地导航飞行员，我们便能够将它们用于视线范围之外或远程控制范围之外的任务。” Scaramuzza的博士生Davide Falanga这样说。

培训单位：龙航集团-启航无人机科技（辽宁）有限公司

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