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无(wú)人机(jī)避障系统

目前,主(zhǔ)流的电动多(duō)旋(xuán)翼(yì)无(wú)人机避障系统主(zhǔ)要(yào)有三种(zhǒng),分别是(shì)超声波、TOF,以及(jí)相对(duì)更复(fù)杂的,由多种(zhǒng)测距方法和视觉图像处理组成的复合型方(fāng)法(fǎ)。

超声波:

一个比较(jiào)形(xíng)象的比喻就是蝙蝠。这种(zhǒng)飞行(háng)类哺乳动物,通过口腔中(zhōng)喉部的特殊构造来发出超声波(bō),当超(chāo)声波(bō)遇(yù)到猎物或者障碍的时候就会反(fǎn)射回来,蝙蝠可以用特殊的(de)听觉系(xì)统(tǒng)来接收反射回(huí)来(lái)的(de)信号(hào),从而探测目标(biāo)的距离(lí),确定飞行路(lù)线。超声波(bō)是最简单的测距系统,绝大部(bù)分生活中遇(yù)到的测距系统(tǒng)都是使用(yòng)的这种技术,最常见的就(jiù)是汽车的(de)倒车雷达。在(zài)无人机(jī)上加(jiā)装(zhuāng)定向(xiàng)的超声波发射(shè)和接(jiē)收器,然后将其(qí)接入飞控系统即可。但(dàn)是,超声波在无(wú)人机(jī)避障系(xì)统的应用中也有比(bǐ)较明显的干扰(rǎo)问题。虽然(rán)超声波避障系统不会(huì)受到光线(xiàn)、粉尘、烟雾,但在部分场景(jǐng)下也(yě)会受(shòu)到(dào)声波的干扰(rǎo)。其次(cì),如果物体表(biǎo)面(miàn)反射超声波的能力不足,避障系统的有效(xiào)距(jù)离就会降低,安全隐患(huàn)会显著提高。一(yī)般来说,超声波的有效距(jù)离是5米,对应的(de)反射物体材质(zhì)是水泥(ní)地(dì)板(bǎn),如果材质不是平面光滑的固体物,比如(rú)说(shuō)地毯,那么超声波的反射和接收就会出问题。

对(duì)于无人机来说,这种(zhǒng)超声(shēng)波系统应该放在多个方(fāng)向,比如放在前后左右四(sì)个方向,可以(yǐ)在悬停和(hé)飞行的时(shí)候对周围保持监控;而(ér)放在机身下方和(hé)上方,则可以在起飞、下降以及降落的时候避(bì)免速度太快碰(pèng)到障(zhàng)碍物或者(zhě)地面。

TOF

通俗一点讲,就是把前面的超声波换成光(guāng)。检测方法有两种一种是光的(de)时间,另一种是光的(de)相位。但是总的(de)来说,都是(shì)把光(guāng)打出去,然(rán)后(hòu)检测反射回来的光(guāng),进(jìn)而判断无人机的周围是(shì)否有障碍物,距(jù)离(lí)几何等等。

和超声波(bō)同样,光波也会(huì)受到干(gàn)扰,而目前城市环境下楼宇间的光污染,给TOF避障系统带来了难题,系统发出(chū)的光,必须避开太阳光的(de)主要能量波段,从(cóng)而避免太阳光的直射、反射(shè)等对避障(zhàng)系统造成干扰。

目前(qián),TOF在室内测量距(jù)离最(zuì)大可(kě)以到10米(mǐ),室外强光干扰(rǎo)的(de)话,5米左右吧。在(zài)悬停状态下,TOF系(xì)统(tǒng)会一直保持快速旋转,每秒钟旋转2-5圈。这是因为,在(zài)旋转的过程中(zhōng)系统就可以完成对周围(wéi)有效半径(jìng)内的360°范围进(jìn)行快速扫(sǎo)描,从而用较快的速度发现(xiàn)障(zhàng)碍,然后对飞控系统发出调(diào)整位置的指令,避(bì)免(miǎn)对周(zhōu)围的(de)人或财物造成伤害;当在飞行的(de)过(guò)程(chéng)中,TOF系统(tǒng)则会停止旋转,只把(bǎ)光发射到前进(jìn)的方(fāng)向(xiàng)上。固定方(fāng)向的时候,在室(shì)外的有效距离可(kě)以增加到8-10米。对于一般(bān)无人(rén)机来说,美妙(miào)的飞行距(jù)离也(yě)就是(shì)10米左右,检测到障碍物(wù)之后1秒的反应时间(jiān),无人机可以用一个(gè)较大的加速度来停止前进。

复合型、机器视觉避障(zhàng)系统:

可以在前、后(hòu)、左、右和下,一(yī)共5个方向上(shàng)进行障碍识别,而识别的(de)机制分为两(liǎng)个(gè)部分,分比为是超(chāo)声波(bō)和机器视觉。也就是(shì)说(shuō),除了常(cháng)规的超声波(bō)模块以外,5个方向(xiàng)上还专(zhuān)门放置了摄(shè)像头(tóu)用于获取视觉(jiào)图像,然后直接传输到机载(zǎi)的(de)英(yīng)特尔凌动(dòng)(AtomBay Trail处理(lǐ)器进行计算处理(lǐ)。另(lìng)外,进入(rù)消费(fèi)级无人机市场(chǎng)时间较早的Parrot,也在跟英伟(wěi)达(dá)(Nvidia)进行(háng)避障方面的合作,同(tóng)样采用了(le)包含机器视(shì)觉的复合(hé)型避障系统。

这种复合型避障系统,相对前两种提到(dào)的模式来(lái)说技术含(hán)量更高一些。当然在工作效率上也有一定的优势。比如停车场管理。在室内GPS用于(yú)定(dìng)位基(jī)本可以免(miǎn)谈了,在地下停车场中光照条件一般不太好,而超(chāo)声波与机器视觉加起(qǐ)来,几乎(hū)可(kě)以(yǐ)在任何照度下对多种材(cái)质(zhì)进行较好的(de)识别,从而对(duì)无(wú)人机在地(dì)下停(tíng)车(chē)场封闭环境(jìng)中的飞行(háng)提供更好的指导,识别的有效(xiào)范围(wéi)可以显著提升,准(zhǔn)确度往往可以达(dá)到厘米级。

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