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无人机避障系统

目前(qián),主流的电动多旋翼无人(rén)机避(bì)障系(xì)统主要有三种,分(fèn)别是超声波、TOF,以及相对更复杂的,由多种测距方法和视觉图像处(chù)理组成(chéng)的复合型方法。

超声(shēng)波:

一个比较形象的(de)比喻就(jiù)是蝙蝠。这种飞行类哺(bǔ)乳动物(wù),通过口腔中喉部的特殊构造来发出超声波,当超声波遇(yù)到猎(liè)物或者(zhě)障(zhàng)碍的时候就会反(fǎn)射(shè)回来(lái),蝙蝠可(kě)以用特殊(shū)的听觉系(xì)统(tǒng)来(lái)接收反射(shè)回来的信号(hào),从而探测目标的距离,确定(dìng)飞(fēi)行路线。超声波是最简单的测(cè)距系统,绝(jué)大部(bù)分生活中遇到(dào)的测距系(xì)统都是使用的这种技术,最常见的就(jiù)是汽车的倒车雷达。在无人机(jī)上加装定向的超声波(bō)发射和接收(shōu)器,然后将其(qí)接入飞控(kòng)系统即可。但是,超声波在无人机(jī)避障(zhàng)系统(tǒng)的应用中也有比(bǐ)较明显的干(gàn)扰问(wèn)题。虽然超声波避障系统不会(huì)受到光线、粉尘、烟雾,但在部分场景下也(yě)会受(shòu)到(dào)声(shēng)波的(de)干扰(rǎo)。其次,如(rú)果物体表面反射超声(shēng)波的能力(lì)不(bú)足,避障系(xì)统的(de)有效距离(lí)就会降低(dī),安全隐患会显著(zhe)提(tí)高。一般来说,超声波的有效距离是5米(mǐ),对应的反射物体材质是水泥地板,如(rú)果材(cái)质不(bú)是平面光滑的固体物,比如说(shuō)地毯,那么超声波的反射(shè)和接(jiē)收就会出(chū)问题。

对于无人机来说,这种超(chāo)声(shēng)波(bō)系(xì)统应该放在(zài)多(duō)个方向(xiàng),比如放(fàng)在前后左右四个方(fāng)向,可以在悬停(tíng)和(hé)飞行的时(shí)候对周围(wéi)保持监控;而放在(zài)机身下方和上方,则可以在起飞、下降以及降落(luò)的时候避免速度太快碰到(dào)障(zhàng)碍物或者地面。

TOF

通俗一点讲,就是把前(qián)面的(de)超声(shēng)波(bō)换成光。检测(cè)方法有两种一种是光的(de)时间,另一种(zhǒng)是光的相位(wèi)。但是总的来说,都是把光打出去,然后(hòu)检测反射回(huí)来(lái)的光,进而判断无(wú)人机的周围是否有障(zhàng)碍(ài)物,距离几何等等。

和超声波同(tóng)样,光波也会受到干扰,而(ér)目前城市环境下楼宇间(jiān)的光污染(rǎn),给TOF避障系统带来了难(nán)题(tí),系统发出(chū)的光(guāng),必须避开太阳光(guāng)的主要能量波段,从而(ér)避免太(tài)阳光的直(zhí)射、反射等对避(bì)障系统(tǒng)造(zào)成干扰。

目(mù)前(qián),TOF在室(shì)内测量(liàng)距离(lí)最大可以到10米,室(shì)外强光干(gàn)扰的话,5米左右吧(ba)。在悬(xuán)停状态下,TOF系统会一直保持(chí)快速旋转,每秒钟(zhōng)旋转2-5圈。这(zhè)是(shì)因为,在旋转的过程中系(xì)统就可以完成对周(zhōu)围有效半径内的(de)360°范围进行(háng)快速扫描(miáo),从而用(yòng)较快的(de)速度发现(xiàn)障碍,然后对飞控(kòng)系统(tǒng)发出调整位置的指令,避免对周围的(de)人或财物造成伤(shāng)害;当在飞(fēi)行的(de)过(guò)程(chéng)中,TOF系统(tǒng)则(zé)会停止(zhǐ)旋转,只把光发射到前(qián)进的方向上。固定(dìng)方向的时(shí)候,在室(shì)外的有效(xiào)距(jù)离可以增加(jiā)到8-10米。对于(yú)一般无人机来说(shuō),美妙的飞(fēi)行(háng)距离也就是10米左右,检测到障碍物之(zhī)后1秒(miǎo)的反(fǎn)应时间,无人(rén)机可(kě)以用一个较大的加速(sù)度来停止(zhǐ)前进。

复合型、机器视觉避障系统:

可以在前(qián)、后、左、右和下,一共5个方向上进行障(zhàng)碍识别(bié),而识别的机制分为两(liǎng)个部分(fèn),分比为是超声波(bō)和机(jī)器视觉。也就是说(shuō),除了常规的(de)超声波模块(kuài)以外,5个(gè)方向上还(hái)专门放置了(le)摄像头用于(yú)获取视觉图像,然后直接传输到(dào)机载的英特尔凌动(AtomBay Trail处理器进行计算处理。另(lìng)外,进入消费级无人(rén)机市场时(shí)间较早的Parrot,也在跟英伟达(Nvidia)进行避障方(fāng)面的合(hé)作,同(tóng)样(yàng)采用了包含机器视觉的复合(hé)型避障(zhàng)系统。

这种复合型避(bì)障(zhàng)系统,相对前两种提(tí)到的模(mó)式来说技(jì)术含量更高一些。当然在工作效(xiào)率上也有一定的优势。比如停车场管理。在室(shì)内GPS用于定位基本(běn)可以(yǐ)免谈了,在地下停车场(chǎng)中光(guāng)照条件一般不太好(hǎo),而超声波与机器视觉加起(qǐ)来(lái),几乎可以在任何照度下对(duì)多种材(cái)质进行较好的识(shí)别,从而对无人机在(zài)地下停车场封闭环境中的飞(fēi)行提(tí)供更好的指导,识别的有效范围可以显(xiǎn)著提升,准确度(dù)往往可以(yǐ)达到厘米级。

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