究竟是什么黑科技,让大疆无人机不会撞墙?

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2016-03-02 09:48

我们在 CES 迎来 Yuneec 的黑级双目自动避障技术之后,这回我们在大疆 Phantom 4 的发布会里,再次迎来第二颗黑级冲击:基于 “双目避障” 的视觉追踪技术。然而,为什么大疆的 Phantom 4 和 Yuneec 的 Typhoon H,可以像有生命的一样自动回避障碍物?

原因是:它们都有一双眼睛

什么是 “双目”?

视觉是一种基于 2D 的感知,我们在 2D 画面下只能知道长度和阔度,但是不能感知深度和距离,但生物能判别深度和距离,是因为我们不单只有一只眼睛,而是有 “一双” 眼睛。我们可以透过眼睛的左右距离,与观察的对像产生视差 (Parallax),藉此获得深度和距离的信息。

大家不妨试试:把手指放在眼前,分别采用单眼及双眼方式盯着,然后把手指往前/后移动。如果你单着眼看,你只能透过手指的大小和焦距来判定它的大约位置;但当你使用双眼盯着,才能准确地估算你的手指离你多远。从此可见,对于人类来说,“一双眼睛” 是我们由 2D 世界进化至 3D 世界的关键,我们会称这种效果为 “立体视觉” (Stereopsis)以及 “双目视觉” (Binocular vision)

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同样地,对于科技界别来说也是一样:在天文学或测量学上的三角测量术 (Triangulation)(上图),其方法很类似生物使用双目测距。同样地,下图是大疆无人机的设计,在起降架的上方各有一只眼睛,无人机就能透过这一双眼睛,利用三角测量法来判定对像的远近。

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何以要用双目?

无人机发展多年,早就能透过 GPS 判定无人机在平面上的位置 ,藉此进行定点悬停。但是,如何让无人机感知距离,回避障碍,一直都是个很大的难题。

我们最早的测距方式其实有点像倒车雷达,透过类似蝙蝠的 “听觉”,向测距对像射出电波,感知反射后判定物件的方向和位置。法国无人机公司 Parrot 旗下的 AR.Drone 无人机,最早就透过超声波方式往下方测距,让无人机能固定在同一高度上飞行;而零度无人机的探索者第二代 (XIRO Xplorer 2) 则采用特殊红外线方式 360 度测距(下图),藉此回避障碍物。然而,雷达式测距的最大限制是:它需要先发射电波,然后侦察电波反射;在续航力和电波发射功率的限制下,很难进行长距离的测距:例如 Parrot Bebop Drone 的超声波定高,最高距离只有 8 米,而零度探索者 2 的最大回避半径,则只有 6 米

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透过双目感应器,只要在光线良好的环境下,它的自动避障距离比雷达式避障要远得多:大疆的双目感应器可以判断最远约 15 米的障碍,比 Parrot Bebop Drone 远了接近一倍。

智能的眼睛

由于双目感应器有更广阔的距离判定能力,让它能提供更智能的飞行方式。

大疆 Phantom 4 或是 Yuneec Typhoon H 这种采用双目感应器的无人机,能在飞行时同时取得长、阔、深的数据,瞬间进行基本的 3D 建模,从而让无人机回避的同时,即时重新规划最优的飞行路线,绕过障碍(下图,图片来自大疆官网);而不是像超声波避障一样只能直接停下来。除此之外,由于无人机的整个飞行路线都能基于视觉来调整——用人话来说,就是你可以直接用画面来控制你的飞行路线,故此,我们现在可以直接以最最最直观的图像方式来控无人机:大疆的 Phantom 4 里的 “视觉追踪” 和 “指点飞行”,就是透过双目感应器来增强可靠性。虽然说目前有部份无人机也实现了视觉操控和追踪的能力,但操控的准确度与敏捷度,并不能与拥有双目感应器的无人机相比。

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诚然,双目避障虽然是黑级科技,但算不上是什么新玩意,大疆其实只是沿用了他们原有的 Guidance 技术。大家一直不能在消费级无人机上使用双目避障,其主因是双目避障也是把双刃剑,它有其优势,但同时亦有其限制。

双目的限制

双目避障的最大问题是:它需要进行大量的图像分析,而图像分析往往需要大量的计算机资源来运算,所以它对于无人机的大脑--“飞行控制器”(简称 “飞控”)的运算速度有不低的要求,这也是高通 (Qualcomm)英特尔 (Intel)这两家处理器巨头,为甚么能藉着强大的运算能力而跨界插足无人机范畴。而且,亦由于双目避障需要大量的运算,导致增加了耗电量,这也是大疆本来就掌握了是 360 度双目避障技术,但最后 Phantom 4 却只采用前向避障的最大原因

Yuneec Typhoon H

双目避障除了是对处理器和续航力有要求之外,它也直接增加无人机的生产成本。在电脑或手机界别,英特尔和高通的高速芯片售价不菲,而且双目感应器和它的一堆配套也需要额外购买,成本难免上升;例如 Yuneec Typhoon H 售价就高达 1799 美元(上图),比起他们上一代旗舰 Q500 的 1299 美元贵了不少;而零度无人机亦明确表示他们在与大疆其实在双目避障上是同时起步,在技术有亦有所储备,但 XIRO Xplorer 2 暂时采用雷达方式避障,只是成本和产品迭代上的考量。

在目前无人机陷于价格战的环境下,双目避障未必就是个最佳的选择。

无人机的新视觉

无论双目避障的限制有多大,它已经成为目前无人机界别的最主要的创新空间。而且,我先前经常强调:无人机的门槛很低,要造无人机并不困难;但是,双目避障在技术上、在成本上,也很可能成为无人机巨头与后来者之间的一个巨大门槛。

好吧,来到这个地步,真的不要说无人机是 “高级遥控飞机” 了(笑)。

 

题点来自 123RF

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