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无人机避障系统(tǒng)

目前,主流的(de)电(diàn)动多旋翼无(wú)人机避障系统主要(yào)有三种,分别是超声波(bō)、TOF,以及相对更复杂(zá)的,由多种测距方法和(hé)视觉图像处理(lǐ)组成(chéng)的复合(hé)型方法。

超声波:

一(yī)个比(bǐ)较形象的(de)比(bǐ)喻就是(shì)蝙蝠。这种飞(fēi)行类(lèi)哺乳动物,通过口腔(qiāng)中喉部的(de)特殊构造来发出超声波,当(dāng)超声波遇(yù)到猎物或者(zhě)障碍的时候就会反射回来,蝙蝠可以用特殊的听觉系统(tǒng)来接收反射回(huí)来的信号,从而探测目(mù)标的距离,确定飞行路(lù)线。超声波是最简(jiǎn)单(dān)的测(cè)距系统(tǒng),绝(jué)大部分生活中遇到的测距系(xì)统都是(shì)使用的这种(zhǒng)技术,最常见的就是汽车的倒(dǎo)车雷达(dá)。在无人机上加装定向的超声(shēng)波发射和接收器,然后将其接(jiē)入飞(fēi)控系统即可。但是,超声波在无人机避(bì)障系(xì)统的应用中也有(yǒu)比(bǐ)较明显(xiǎn)的干扰(rǎo)问题。虽然超声波避障系统不会受到(dào)光线、粉尘(chén)、烟雾,但在(zài)部分场(chǎng)景(jǐng)下也会受到声波(bō)的干(gàn)扰。其(qí)次,如果物体表面反射超声波的能力不足,避障系统的有(yǒu)效距离(lí)就会降低,安(ān)全(quán)隐患会显著提高。一般来说,超声波的有(yǒu)效(xiào)距离(lí)是5米,对应的反射物(wù)体材质是水泥地板,如(rú)果材质不是平面光(guāng)滑的固(gù)体物,比如说地毯,那(nà)么超声波的反射和接收就会出问题。

对于无人机来说,这种(zhǒng)超声波系统应该放在多个方向,比如放在前后左右四个方向,可以在悬停和飞行的时(shí)候(hòu)对周围(wéi)保持(chí)监控;而放在(zài)机身下方和上(shàng)方,则(zé)可以(yǐ)在起(qǐ)飞、下(xià)降以及(jí)降落的时候避免速度(dù)太快碰到障碍(ài)物或者(zhě)地面。

TOF

通俗一点讲(jiǎng),就是把前面的超声(shēng)波换(huàn)成光(guāng)。检测方法(fǎ)有两种一种是(shì)光的时间(jiān),另(lìng)一种是光的(de)相位。但是总(zǒng)的(de)来说,都是把光打出去,然后(hòu)检(jiǎn)测反射回(huí)来(lái)的光,进而(ér)判断无人机的周围是否(fǒu)有(yǒu)障碍物,距离几何等等。

和超声波同样(yàng),光(guāng)波也会受到干扰,而目前城市环(huán)境下(xià)楼宇(yǔ)间的光污染(rǎn),给TOF避障系(xì)统带来了难题(tí),系统发出的光,必须避开太阳光的主要能(néng)量波(bō)段,从而避免太阳光的直(zhí)射、反射等对避障系统造成干扰。

目(mù)前,TOF在室(shì)内测(cè)量距离最大可以到10米(mǐ),室(shì)外强(qiáng)光干(gàn)扰的话,5米左(zuǒ)右(yòu)吧(ba)。在悬停(tíng)状(zhuàng)态下(xià),TOF系统会一直保持快速旋转,每秒钟旋转2-5圈。这是(shì)因(yīn)为(wéi),在旋转的过程(chéng)中系统就可以(yǐ)完成对周围有效半径(jìng)内的360°范围进行快(kuài)速扫描,从而(ér)用(yòng)较快的(de)速度(dù)发现障碍,然后对飞控系统发出(chū)调整位置的指(zhǐ)令,避免对周围(wéi)的(de)人或财物造成(chéng)伤害(hài);当在(zài)飞行的(de)过程中,TOF系统则会停(tíng)止旋转(zhuǎn),只把光发(fā)射到(dào)前进的方(fāng)向上。固定方(fāng)向(xiàng)的时候,在(zài)室(shì)外的有效距(jù)离可以增加到8-10米(mǐ)。对于一般(bān)无人(rén)机(jī)来说,美妙(miào)的飞行距离也就是10米(mǐ)左右(yòu),检测到障碍物之后1秒(miǎo)的反(fǎn)应时间,无人机可以用(yòng)一(yī)个较大的加速度来停止前进(jìn)。

复合型、机器视觉避障系统:

可(kě)以在(zài)前(qián)、后、左、右(yòu)和下,一共5个方向上进行障碍(ài)识别,而(ér)识(shí)别的机制分为两个部分,分比为是超声波和机器视觉。也就是说,除了(le)常规的超声波模块以外(wài),5个方向上还专门放置了摄(shè)像头用于获取(qǔ)视觉图(tú)像,然后直接传输到机载的英特(tè)尔凌(líng)动(AtomBay Trail处理器进行计(jì)算处理。另外,进入消费级无人机市场时间较早的Parrot,也在跟英伟达(dá)(Nvidia)进行避(bì)障方(fāng)面的合作,同样采用了包含机器视觉的复合(hé)型避障系统。

这种复(fù)合(hé)型避(bì)障系(xì)统,相(xiàng)对前(qián)两(liǎng)种提到的模式来说(shuō)技术(shù)含量更(gèng)高一些。当(dāng)然在工作效率上也有一定的(de)优势。比如停车场管理。在室内GPS用于定位基本可以免谈(tán)了,在地下停车(chē)场中光照条件一(yī)般(bān)不太好,而超声(shēng)波(bō)与机器视觉加(jiā)起来(lái),几乎可以在任何照度下对多种材质进行较好(hǎo)的识别,从而对无(wú)人机在地下停车场(chǎng)封闭环境中的飞行提供更好的指导,识别的有效范围可以显著提升(shēng),准确度往往可以达到厘(lí)米级。

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