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无人机避障系统

目(mù)前,主流(liú)的电动多旋翼无人机避障系统主要有(yǒu)三种(zhǒng),分别是超声波、TOF,以及相对更复杂的,由多种测(cè)距方法和视觉图像处理组成的复(fù)合型方法(fǎ)。

超声波:

一个比较形象的比喻就是蝙蝠。这种飞行类哺乳动物,通(tōng)过口腔中(zhōng)喉部的特殊(shū)构造来(lái)发(fā)出超声波(bō),当超(chāo)声(shēng)波遇到(dào)猎物或者(zhě)障碍的时候就会反(fǎn)射回来,蝙蝠可以用特殊的听觉系统来接收(shōu)反射回来的信号,从(cóng)而探测目标的距离,确定飞行路线。超声波是最简单的测(cè)距(jù)系统,绝大部分生活中遇到的测(cè)距系统都是使用的这种技(jì)术,最常(cháng)见的就是汽车的倒车雷达。在无人机上加装定向的超声波发射(shè)和接收(shōu)器,然(rán)后将其接入飞控系统即可。但是,超声(shēng)波(bō)在无人机避障系(xì)统的应用中也有比较明显的干扰问(wèn)题。虽然超声波避障系统不(bú)会受到光线、粉尘、烟雾,但在部(bù)分(fèn)场景下也会(huì)受到(dào)声波的干扰。其次,如果物体表面反射超声波的能力不足,避(bì)障系统的有效距离(lí)就会(huì)降低,安全隐患会显著提高。一般来说,超声波(bō)的有效(xiào)距离是(shì)5米,对应的反射物体材质是水泥地板,如(rú)果材质不(bú)是(shì)平面(miàn)光滑的固体(tǐ)物,比如说地(dì)毯(tǎn),那么超声波的反射和(hé)接收就会(huì)出问题。

对于(yú)无(wú)人(rén)机(jī)来说,这种超声波系统(tǒng)应该放在多(duō)个(gè)方向,比如放在前(qián)后左右四个方向(xiàng),可以(yǐ)在悬停和飞行的时候对周围保持监(jiān)控(kòng);而放(fàng)在机(jī)身下(xià)方(fāng)和上方,则可(kě)以在起飞、下降(jiàng)以及降落的(de)时候避免速度太快碰到障碍物或者地(dì)面。

TOF:

通(tōng)俗一点讲,就是把前(qián)面的超声波换成光。检测方法有两种一种是光(guāng)的(de)时间,另一种是(shì)光的相位。但(dàn)是(shì)总的来说(shuō),都是把光打出去,然后检测(cè)反射回来的光,进而判断无人机的周围是否有障碍物,距离几(jǐ)何等等。

和超声波(bō)同样,光波也会受到干(gàn)扰,而目前城市环境下(xià)楼宇间的光污染,给TOF避障系统带来了(le)难(nán)题(tí),系统发出的光,必(bì)须避开太阳光的主要(yào)能量(liàng)波段,从而避免太(tài)阳光的直射、反射等对避障系统造成(chéng)干扰。

目前,TOF在(zài)室内测量距离最(zuì)大可以到10米,室外强光干(gàn)扰的话,5米(mǐ)左右吧。在悬停状态下,TOF系统会一(yī)直保(bǎo)持(chí)快速旋转,每秒钟旋转(zhuǎn)2-5圈。这是(shì)因为,在旋转的过(guò)程中系统就可以完(wán)成对周围有效半径内的360°范围进行快速扫(sǎo)描(miáo),从而用较快的速度发现(xiàn)障碍,然后对(duì)飞控系统(tǒng)发(fā)出调(diào)整位置的(de)指令,避免对(duì)周围的(de)人(rén)或财物造成(chéng)伤害;当(dāng)在飞行(háng)的过程中,TOF系统则(zé)会停止旋转,只把光发射到前(qián)进的方(fāng)向上。固定方(fāng)向的时候,在室外的有效距离可以增加到(dào)8-10米。对于一般无人机(jī)来说,美(měi)妙的飞行距离也就(jiù)是10米左右,检(jiǎn)测到障碍物之后(hòu)1秒的(de)反应时(shí)间(jiān),无人机(jī)可以(yǐ)用一个较大的加(jiā)速度来(lái)停止前进(jìn)。

复合型、机(jī)器(qì)视(shì)觉避障(zhàng)系统:

可以在前(qián)、后、左(zuǒ)、右和(hé)下,一共5个方向上进行障(zhàng)碍识别(bié),而识别的机制分(fèn)为两个(gè)部(bù)分,分比为是超声波和机器视觉。也就是说,除了常规的超声波模块(kuài)以外,5个方(fāng)向上还专(zhuān)门放置(zhì)了摄像头用于获取(qǔ)视觉图像,然(rán)后直接传输到(dào)机载的(de)英特尔凌动(AtomBay Trail处理器(qì)进行计(jì)算处理。另外,进(jìn)入消费级无人机市场时间较早的Parrot,也在跟英伟达(Nvidia)进(jìn)行避障方面(miàn)的合作,同样采用了(le)包含机器视觉的复合型(xíng)避(bì)障系统。

这种复合型避障系统,相(xiàng)对前两种提到的模式来(lái)说技(jì)术含量更高一些。当然在工作效率上(shàng)也有一(yī)定的优(yōu)势。比如停车场管理。在室内GPS用于定位基本可(kě)以免(miǎn)谈了,在地下(xià)停车场中光照条件一般不太好,而超声波与机器视觉(jiào)加起来(lái),几乎可以在任何(hé)照度下(xià)对多(duō)种材(cái)质进行(háng)较好(hǎo)的识(shí)别,从而对(duì)无(wú)人机(jī)在地下停车场封闭环(huán)境中的飞行提供更好的指导,识别的(de)有效范围可以显著提升,准确度(dù)往往可以达到厘米级。

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