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无人机(jī)避障(zhàng)系(xì)统

目前(qián),主流的电动多旋翼无人(rén)机避障系统主要有三(sān)种,分别是超(chāo)声波、TOF,以(yǐ)及相对更复杂的,由多种测距方法和(hé)视觉图像处理(lǐ)组成的(de)复合型方法。

超声波:

一(yī)个比较(jiào)形象(xiàng)的比喻就是(shì)蝙(biān)蝠。这种飞行类哺乳动物,通过口腔(qiāng)中喉部的特殊构造来发(fā)出超声波(bō),当超声波遇到猎物或者障碍的时候就会反射(shè)回来,蝙蝠可以用(yòng)特殊(shū)的听觉系统来接收反射回来(lái)的信号,从而探测(cè)目标的距离(lí),确定飞行路线。超声波是最简单的测距系统,绝(jué)大部分(fèn)生活中(zhōng)遇到的测距(jù)系统都是使用的这种技术,最(zuì)常见的就(jiù)是汽车的倒车雷(léi)达。在无(wú)人(rén)机(jī)上加装定向的超声波发(fā)射和接收器,然后将(jiāng)其接入飞控系(xì)统即(jí)可(kě)。但是,超声波在无人机避(bì)障系(xì)统的应用(yòng)中也有比(bǐ)较(jiào)明显的干扰问题。虽然超声波避障系统不会受(shòu)到(dào)光线(xiàn)、粉尘、烟雾,但在部分场景下也(yě)会受到声波的(de)干扰。其次,如果物体表(biǎo)面反射超声波的能(néng)力不足,避障系统的有效距(jù)离就会(huì)降低,安全(quán)隐患(huàn)会显著提高。一般来说(shuō),超声波的有效(xiào)距(jù)离是5米,对应的反射物体(tǐ)材质(zhì)是水(shuǐ)泥地板,如果材质不是平面(miàn)光滑的固体物,比如说地毯,那(nà)么超(chāo)声(shēng)波的(de)反射和接收就会出(chū)问题。

对于无(wú)人机来说(shuō),这种超声波(bō)系统应该放在多个(gè)方(fāng)向,比如放在前(qián)后左右四个方向(xiàng),可以在悬(xuán)停和飞行(háng)的时候对周围保持监控;而(ér)放在(zài)机身下方(fāng)和上方,则(zé)可以在起飞、下(xià)降以及降落(luò)的(de)时候避免速度太快碰到障(zhàng)碍物或者(zhě)地面。

TOF

通俗一点讲,就是把前面(miàn)的超声(shēng)波换成光。检测方法有两种一种是光的时间,另一种(zhǒng)是(shì)光的相位。但是总的(de)来说(shuō),都是把光打(dǎ)出去,然(rán)后检测反射回来(lái)的光,进而判断(duàn)无人机的(de)周围是(shì)否有障碍物,距离几何(hé)等等。

和超声波(bō)同样,光波也会受到干扰(rǎo),而目前城市环境下(xià)楼宇间的光污染,给TOF避(bì)障系统带来了难题,系统发出的光,必(bì)须避(bì)开太阳光的主要能量波段,从而避(bì)免太阳(yáng)光(guāng)的直射、反射等对避障系(xì)统造(zào)成干扰。

目前,TOF在(zài)室内测量距(jù)离最大可以到10米,室外强光干扰的话,5米左右吧(ba)。在悬停状态(tài)下,TOF系统会一直保持快速旋转,每(měi)秒钟旋(xuán)转(zhuǎn)2-5圈。这是因(yīn)为,在旋(xuán)转的(de)过程中系统(tǒng)就可以完成对周(zhōu)围有效半径内的360°范围进行快速扫描,从而用较快(kuài)的(de)速度(dù)发现障碍,然后对飞(fēi)控系统发出调整(zhěng)位置(zhì)的指令,避免(miǎn)对周围的人(rén)或财物(wù)造成伤害;当(dāng)在飞行的过(guò)程中,TOF系统则会停止旋转,只把(bǎ)光发射(shè)到(dào)前进的(de)方向上。固定方向的时候,在室外的有效距离可以增(zēng)加到8-10米。对于一(yī)般无(wú)人机来说,美妙的飞行距离也就是10米左右,检测到障碍物之后1秒的反(fǎn)应时间,无(wú)人机可以(yǐ)用一(yī)个较(jiào)大的加速度(dù)来停止前进。

复(fù)合型、机器视觉避障系(xì)统:

可以在前、后、左、右和下(xià),一共5个方向上进行障碍识别(bié),而识别的机制分(fèn)为两(liǎng)个部分,分比为是超声波(bō)和机(jī)器视觉。也就是说,除了(le)常(cháng)规的超声波模块以外,5个方向上(shàng)还(hái)专(zhuān)门(mén)放置了摄像(xiàng)头用于获取视觉图像,然后直接(jiē)传输到(dào)机载的(de)英特尔凌动(AtomBay Trail处理(lǐ)器(qì)进行(háng)计(jì)算处理。另外,进入消费级无人机市场(chǎng)时间(jiān)较早的Parrot,也在跟英(yīng)伟达(dá)(Nvidia)进行避障方面(miàn)的合作,同样采(cǎi)用了包含机器视觉的复合型避障系统。

这种复合型避障(zhàng)系统,相对前两种提到的模式来说(shuō)技术含量(liàng)更(gèng)高一些。当然在工作效率上也(yě)有一定(dìng)的优势。比(bǐ)如停车场管理。在室内GPS用于定位(wèi)基本可以免谈了,在地(dì)下停车场(chǎng)中光照条(tiáo)件一般不太(tài)好,而超声波与(yǔ)机器视(shì)觉加(jiā)起来,几乎可以在任(rèn)何照(zhào)度下对(duì)多种(zhǒng)材质进行较好(hǎo)的(de)识别(bié),从而对无(wú)人(rén)机在地下停车场封闭环境中的飞行提供更(gèng)好(hǎo)的指导,识别的有效范围可以显著提升,准确度往往可以(yǐ)达到厘米级(jí)。

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