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详解多旋翼飞行器上的传感器技术(下)

2016-6-3 17:18 Lee 查看: 1770| 评论: 0|来自: 雷锋网

背景:

2014年的六月,我在知乎“民用小型无人机的销售现状和前景怎么样? - YY硕的回答”这个问题下面发布了一篇科普多旋翼飞行器技术的回答,在知乎上至今获得了889个赞同、近10万次浏览,并且被几十家媒体和公众号转发。2014年中正是多旋翼飞行器市场爆发前的风口,后来很多朋友告诉我说正是这篇文章吸引他们走入了多旋翼飞行器行业。

两年来,大疆精灵系列更新了两代,飞控技术更新了两代,智能导航技术从无到有,诸多新的软件和硬件产品陆续发布。同时我们也多了很多友商,现在多旋翼飞行器市场火爆,诸多产品琳琅满目,价格千差万别。为了理解这些飞行器的区别,首先要理解这些飞行器上使用的传感器技术。我觉得现在很有必要再发一篇科普文章,定义“智能导航”这个概念,顺便字里行间介绍一下两年来大疆在传感器技术方面的努力。


正文:

4. 精灵4的传感器方案

大疆在精灵4上实现了双目立体视觉系统加惯性测量元件构成的视觉里程计,飞机上装了两套双目立体视觉系统,一套向前看,一套向下看,一共是四个相机。

两套双目立体视觉系统都参与视觉里程计的计算。通常情况下以向下看的双目立体视觉系统为主,如果向下看的相机对着一些特征不明显的环境(比如纯色的地板、海面等等),感受不到什么图像变化,视觉里程计会自动切换到向前看的立体视觉系统做测量计算。虽然精灵4采用的都是较为成熟的机器视觉技术,但是由于精灵4上机载的计算量非常有限,大疆还是下了相当久的苦功去优化算法,并使用了Movidius公司制作的图像算法处理专用芯片,结合Movidius公司的图像处理算法库优化四路图像处理的性能。值得一提的是,不久就会面世的Google Project Tango也使用了Movidius公司的这款芯片。不过因为Movidius公司的芯片不包含视觉里程计的算法,所以Google的这款产品中视觉里程计的算法应该与精灵4的算法有较大差别。

两套双目立体视觉系统还带来了视觉里程计之外的两个好处:1. 向下看的一套双目立体视觉系统可以探测下方地面上物体的三维位置,从而知道地面的距离;2. 向前看的一套双目立体视觉系统可以用来探测前方场景中物体的深度,产生深度图进行障碍感知。深度图还可以用于重建一个飞行器周围的局部地图,以进行精细的运动规划,这就是精灵4指点飞行的基础,在这篇文章中不详细介绍了。

除了增加视觉里程计之外,精灵4上还增加了内置的超声波模块。所以精灵4上一共有GPS+惯性测量元件+气压计+地磁指南针+超声波模块+双目视觉系统六种传感器。其中双目视觉系统有两套,共4个相机;惯性测量元件有两个,实现双冗余备份;地磁指南针也有两个,同样双冗余。当工作中的惯性测量元件或者地磁指南针受到严重干扰的时候,系统会自动进行备份切换,切换到另一个传感器上。这些传感器的数量、功能和特性总结如下表:

有了这些传感器以后,组合导航系统升级成为了智能导航系统。智能导航技术极大拓展了飞行器可以活动的空间,当有GPS的时候,系统可以通过GPS为主进行十五个状态量的测量,视觉里程计依然可以继续运作,提供额外的速度和位置的测量值进一步提高精度;GPS信号不好的时候,视觉里程计可以接替GPS为整个系统提供稳定的观测。智能导航系统中有三种确定高度的传感器:超声波、气压计、双目立体视觉,这三种传感器几乎可以覆盖所有让传统多旋翼飞行器头疼的定高场景:树丛上方、室内、靠近建筑的位置、大风环境等等。

地磁指南针的冗余设计可以很大程度上减小外部磁干扰带来的指南针故障。另外视觉里程计也能给出航向的观测,两者互补能够提高航向的观测精度。在以前的飞行器上,因为地磁指南针受到干扰造成的炸机问题比较多,在精灵4上因为有了多重保护措施,地磁指南针被干扰导致问题的概率大大降低。

有了智能导航系统之后,还需要有一套强有力的软件系统去组织导航算法和飞行控制算法。精灵4的飞控和最新推出的A3飞控类似,都是大疆第三代飞行控制器。大疆第一代飞控是汪滔自己写的,性能很不错,然后飞控组在过去的几年里做了两次比较大的飞控软件系统的重构,以支持更多的传感器和功能。2014年底推出的第二代飞控里加入了光流测速模块支持、SDK、限飞区和新手模式等功能,2016年初开发完成的第三代飞控里加入了冗余传感器、双目立体视觉支持、避障功能和智能返航等功能。因为每一次重构都对整个软件系统做了很大规模的调整,增加了很多的软件模块和新的软件架构,所以分了三代。别人刚开始做飞控的时候,大疆已经自己重构了两次代码,这一点是大疆最引以自豪的地方之一。

智能导航系统让精灵4在任何状态下都可以准确测量自身的三维位置和三维速度,这对实现多种功能都有非常重要的意义。

近年来,业界有很多关于避障应该使用双目立体视觉还是激光雷达传感器等传感器的争论。在大疆内部,选择什么样的传感器放入智能导航系统用来避障,工程师团队也进行了旷日持久的探讨,最后还是选择了双目立体视觉的方案。我相信随着科技的发展,在未来会不断有更多更好的新传感器诞生,很可能会有其他传感器代替双目立体视觉,但是实现稳定避障的关键不在于避障所使用的传感器。避障这个事件发生前后,飞行器机体一定会发生急刹车,整体会经历很大的姿态变化和加速度,在这种状态下,飞行器是否还能稳定地测量出自己的十五个状态量,才是最影响安全性的问题。

如果系统急刹车之后,整体的位置观测甚至速度观测都发散了,这时候飞行器有可能左右飘出去,还是会发生炸机。就算不炸机,避障之后飞机前后左右摇晃,也会给用户心理上造成不安全的感受,带来很差的用户体验。精灵4在很多严苛的情况下发生避障动作时,飞行器会自动锁定位置、速度迅速减为0的状态,很快就可以从高速机动恢复到完全不动,非常稳定地悬停,避免了在障碍附近不稳定活动引起炸机。

精灵4还能处理很多看似很简单,但是对传感器系统要求非常高的飞行场景。比如在十几层楼的窗口把飞行器从室内飞到室外悬停。这种场景下,从窗口穿出时,向下看的传感器几乎马上全部失效,由于有建筑的遮挡,GPS也不会立刻生效,因此传感器系统不够稳健的飞行器有可能因为失去速度和位置的测量而飘到建筑上造成高空炸机。而精灵4则能够通过前视双目视觉系统的观测,在向下看的传感器都暂时失效时继续运行视觉里程计,及时提供辅助的速度和位置观测,避免造成无法控制速度和位置导致炸机的情况出现。

实际上,由于前面说的过GPS容易被遮挡导致没有足够的信号做观测的情况在航拍的场景中其实常常遇到。比如在树木茂密的峡谷里航拍,经常出现的情况是飞行器放在地面上时接收不到GPS信号,如果稳定飞到几十米的高度就可以接收到了。在这些临界情况下起飞和降落非常危险,如果要保证飞行器在升降过程中都能保持稳定的状态,飞行器必须能够在GPS和视觉里程计之间无缝转换,这样才能让用户放心地起降。如果用户从高处下降到低处GPS突然没有了,而视觉里程计没有及时补上,飞机失去位置和速度观测之后就变得非常难操控,就有可能撞在树丛上。

读者可能问,在这些情况下光流测速模块效果是不是也一样呢。我们前面说过光流测速模块的算法有很多简化的假设,尤其是被观测的物体必须处于同一个平面这样的假设,使得光流测速模块在树丛上方、地势变化较大的空间上方,都表现非常糟糕,并不能满足户外航拍的需求。虽然视觉里程计计算量庞大,但它是比光流测速模块更加实用有效的方案。

另外值得一提的是,第二代的大疆飞控使用的是遥控器杆量转化成飞行器的加速度指令,而第三代的大疆飞控在精灵4上变成了遥控器杆量转化成飞行器的速度指令。在精灵3、大疆的前代飞行器以及很多无人机产品上,如果你推遥控器满杆前进,飞行器会以一个固定的角度加速飞出去,直到加速度被空气阻力抵消,这样控制并不直观,所以新手很难操作飞行器;而在精灵4上,如果你推遥控器满杆前进,飞行器会自己调整到一个固定的速度上,直接操控速度显得非常直接,非常容易操控。以往,让飞行器保持匀速飞行是只有专业飞手才能做到的事情,现在则真真正正地让普通人也能触手可得。这一个修改看似简单,但是提供了更好的操作手感,而且让飞行器飞行的状态更加稳定。

对于航拍操作手来说,所有的花哨功能都不如悬停得稳、飞得稳这一点重要,因为飞机晃得太厉害,总会给用户造成一种“我的飞机真的没出问题吗”的感受,用户体验极其不好。我们去西藏青海或者其他很美的地方开车玩,肯定是希望平稳、慢慢地开,这样才能专心看美景;如果开着一部油门轻轻一点就加速到200公里的赛车,坐在车里一会儿被推背,一会儿过弯时左右甩,人还有心情欣赏路上的美景吗?

遥控器杆量改动也显示了大疆对自己智能导航系统提供的稳定的三维速度测量的信心。目前我没有见过其他哪家公司的飞行器控制系统采用的是遥控器杆量转化成飞行器的速度指令。

5. 当我在谈论无人机的时候,我在谈论什么

在这篇文章里,到现在我都没有提过“无人机”三个字。我觉得,就像一辆合格的汽车必须有安全带、安全气囊、后视镜、阻燃内饰、各种仪表盘等等安全措施才能称为汽车一样,一部合格的多旋翼飞行器也必须有惯性测量元件、GPS、视觉里程计、避障系统、气压计和超声波等传感器构成的智能导航系统才能被称为无人机。多旋翼飞行器不是玩具,汽车以高速撞人会造成人体严重的伤害,多旋翼飞行器甚至都不需要高速运动就可以用螺旋桨造成人体严重的伤害,因此多旋翼飞行器传感器必须有很强的安全性和稳定性。

2014年的时候,大疆飞控组有一个白板,上面写着:“竞争对手” 下面只用小字写了几个业内竞争品牌的名字,但是用大大的字写了“波音“。几年来,大疆飞控的梦想都是能让便宜低价的多旋翼飞行器像波音的民航客机那样,只有五百万分之一的致死事故发生率。随着传感器技术的提升和飞行控制品质的提升,截止2016年5月底,精灵4核心传感器出现故障的概率约为两百万分之一。虽然相比起载人的飞行器来说,大疆还有很多地方需要努力,但是在无人的多旋翼飞行器行业中,大疆是行业中飞行器整体故障率最低的企业。很多其他的企业,可能都无法计算出事故概率是百万分之多少,甚至是万分之多少。

很多其他公司也出了不少多旋翼飞行器产品,但是大部分只做了个组合导航的皮毛,加上一个光流测速模块,然后动一些歪脑筋,就开始标榜自己的安全性。就好比造个了汽车,说“啊我这个安全性很好的因为我方向盘手感很好,还装了个车载GPS”,但他车里连安全气囊和后视镜都没有。

还有的公司以飞行器上有新型传感器为卖点。但是一套完整、可靠的传感器系统是一点一滴积累起来的,新传感器必须和已有的组合导航系统在硬件和软件上仔细融合,才能真正发挥作用。面对很多号称采用激光、红外线、“人眼级别的智能”的传感器,读者们只要去问这些厂商:“你的传感器能和GPS无缝切换吗?”“你的传感器解决室内掉高问题吗”“你的传感器在急刹车的时候还能保持位置观测吗”,就可以看出他们都是堆砌出来的空中楼阁。

有些厂商的宣传语是“无人机不是土豪的玩具”。如果把他们所有宣传语中的“无人机”一词换成“汽车”,那么这类宣传逻辑和它们引导的消费观念显得极其错误。对汽车来说,有些汽车价格昂贵是因为提供了更好的倒车雷达和车身周围的传感器系统,这种增加汽车售价的行为提高了驾驶的体验,是理所应当的;另一方面,要求汽车变得更便宜,不应该要求去除这些安全传感器,而是应该从车身材料、内饰等方面去入手降成本。

大疆极其反感这类行为,并不是想打击这些竞争对手以占领市场,而是希望所有厂商能够沉住气,把飞行器的传感器做完善。多旋翼飞行器不是手机一类的消费电子,而是和汽车、客机一样具有一定危险性的载具,不能一味打价格战或者标新立异。我们希望市场上能出现带着全套智能导航系统和算法,依然售价2999的飞行器。我们坚信只有实现了完善的智能导航系统,才能造出真正安全的无人机产品,否则让不达标的飞行器进入市场,损害的是全体厂商的利益,也危害了整个社会的安全。

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