無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，目前，無人機(jī)廣泛應(yīng)用于航拍、農(nóng)業(yè)、植保、微型自拍等領(lǐng)域。在今年的疫情中無人機(jī)集中地展現(xiàn)了它的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，讓大家看到了無人機(jī)的價(jià)值。
在疫情來襲之際，無人機(jī)成為了戰(zhàn)“疫”利器。無人機(jī)在醫(yī)院和疾控中心間穿梭，實(shí)施疫情防控急救藥品和標(biāo)本的自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn);無人機(jī)在公路上盤旋，代替人工進(jìn)行空中指揮的工作;“莊稼衛(wèi)士”變身“消防能手”，無人機(jī)成為全國(guó)各地廣大農(nóng)村乃至城區(qū)防疫消殺工作的“超級(jí)神器”;隔空中喊話宣傳勸導(dǎo)，無人機(jī)成為宣傳小能手……
在科技的更新和技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)的研究變得越來越深入，無人機(jī)要實(shí)現(xiàn)低空尤其是近地面的自主飛行，除了要知道無人機(jī)當(dāng)前的海拔高度夕卜，還需知道無人機(jī)相對(duì)于地面的高度。無人機(jī)的海拔高度信息一般通過氣壓計(jì)、GPS等測(cè)量得到，無人機(jī)相對(duì)于地面高度，可以使用聲納測(cè)距、激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距、以及機(jī)器視覺測(cè)量方法等方式得到。
目前，超聲波具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，并且硬件電路簡(jiǎn)單、計(jì)算處理容易，所以隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，測(cè)距裝置中廣泛采用超聲波的方式。超聲波測(cè)距的原理通常為利用聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的時(shí)間來計(jì)算出距離。用于無人機(jī)測(cè)距最為合適。
在無人機(jī)中利用超聲波傳感器可以準(zhǔn)確的判斷無人機(jī)與障礙物之間的距離。我們都知道大多數(shù)無人機(jī)中還有懸停和地面跟蹤模式，主要用于捕捉連續(xù)鏡頭和陸地導(dǎo)航，其中超聲波傳感器有助于將無人機(jī)保持在高于地面的恒定高度。
無人機(jī)的飛行任務(wù)主要有三大要求：
其一，是飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性要求?？罩袡C(jī)器人(即無人機(jī))在執(zhí)行任務(wù)過程中必須保持飛行軌跡平滑，高度基本不變，這也是對(duì)飛行器的基礎(chǔ)要求;
其二，是對(duì)障礙物的精準(zhǔn)識(shí)別及規(guī)避;
其三，要求無人機(jī)完成規(guī)避后恢復(fù)預(yù)定軌跡。
無人機(jī)避障技術(shù)可簡(jiǎn)單分為三個(gè)階段：
一是感知障礙物并停止階段;
二是獲取障礙物深度圖像自主繞開階段;
三是建立區(qū)域地圖合理規(guī)劃路徑階段。
作為一個(gè)無人機(jī)的感官系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性要求更高也是硬需求，考慮到未來無人機(jī)在飛行執(zhí)行任務(wù)的過程中需要保持好的飛行狀態(tài)，就需要極高的安全性和穩(wěn)定性，這對(duì)傳感器收集到的信號(hào)信息以及同時(shí)所涉及到的應(yīng)用能夠做實(shí)時(shí)處理的能力是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。這三個(gè)避障技術(shù)對(duì)應(yīng)到幾種傳感器有：超聲波、毫米波、激光紅外、雙目視覺、電子地圖等。這幾種避障方式技術(shù)原理不同，因此適用的場(chǎng)景也會(huì)因需而議。
蘇黎世大學(xué)的研究人員使用新型攝像機(jī)演示了一種飛行機(jī)器人，該機(jī)器人可以檢測(cè)并避開快速移動(dòng)的物體。為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在惡劣環(huán)境下的更快飛行提供了一個(gè)解決方案。
“對(duì)于搜索和救援應(yīng)用(例如地震后)，時(shí)間非常關(guān)鍵，因此我們需要能夠盡可能快地導(dǎo)航的無人機(jī)，以便在其有限的電池壽命內(nèi)完成更多任務(wù)，” 蘇黎世大學(xué)的感知小組以及NCCR機(jī)器人技術(shù)搜救大挑戰(zhàn)負(fù)責(zé)機(jī)器人技術(shù)的Davide Scaramuzza解釋說。“但是，通過快速導(dǎo)航的無人機(jī)，也更容易碰到障礙物，如果障礙物在移動(dòng)，甚至?xí)?。我們意識(shí)到，一種名為事件攝像機(jī)(Event Camera)的新型攝像機(jī)非常適合此目的。”
傳統(tǒng)的攝像機(jī)(例如每個(gè)智能手機(jī)中的攝像機(jī))都通過定期拍攝整個(gè)場(chǎng)景的快照來工作。這是通過同時(shí)曝光所有圖像像素來完成的。但是，這種方式只能在車載計(jì)算機(jī)分析完所有像素之后才能檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體。另一方面，事件攝像機(jī)具有彼此獨(dú)立工作的智能像素。未檢測(cè)到變化的像素時(shí)保持沉默，而看到光強(qiáng)度變化的像素立即發(fā)送信息。這意味著車載計(jì)算機(jī)僅需要處理圖像中所有像素的一小部分，從而大大加快了計(jì)算速度。
事件攝像機(jī)是一項(xiàng)最新的創(chuàng)新，現(xiàn)有的無人機(jī)對(duì)象檢測(cè)算法不能很好地與它們配合使用。因此，研究人員必須發(fā)明自己的算法，該算法可以在很短的時(shí)間內(nèi)收集攝像機(jī)記錄的所有事件，然后減去無人機(jī)自身運(yùn)動(dòng)的影響-這通常是攝像機(jī)看到的大部分變化的原因。
僅3.5毫秒即可檢測(cè)到傳入的對(duì)象
Scaramuzza和他的團(tuán)隊(duì)首先單獨(dú)測(cè)試了相機(jī)和算法。他們將各種形狀和大小的物體扔向相機(jī)，并測(cè)量了算法檢測(cè)物體的效率。成功率在81%到97%之間變化，具體取決于對(duì)象的大小和投擲的距離，并且該系統(tǒng)僅用3.5毫秒即可檢測(cè)到傳入的對(duì)象。
然后最嚴(yán)峻的測(cè)試開始了：將攝像機(jī)放在實(shí)際的無人機(jī)上，在室內(nèi)和室外飛行，然后直接向其投擲物體。無人機(jī)能夠避開90%以上的物體(包括從三米遠(yuǎn)處拋出并以每秒10米的速度行進(jìn)的球)。當(dāng)無人機(jī)提前“知道” 物體的大小時(shí)，一臺(tái)攝像機(jī)就足夠了。相反，當(dāng)它不得不面對(duì)大小不同的物體時(shí)，使用了兩個(gè)攝像頭為其提供立體視覺。
根據(jù)Scaramuzza的說法，這些結(jié)果表明，事件攝像機(jī)可以將無人機(jī)導(dǎo)航的速度提高多達(dá)十倍，從而擴(kuò)展了其可能的應(yīng)用范圍。他說：“無人機(jī)已經(jīng)用于各種各樣的應(yīng)用中，例如貨物交付，人員運(yùn)輸，航空攝影術(shù)，當(dāng)然還有搜救。但是，使機(jī)器人能夠更快地感知和做出決策，對(duì)于其他領(lǐng)域來說，也是一個(gè)游戲的改變者，在這些領(lǐng)域，可靠地檢測(cè)進(jìn)入的障礙物是至關(guān)重要的功能，例如汽車、運(yùn)輸、采礦和機(jī)器人的遠(yuǎn)程檢查等。”
幾乎與飛行員一樣可靠
未來，該團(tuán)隊(duì)將在更加敏捷的四旋翼飛機(jī)上測(cè)試該系統(tǒng)?！拔覀兊淖罱K目標(biāo)是未來有一天無人駕駛無人機(jī)能夠像人類無人機(jī)飛行員一樣導(dǎo)航。目前，在涉及無人機(jī)的所有搜索和救援應(yīng)用中，人類實(shí)際上都處于控制之下。如果我們能夠讓無人機(jī)像人類無人機(jī)一樣可靠地導(dǎo)航飛行員，我們便能夠?qū)⑺鼈冇糜谝暰€范圍之外或遠(yuǎn)程控制范圍之外的任務(wù)?！? Scaramuzza的博士生Davide Falanga這樣說。
