無人機避障技術，無人機公司避不開的“障礙” 精選

不知不覺，又快要到新一年度的 CES 了。
在 2016 年的 CES 最拉風的，莫過於是 Yuneec 與英特爾合作的 RealSense 無人機智能避障表演；然後 XIRO 展出了引入激光避障技術的 Xplorer 2，也引入了激光避障技術；不久，第一台雙目避障的消費級無人機 Phantom 4，也在三月正式出貨，揭開了無人機自動避障的時代。

避障技術，突然成為消費級無人機界在 2016 年的關鍵詞。


但在 2016 年年底，英特爾貌似集中精力於專業級無人機上，而愛範兒也報道過，Yuneec 最新一台的自拍無人機 Breeze 上也棄用了英特爾的 RealSense 避障。另一方面，大疆儘管還是大賣，但以自動避障為賣點的 Phantom 4，所受的關注程度遠不及極度便攜的 Mavic Pro（上圖）。

消費者看起來，對“自動避障”興趣並沒想 像的那麼大，年初大出風頭的自動避障，也突然由主角變成了跑龍套。

無人機避障技術概況

無人機的障障技術，是怎樣的一回事？

最初的無人機，能透過陀螺儀和加速器，感知無人機的平穩程度，透過控制四個電機的輸出，穩定自身的飛行和懸停形態。然後，無人機引入 GPS 和氣壓計感器，結合陀螺儀和加速器定位；GPS 判斷自身的平面位置，氣壓計判斷自身的垂直高度，再透過控制電機輸出，把無人機保持在同一平面和垂直點。
雖然，無人機已經能成功找到三維的“絕對定位”（GPS 平面坐、氣壓垂直高度），但如何在四邊不靠的空中，感知四周環境，知道無人機與鄰近事物的“相對定位”（與周遭四事的距離），成為了業界的最大課題。誠然，最新的一批無人機的避障技術，其實骨子裏就也就是：以傳感器判斷週遭事物與自身的距離，然後透過控制電機輸出，停止繼續接近障礙、甚至是繞過障礙。


最初，無人機常用的測距方式為“飛行時間 (Time of Flight, TOF) ”，無人機透過發射激光／紅外線／超聲波，然後計算電波反射到傳感器的時差，估算障礙與自己的距離；但這種方法感知範圍狹窄、距離也不夠遠。愛範兒曾報道，2016 年的新一批無人機，主要建基於計算機視覺：改用透過雙目攝影機或結構光的造成的視差 (Parallax)（上圖），進行即時的三維建模，判定障礙物與無人機之間的距離。

但是，為什麼消費級無人機的自動避障變得先進了，但仍然火不起來？

避障／飛行，一個矛盾命題

避障之所以重要，是因為障礙物的存在；沒有障礙物，根本也不需要避障。
無人機除了是一台機器人，它更是一台會飛的機器人；要拍機器人飛上天，為的也是要躲開各種地表的障礙，以取得更直接的移動路線、或是更廣闊而無遮擋的視野。簡言之，避障是要用來回避障礙，但無人機飛得愈高，障礙物就愈少，對避障的需求就愈來愈低。

所以某程度上，無人機加入避障能力，本身還是矛盾命題。


為什麼消費級無人機的自動避障技術，最後就火不了？也就是因為“避障／飛行”的矛盾 ── 目前消費級無人機仍然以航拍為主。用户為了拍攝“上帝視角”，需要把無人機飛往高空；但在高空裏卻沒有太多的障礙要躲，航拍無人機飛行愈高，景色愈壯觀，愈壯觀的景色，愈與避障無關（上圖）。

雖然如此，無人機的自動避障技術在航拍上用處不大，但它在行業無人機裏仍然十分重要。


舉例説，植保無人機針對的是地面環境，一般在農作物的 1 – 2 米上空噴灑，無人機飛高了，就難以集中的噴灑農藥；不會自動避障的話，很容易就撞到樹了。同樣地，專業電影無人機針對的也是地面的拍攝場景，飛得太高的話，什麼俊男美女也變成小豆一顆；但飛得太低，明星們都身嬌肉貴，不個不小心削到臉皮，誰來負責？其餘像經常穿梭災場的救災無人機、或是巡邏監察的安防無人機，更不在話下了。

自動避障技術真的沒有用嗎？

所以，無人機避障絕非沒用，只是在消費級無人機上，火不了起來而已。


消費級無人機，真的不需要避障嗎？不是的。航拍無人機在起飛、降落和和斷線後的自動回航的情況下，仍然需要一定程度的避障能力；何況消費級無人機的用户，不少都是新手、是無人機的小白，更需要自動避障保護。正如愛範兒指出，不少新手在操控無人機的時候，最常犯的錯誤就搞錯操作方向，簡單來説就是“推前走左、推右走後”，然後撞牆（上圖）。

然而，由於“視覺避障”對計算能力要求極高，超出消費級無人機所能負擔的程度。即使是高端如 Yuneec Typhoon H、大疆 Phantom 4 或 Mavic Pro，在成本和續航力限制下，只能提供單向的雙目避障能力（直至大疆年底推出的 Phantom 4 Pro，才提供左右兩側的紅外線避障能力，然而作用仍有限）。即使前向避障也許能防止失控回航時的撞牆意外，但一般新手仍然經常因為操作失誤，從側向或後面撞上障礙，然後炸機。

更諷刺的是，自拍無人機飛得更矮，更需要自動避障吧？但偏偏是飛行高度最小、最接近地面、需要面對最多障礙物、最需要自動避障能力的自拍無人機，更受限於體積、成本和續航力，更難以引入自動避障功能。也許某程度上，自拍無人機缺少自動避障功能，阻礙了它的普及；而自拍無人機沒能普及，也使消費者對自動避障更提不起勁。
為什麼廠商要研發自動避障？

如是者，為什麼無人機公司要如此積極研發自動避障技術？因為它是未來。

正確一點來説，Odin 説的“未來”不是指自動避障技術，而是“計算機視覺”和“自動化操作”，避障只是它們的“應用場景”。“計算機視覺”和“自動化操作”，均為未來機械人學及人工智能範疇的顯學，而自動避障則是當中的應用方式。舉例説，Mobileye 就把計算機視覺用於在輔助駕駛，透過自動避障技術，讓汽車在若干程度上能自主行走。


但相比起無人駕駛汽車來説，無人機對“自動避障”的需求更大、難度也更低。舉例説，我們要一人一台、手動遙控一定數量的無人機，並進行長時間的飛行任務，絕非易事；故此，像植保或安防等行業無人機，已經開始利用地面站集中管理，進行長時間的自動化自動噴灑或監察任務（上圖）。因此，行業無人機必須擁有可靠的自動避障能力，來讓無人機自己運作。

即使自動避障能力沒能在消費級無人機發揮很大效果，但背後的計算機視覺原理，也在降低消費級無人機的操作難度。


例如是大疆的雙目下視鏡頭，採用立體的視覺里程計 (Visual Odometry) 技術，使無人機的定高能力更精準；而其 FlightAutonomy 五向感知技術，大幅提升無人機的室內定位能力，也有雙目視覺和側向紅外線側距的功勞，讓無人機更穩定 ── 何況是基於計算機視覺的各種視覺跟隨和指點飛行功能（上圖），把無人機的操作變得更簡單？

自動避障的未來？

總體來説，Odin 並不否認消費級無人機的自動避障能力，目前還是雞肋，食之無肉，棄之有味。但儘管目前消費者對自動避障興趣不大，但由於目前計算機技術計算仍然有很大潛力，未來在消費級市場上還有什麼的發展空間，仍然很不好説。


所以，無人機公司如果單純為了航拍市場用不上自動避障、或是因為自拍無人機不温不火而放棄計算機視覺，那就實在太短視了。


資料來源：愛範兒（ifanr）