不知不覺,今年度的 CES 又圓滿落幕了。
在CES 最拉風的,莫過於是 Yuneec 與英特爾合作的 RealSense 無人機智慧避障表演;然後 XIRO 展出了引入雷射避障技術的 Xplorer 2;不久,第一台雙目避障的消費級無人機 Phantom 4,也在去年三月正式出貨,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的關鍵詞。

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但在 2016 年年底,英特爾貌似集中精力於專業級無人機上而有媒體也報導過,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,其實骨子裡就也就是:以傳感器判斷周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。
 

distance

 
最初,無人機常用的測距方式為「飛行時間 (Time of Flight, TOF) 」,無人機透過發射雷射/紅外線/超音波,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。有媒體曾報導,2016 年的新一批無人機,主要建基於電腦視覺: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。
 

Aerial Photography

 
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。用戶為了拍攝「上帝視角」,需要把無人機飛往高空;但在高空裡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,但它在行業無人機裡仍然十分重要。
 

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舉例說,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。

Flying

 
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戶,不少都是新手、是無人機的小白,更需要自動避障保護。
 
正如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,簡單來說就是「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(直至大疆去年底推出的 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。
 

dobby drone

 
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。
 
 
正確一點來說,Odin 說的「未來」不是指自動避障技術,而是「電腦視覺」和「自動化操作」,避障只是它們的「應用場景」。「電腦視覺」和「自動化操作」,均為未來機器人學及人工智慧範疇的顯學,而自動避障則是當中的應用方式。舉例說,Mobileye 就把電腦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。
 

groundstation

 
但相比起無人駕駛汽車來說,無人機對「自動避障」的需求更大、難度也更低。
 
舉例說,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2u04sl3視覺原理,也在降低消費級無人機的操作難度。
 

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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 ── 何況是基於電腦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?
 
總體來說,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,但由於目前電腦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,仍然很不好說。
 

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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溫不火而放棄電腦視覺,那就實在太短視了。

 

Reference: https://3smarket-info.blogspot.com/2018/07/blog-post_66.html

 

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