详解多旋翼飞行器上的传感器技术（下）

本篇文章4798字，读完约12分钟

雷锋。搜索“雷锋”。这篇文章的作者是来自大江的一位工程师，他叫杨硕。本文分为两个部分。第一部分链接在这里。

背景:

2014年6月，我在智湖。“小型民用无人机的销售现状和前景如何？——YY大师的答案”，一个关于科普特多旋翼飞机技术的答案已经在下面发表了，它已经获得了889个批准和近10万次在智湖的浏览，并且已经被数十个媒体和公众数字转发。2014年年中是多旋翼飞机市场爆发前的热点。后来，许多朋友告诉我，正是这篇文章吸引他们进入多旋翼飞机行业。

在过去的两年里，大江精灵系列已经更新了两代，飞行控制技术也更新了两代。智能导航技术从无到有，许多新的软硬件产品相继发布。同时，我们也有很多朋友。现在多旋翼飞机的市场正在蓬勃发展，许多产品令人眼花缭乱，价格相差很大。为了了解这些飞机之间的差异，我们必须首先了解这些飞机中使用的传感器技术。我认为有必要再发一篇科普文章来定义“智能导航”的概念，顺便介绍一下大江在过去两年里在传感器技术方面所做的努力。

文本:

4.Elf 4的传感器方案

大江在Elf 4上实现了由双目立体视觉系统和惯性测量元件组成的视觉里程表。飞机上安装了两套双目立体视觉系统，一套向前看，另一套向下看，共有四个摄像头。

视觉里程表的计算涉及两个双目立体视觉系统。正常情况下，双目立体视觉系统主要是向下看。如果向下看的相机面对一些不显眼的环境(如纯色的海底、海面等)。)，视觉里程表将自动切换到立体视觉系统进行测量和计算。虽然Elf 4采用了成熟的机器视觉技术，但由于Elf 4机载计算量有限，大江长期以来一直在努力优化算法，并利用movidius公司生产的图像算法处理专用芯片，结合movidius公司的图像处理算法库，优化四通道图像处理的性能。值得一提的是，谷歌探戈项目也使用了movidius的这种芯片，该项目将很快推出。然而，由于movidius的芯片不包含视觉里程表算法，谷歌产品中的视觉里程表算法应该与Elf 4有很大不同。

除了视觉里程表，两套双目立体视觉系统还带来两个好处:1 .一套向下看的双目立体视觉系统可以探测到下面地面上物体的三维位置，从而知道地面的距离；2.向前看，双目立体视觉系统可用于检测前方场景中物体的深度，并为障碍物感知生成深度图。深度图也可用于重建飞机周围的局部地图，以进行精细运动规划，这是Elf 4定点飞行的基础，本文不做详细描述。

除了增加一个视觉里程表，Elf 4还增加了一个内置的超声波模块。因此，Elf 4上有六种传感器:gps+惯性测量单元+气压计+地磁罗盘+超声波模块+双目视觉系统。其中，有两套双目视觉系统，共4台摄像机；有两个惯性测量元件实现双冗余备份；还有两个地磁罗盘，也是双冗余的。当运行中的惯性测量单元或地磁罗盘受到严重干扰时，系统将自动切换回另一个传感器。下表总结了这些传感器的数量、功能和特性:

有了这些传感器，组合导航系统已升级为智能导航系统。智能导航技术极大地扩展了飞机可以移动的空空间。当有全球定位系统时，系统主要可以通过全球定位系统测量15个状态量，视觉里程表仍然可以继续运行，提供额外的速度和位置测量，以进一步提高精度；当gps信号不好时，视觉里程表可以代替gps为整个系统提供稳定的观测。在智能导航系统中，有三种高度确定传感器:超声波、气压计和双目立体视觉，可以覆盖几乎所有令传统多旋翼飞行器头疼的高度确定场景:树木上方、室内、建筑物附近、多风环境等。

地磁罗盘的冗余设计可以大大减少外部磁干扰造成的罗盘故障。此外，视觉里程表还可以给出航向的观测值，它们的互补性可以提高航向的观测精度。在以前的飞机上，有许多由地磁罗盘干扰引起的爆炸问题。在Elf 4中，由于多重保护措施，地磁罗盘干扰导致问题的概率大大降低。

智能导航系统需要一个强大的软件系统来组织导航算法和飞行控制算法。Elf 4的飞行控制类似于最新的a3飞行控制，是大江的第三代飞行控制器。大江第一代飞控是王涛自己写的，性能非常好。然后，飞行控制小组在过去几年里两次重建了相对较大的飞行控制软件系统，以支持更多的传感器和功能。2014年底推出的第二代飞行控制增加了光学流速测量模块支持、sdk、有限飞行区和新手模式等功能，2016年初开发的第三代飞行控制增加了冗余传感器、双目立体视觉支持、避障和智能返航等功能。因为每次重构都对整个软件系统进行了大规模的调整，增加了许多软件模块和新的软件体系结构，所以它分为三代。当其他人开始做飞行控制时，大江已经两次重建了自己的代码，这是大江最自豪的地方之一。

智能导航系统使Elf 4能够在任何状态下精确测量其3D位置和3D速度，这对实现多功能具有重要意义。

近年来，关于是否应该使用双目立体视觉或激光雷达传感器来避开障碍物的争论很多。在大江，工程师团队还讨论了在智能导航系统中放置什么样的传感器来长期避开障碍物，最后选择了双目立体视觉方案。我相信随着科学技术的发展，未来会诞生更多更好的新型传感器，其他传感器很可能会取代双目立体视觉，但实现稳定避障的关键不是用来避障的传感器。在避障事件前后，机体会突然刹车，整个机体会经历很大的姿态变化和加速度。在这种状态下，飞机能否稳定地测量其十五个状态量是影响安全性的最重要问题。

如果系统突然刹车后，整个位置观测甚至速度观测出现偏差，那么飞机可能会左右浮动，或者仍然会发生爆炸。即使你不炸毁飞机，飞机也会在避开障碍物后前后左右摇晃，这也会给用户带来心理上的不安全感，带来不好的用户体验。当Elf 4在许多严重的情况下避开障碍物时，飞机会自动锁定它的位置，它的速度会很快降低到零。它能快速从高速机动中恢复到完全静止，悬停非常稳定，从而避免了障碍物附近不稳定活动引起的爆炸。

Elf 4还可以处理许多看似简单的飞行场景，但对传感器系统的要求非常高。例如，让飞机从室内飞到室外，在超过十层的窗户上盘旋。在这种情况下，当通过窗户时，向下看的传感器几乎都立即失效，由于建筑物的遮挡，gps不会立即生效。因此，传感器系统不够坚固的飞机可能会因为失去速度和位置的测量而漂浮到建筑物上，从而导致高空轰炸机。通过前视双目视觉系统的观察，Elf 4可以在下视传感器暂时失效时继续运行视觉里程表，并及时提供辅助速度和位置观察，以避免速度和位置无法控制而导致机器爆炸的情况。

事实上，在航空摄影场景中经常会遇到信号不足的情况，因为gps很容易被遮挡。例如，在树木茂密的峡谷中进行航空摄影时，通常情况下，飞机放在地面上时无法接收到全球定位系统信号，但如果飞机稳定地飞行到几十米的高度，就可以接收到信号。在这种危急情况下，起飞和降落是非常危险的。如果我们想让飞机在起飞和着陆过程中保持稳定状态，飞机必须能够在全球定位系统和视觉里程表之间无缝切换，这样用户才能放心起飞和降落。如果用户从高处下降到低处时gps突然丢失，视觉里程表没有及时修复，飞机失去位置和速度观测后将变得很难控制，可能会撞上灌木丛。

读者可能会问，在这些情况下，光学流速测量模块的效果是否相同。如前所述，光流速度测量模块的算法有很多简化的假设，特别是被观察物体必须在同一平面的假设，使得光流速度测量模块在树木上方和地形变化较大的空房间上方表现很差，不能满足室外航空摄影的需要。虽然视觉里程表的计算量很大，但它比光流测速仪模块更实用有效。

此外，值得一提的是，第二代DJI飞控利用遥控杆转换成飞机的加速度指令，而第三代DJI飞控则利用遥控杆转换成Elf 4上飞机的速度指令。在Elf 3、大江的上一代飞机和许多无人机产品上，如果你向前推遥控器，飞机会以固定的角度加速，直到加速度被空空气阻力抵消，所以控制不直观，所以新手很难操作飞机；在Elf 4上，如果你用全杆推进遥控器，飞机会自动调整到一个固定的速度，直接控制速度非常直接，容易控制。过去，让飞机保持匀速飞行是只有专业飞行员才能做到的事情，但现在普通人真的可以做到了。这种改进看似简单，但它提供了更好的操作感觉，使飞机的飞行状态更加稳定。

对于空中操作人员来说，所有花哨的功能都不如悬停和稳定飞行重要，因为飞机抖动太多，这总是给用户一种“我的飞机真的没有问题吗？”，而且用户体验极其糟糕。当我们去青海、西藏或其他美丽的地方开车时，我们一定希望开车平稳缓慢，这样我们就可以专注于美丽的风景；如果你驾驶一辆赛车，只需一点点油门就能加速到200公里，当你转弯时，你会被向后推一会儿，然后向左和向右推一会儿，你还会有心情欣赏路上美丽的风景吗？

遥控杆的变化也显示了大江对其智能导航系统提供的稳定的3D速度测量的信心。目前，我从未见过任何其他公司的飞机控制系统使用遥控杆来转换飞机的速度指令。

5.当我谈论无人机时，我在说什么

在这篇文章中，我直到现在才提到“无人驾驶飞行器”这个词。我认为，正如一辆合格的汽车必须有安全措施，如安全带、安全气囊、后视镜、阻燃内饰、各种仪表板等。一架合格的多旋翼飞机还必须有一个由惯性测量元件、gps、视觉里程表、避障系统、气压计、超声波传感器等组成的智能导航系统。，因此被称为无人驾驶飞行器。多旋翼飞机不是玩具，汽车高速撞击人会对人体造成严重伤害。多旋翼飞行器即使不高速运动也能通过螺旋桨对人体造成严重伤害，因此多旋翼飞行器传感器必须具有很强的安全性和稳定性。

2014年，大江飞控集团有一块白板，上面写着:“竞争对手”只用小字写了行业内几个竞争品牌的名字，却用大字写了“波音”。在过去的几年里，DJI飞行控制中心的梦想一直是将这种低成本的多旋翼飞机制造成波音的民用客机，其致命事故率仅为五百万分之一。随着传感器技术和飞行控制质量的提高，截至2016年5月底，Elf 4核心传感器的故障概率约为200万分之一。与载人飞机相比，大江还有很多工作要做，但在无人多旋翼飞机行业，大江是行业中飞机总体故障率最低的企业。许多其他企业可能无法计算出百万甚至万分之一的事故概率。

许多其他公司也生产了许多多旋翼飞机产品，但大多数只是做了一个集成导航的皮毛，增加了一个光学流速测量模块，然后用一些歪脑筋开始炫耀自己的安全。这就像造一辆车，然后说，“啊，我的车很安全，因为我的方向盘感觉很好，车上还有gps”，但他的车里甚至没有安全气囊或后视镜。

其他公司在飞机上出售新的传感器。然而，一个完整可靠的传感器系统是一点一滴积累起来的，新的传感器必须在硬件和软件上与现有的组合导航系统仔细集成，才能真正发挥其作用。面对许多声称使用激光、红外线和“人眼级智能”的传感器，读者只需问这些制造商:“你的传感器能与gps无缝切换吗？”"你的传感器能解决室内高度下降的问题吗？""当突然刹车时，你的传感器能保持位置观察吗？"可以看出，它们都是堆积如山的空城堡。

一些制造商的口号是“无人机不是土豪的玩具”。如果他们所有口号中的“无人驾驶飞行器”一词都被“汽车”所取代，那么他们所引导的这种宣传逻辑和消费观念是极其错误的。对于汽车来说，有些汽车很贵，因为它们在车身周围提供了更好的倒车雷达和传感器系统。这种提高汽车价格的行为改善了驾驶体验，是合理的；另一方面，汽车被要求变得更便宜。与其移除这些安全传感器，不如从车身材料和内部方面降低成本。

大江对这种行为极为反感，并不是为了攻击这些竞争对手来占领市场，而是希望所有的制造商能沉住气，改进飞机的传感器。多旋翼飞机不是一种像手机这样的消费电子产品，而是一种像汽车和客机一样危险的交通工具，所以它不能打价格战，也不能标新立异。我们希望装有全套智能导航系统和算法的飞机能上市，并在2999年仍能卖出。我们坚信，只有实施完善的智能导航系统，才能生产出真正安全的无人机，否则，不合格的飞机将进入市场，这将损害所有制造商的利益，危及整个社会的安全。