詳解多旋翼飛行器上的傳感器技術（下）

雷鋒網按：本文作者YY碩，來自大疆工程師。此文一共分上下兩篇，上篇鏈接在此。

背景：

2014年的六月，我在知乎“民用小型無人機的銷售現狀和前景怎么樣？ - YY碩的回答”這個問題下面發布了一篇科普多旋翼飛行器技術的回答，在知乎上至今獲得了889個贊同、近10萬次瀏覽，并且被幾十家媒體和公眾號轉發。2014年中正是多旋翼飛行器市場爆發前的風口，后來很多朋友告訴我說正是這篇文章吸引他們走入了多旋翼飛行器行業。

兩年來，大疆精靈系列更新了兩代，飛控技術更新了兩代，智能導航技術從無到有，諸多新的軟件和硬件產品陸續發布。同時我們也多了很多友商，現在多旋翼飛行器市場火爆，諸多產品琳瑯滿目，價格千差萬別。為了理解這些飛行器的區別，首先要理解這些飛行器上使用的傳感器技術。我覺得現在很有必要再發一篇科普文章，定義“智能導航”這個概念，順便字里行間介紹一下兩年來大疆在傳感器技術方面的努力。

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正文：

4. 精靈4的傳感器方案

大疆在精靈4上實現了雙目立體視覺系統加慣性測量元件構成的視覺里程計，飛機上裝了兩套雙目立體視覺系統，一套向前看，一套向下看，一共是四個相機。

兩套雙目立體視覺系統都參與視覺里程計的計算。通常情況下以向下看的雙目立體視覺系統為主，如果向下看的相機對著一些特征不明顯的環境（比如純色的地板、海面等等），感受不到什么圖像變化，視覺里程計會自動切換到向前看的立體視覺系統做測量計算。雖然精靈4采用的都是較為成熟的機器視覺技術，但是由于精靈4上機載的計算量非常有限，大疆還是下了相當久的苦功去優化算法，并使用了Movidius公司制作的圖像算法處理專用芯片，結合Movidius公司的圖像處理算法庫優化四路圖像處理的性能。值得一提的是，不久就會面世的Google Project Tango也使用了Movidius公司的這款芯片。不過因為Movidius公司的芯片不包含視覺里程計的算法，所以Google的這款產品中視覺里程計的算法應該與精靈4的算法有較大差別。

兩套雙目立體視覺系統還帶來了視覺里程計之外的兩個好處：1. 向下看的一套雙目立體視覺系統可以探測下方地面上物體的三維位置，從而知道地面的距離；2. 向前看的一套雙目立體視覺系統可以用來探測前方場景中物體的深度，產生深度圖進行障礙感知。深度圖還可以用于重建一個飛行器周圍的局部地圖，以進行精細的運動規劃，這就是精靈4指點飛行的基礎，在這篇文章中不詳細介紹了。

除了增加視覺里程計之外，精靈4上還增加了內置的超聲波模塊。所以精靈4上一共有GPS+慣性測量元件+氣壓計+地磁指南針+超聲波模塊+雙目視覺系統六種傳感器。其中雙目視覺系統有兩套，共4個相機；慣性測量元件有兩個，實現雙冗余備份；地磁指南針也有兩個，同樣雙冗余。當工作中的慣性測量元件或者地磁指南針受到嚴重干擾的時候，系統會自動進行備份切換，切換到另一個傳感器上。這些傳感器的數量、功能和特性總結如下表：

有了這些傳感器以后，組合導航系統升級成為了智能導航系統。智能導航技術極大拓展了飛行器可以活動的空間，當有GPS的時候，系統可以通過GPS為主進行十五個狀態量的測量，視覺里程計依然可以繼續運作，提供額外的速度和位置的測量值進一步提高精度；GPS信號不好的時候，視覺里程計可以接替GPS為整個系統提供穩定的觀測。智能導航系統中有三種確定高度的傳感器：超聲波、氣壓計、雙目立體視覺，這三種傳感器幾乎可以覆蓋所有讓傳統多旋翼飛行器頭疼的定高場景：樹叢上方、室內、靠近建筑的位置、大風環境等等。

地磁指南針的冗余設計可以很大程度上減小外部磁干擾帶來的指南針故障。另外視覺里程計也能給出航向的觀測，兩者互補能夠提高航向的觀測精度。在以前的飛行器上，因為地磁指南針受到干擾造成的炸機問題比較多，在精靈4上因為有了多重保護措施，地磁指南針被干擾導致問題的概率大大降低。

有了智能導航系統之后，還需要有一套強有力的軟件系統去組織導航算法和飛行控制算法。精靈4的飛控和最新推出的A3飛控類似，都是大疆第三代飛行控制器。大疆第一代飛控是汪滔自己寫的，性能很不錯，然后飛控組在過去的幾年里做了兩次比較大的飛控軟件系統的重構，以支持更多的傳感器和功能。2014年底推出的第二代飛控里加入了光流測速模塊支持、SDK、限飛區和新手模式等功能，2016年初開發完成的第三代飛控里加入了冗余傳感器、雙目立體視覺支持、避障功能和智能返航等功能。因為每一次重構都對整個軟件系統做了很大規模的調整，增加了很多的軟件模塊和新的軟件架構，所以分了三代。別人剛開始做飛控的時候，大疆已經自己重構了兩次代碼，這一點是大疆最引以自豪的地方之一。

智能導航系統讓精靈4在任何狀態下都可以準確測量自身的三維位置和三維速度，這對實現多種功能都有非常重要的意義。

近年來，業界有很多關于避障應該使用雙目立體視覺還是激光雷達傳感器等傳感器的爭論。在大疆內部，選擇什么樣的傳感器放入智能導航系統用來避障，工程師團隊也進行了曠日持久的探討，最后還是選擇了雙目立體視覺的方案。我相信隨著科技的發展，在未來會不斷有更多更好的新傳感器誕生，很可能會有其他傳感器代替雙目立體視覺，但是實現穩定避障的關鍵不在于避障所使用的傳感器。避障這個事件發生前后，飛行器機體一定會發生急剎車，整體會經歷很大的姿態變化和加速度，在這種狀態下，飛行器是否還能穩定地測量出自己的十五個狀態量，才是最影響安全性的問題。

如果系統急剎車之后，整體的位置觀測甚至速度觀測都發散了，這時候飛行器有可能左右飄出去，還是會發生炸機。就算不炸機，避障之后飛機前后左右搖晃，也會給用戶心理上造成不安全的感受，帶來很差的用戶體驗。精靈4在很多嚴苛的情況下發生避障動作時，飛行器會自動鎖定位置、速度迅速減為0的狀態，很快就可以從高速機動恢復到完全不動，非常穩定地懸停，避免了在障礙附近不穩定活動引起炸機。

精靈4還能處理很多看似很簡單，但是對傳感器系統要求非常高的飛行場景。比如在十幾層樓的窗口把飛行器從室內飛到室外懸停。這種場景下，從窗口穿出時，向下看的傳感器幾乎馬上全部失效，由于有建筑的遮擋，GPS也不會立刻生效，因此傳感器系統不夠穩健的飛行器有可能因為失去速度和位置的測量而飄到建筑上造成高空炸機。而精靈4則能夠通過前視雙目視覺系統的觀測，在向下看的傳感器都暫時失效時繼續運行視覺里程計，及時提供輔助的速度和位置觀測，避免造成無法控制速度和位置導致炸機的情況出現。

實際上，由于前面說的過GPS容易被遮擋導致沒有足夠的信號做觀測的情況在航拍的場景中其實常常遇到。比如在樹木茂密的峽谷里航拍，經常出現的情況是飛行器放在地面上時接收不到GPS信號，如果穩定飛到幾十米的高度就可以接收到了。在這些臨界情況下起飛和降落非常危險，如果要保證飛行器在升降過程中都能保持穩定的狀態，飛行器必須能夠在GPS和視覺里程計之間無縫轉換，這樣才能讓用戶放心地起降。如果用戶從高處下降到低處GPS突然沒有了，而視覺里程計沒有及時補上，飛機失去位置和速度觀測之后就變得非常難操控，就有可能撞在樹叢上。

讀者可能問，在這些情況下光流測速模塊效果是不是也一樣呢。我們前面說過光流測速模塊的算法有很多簡化的假設，尤其是被觀測的物體必須處于同一個平面這樣的假設，使得光流測速模塊在樹叢上方、地勢變化較大的空間上方，都表現非常糟糕，并不能滿足戶外航拍的需求。雖然視覺里程計計算量龐大，但它是比光流測速模塊更加實用有效的方案。

另外值得一提的是，第二代的大疆飛控使用的是遙控器桿量轉化成飛行器的加速度指令，而第三代的大疆飛控在精靈4上變成了遙控器桿量轉化成飛行器的速度指令。在精靈3、大疆的前代飛行器以及很多無人機產品上，如果你推遙控器滿桿前進，飛行器會以一個固定的角度加速飛出去，直到加速度被空氣阻力抵消，這樣控制并不直觀，所以新手很難操作飛行器；而在精靈4上，如果你推遙控器滿桿前進，飛行器會自己調整到一個固定的速度上，直接操控速度顯得非常直接，非常容易操控。以往，讓飛行器保持勻速飛行是只有專業飛手才能做到的事情，現在則真真正正地讓普通人也能觸手可得。這一個修改看似簡單，但是提供了更好的操作手感，而且讓飛行器飛行的狀態更加穩定。

對于航拍操作手來說，所有的花哨功能都不如懸停得穩、飛得穩這一點重要，因為飛機晃得太厲害，總會給用戶造成一種“我的飛機真的沒出問題嗎”的感受，用戶體驗極其不好。我們去西藏青海或者其他很美的地方開車玩，肯定是希望平穩、慢慢地開，這樣才能專心看美景；如果開著一部油門輕輕一點就加速到200公里的賽車，坐在車里一會兒被推背，一會兒過彎時左右甩，人還有心情欣賞路上的美景嗎？

遙控器桿量改動也顯示了大疆對自己智能導航系統提供的穩定的三維速度測量的信心。目前我沒有見過其他哪家公司的飛行器控制系統采用的是遙控器桿量轉化成飛行器的速度指令。

5. 當我在談論無人機的時候，我在談論什么

在這篇文章里，到現在我都沒有提過“無人機”三個字。我覺得，就像一輛合格的汽車必須有安全帶、安全氣囊、后視鏡、阻燃內飾、各種儀表盤等等安全措施才能稱為汽車一樣，一部合格的多旋翼飛行器也必須有慣性測量元件、GPS、視覺里程計、避障系統、氣壓計和超聲波等傳感器構成的智能導航系統才能被稱為無人機。多旋翼飛行器不是玩具，汽車以高速撞人會造成人體嚴重的傷害，多旋翼飛行器甚至都不需要高速運動就可以用螺旋槳造成人體嚴重的傷害，因此多旋翼飛行器傳感器必須有很強的安全性和穩定性。

2014年的時候，大疆飛控組有一個白板，上面寫著：“競爭對手” 下面只用小字寫了幾個業內競爭品牌的名字，但是用大大的字寫了“波音“。幾年來，大疆飛控的夢想都是能讓便宜低價的多旋翼飛行器像波音的民航客機那樣，只有五百萬分之一的致死事故發生率。隨著傳感器技術的提升和飛行控制品質的提升，截止2016年5月底，精靈4核心傳感器出現故障的概率約為兩百萬分之一。雖然相比起載人的飛行器來說，大疆還有很多地方需要努力，但是在無人的多旋翼飛行器行業中，大疆是行業中飛行器整體故障率最低的企業。很多其他的企業，可能都無法計算出事故概率是百萬分之多少，甚至是萬分之多少。

很多其他公司也出了不少多旋翼飛行器產品，但是大部分只做了個組合導航的皮毛，加上一個光流測速模塊，然后動一些歪腦筋，就開始標榜自己的安全性。就好比造個了汽車，說“啊我這個安全性很好的因為我方向盤手感很好，還裝了個車載GPS”，但他車里連安全氣囊和后視鏡都沒有。

還有的公司以飛行器上有新型傳感器為賣點。但是一套完整、可靠的傳感器系統是一點一滴積累起來的，新傳感器必須和已有的組合導航系統在硬件和軟件上仔細融合，才能真正發揮作用。面對很多號稱采用激光、紅外線、“人眼級別的智能”的傳感器，讀者們只要去問這些廠商：“你的傳感器能和GPS無縫切換嗎？”“你的傳感器解決室內掉高問題嗎”“你的傳感器在急剎車的時候還能保持位置觀測嗎”，就可以看出他們都是堆砌出來的空中樓閣。

有些廠商的宣傳語是“無人機不是土豪的玩具”。如果把他們所有宣傳語中的“無人機”一詞換成“汽車”，那么這類宣傳邏輯和它們引導的消費觀念顯得極其錯誤。對汽車來說，有些汽車價格昂貴是因為提供了更好的倒車雷達和車身周圍的傳感器系統，這種增加汽車售價的行為提高了駕駛的體驗，是理所應當的；另一方面，要求汽車變得更便宜，不應該要求去除這些安全傳感器，而是應該從車身材料、內飾等方面去入手降成本。

大疆極其反感這類行為，并不是想打擊這些競爭對手以占領市場，而是希望所有廠商能夠沉住氣，把飛行器的傳感器做完善。多旋翼飛行器不是手機一類的消費電子，而是和汽車、客機一樣具有一定危險性的載具，不能一味打價格戰或者標新立異。我們希望市場上能出現帶著全套智能導航系統和算法，依然售價2999的飛行器。我們堅信只有實現了完善的智能導航系統，才能造出真正安全的無人機產品，否則讓不達標的飛行器進入市場，損害的是全體廠商的利益，也危害了整個社會的安全。

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