工程师谈多旋翼飞行器视觉感知系统

位置，从而知道地面的距离；

　　2. 向前看的一套双目立体视觉系统可以用来探测前方场景中物体的深度，产生深度图进行障碍感知。深度图还可以用于重建一个飞行器周围的局部地图，以进行精细的运动规划，这就是精灵4指点飞行的基础，在这篇文章中不详细介绍了。

　　除了增加视觉里程计之外，精灵4上还增加了内置的超声波模块。所以精灵4上一共有GPS+惯性测量元件+气压计+地磁指南针+超声波模块+双目视觉系统六种传感器。其中双目视觉系统有两套，共4个相机；惯性测量元件有两个，实现双冗余备份；地磁指南针也有两个，同样双冗余。当工作中的惯性测量元件或者地磁指南针受到严重干扰的时候，系统会自动进行备份切换，切换到另一个传感器上。

　　有了这些传感器以后，组合导航系统升级成为了智能导航系统。智能导航技术极大拓展了飞行器可以活动的空间，当有GPS的时候，系统可以通过GPS为主进行十五个状态量的测量，视觉里程计依然可以继续运作，提供额外的速度和位置的测量值进一步提高精度；GPS信号不好的时候，视觉里程计可以接替GPS为整个系统提供稳定的观测。智能导航系统中有三种确定高度的传感器：超声波、气压计、双目立体视觉，这三种传感器几乎可以覆盖所有让传统多旋翼飞行器头疼的定高场景：树丛上方、室内、靠近建筑的位置、大风环境等等。

　　地磁指南针的冗余设计可以很大程度上减小外部磁干扰带来的指南针故障。另外视觉里程计也能给出航向的观测，两者互补能够提高航向的观测精度。在以前的飞行器上，因为地磁指南针受到干扰造成的炸机问题比较多，在精灵4上因为有了多重保护措施，地磁指南针被干扰导致问题的概率大大降低。

　　有了智能导航系统之后，还需要有一套强有力的软件系统去组织导航算法和飞行控制算法。精灵4的飞控和最新推出的A3飞控类似，都是大疆第三代飞行控制器。大疆第一代飞控是汪滔自己写的，性能很不错，然后飞控组在过去的几年里做了两次比较大的飞控软件系统的重构，以支持更多的传感器和功能。2014年底推出的第二代飞控里加入了光流测速模块支持、SDK、限飞区和新手模式等功能，2016年初开发完成的第三代飞控里加入了冗余传感器、双目立体视觉支持、避障功能和智能返航等功能。因为每一次重构都对整个软件系统做了很大规模的调整，增加了很多的软件模块和新的软件架构，所以分了三代。别人刚开始做飞控的时候，大疆已经自己重构了两次代码，这一点是大疆最引以自豪的地方之一。

　　智能导航系统让精灵4在任何状态下都可以准确测量自身的三维位置和三维速度，这对实现多种功能都有非常重要的意义。

　　近年来，业界有很多关于避障应该使用双目立体视觉还是激光雷达传感器等传感器的争论。在大疆内部，选择什么样的传感器放入智能导航系统用来避障，工程师团队也进行了旷日持久的探讨，最后还是选择了双目立体视觉的方案。我相信随着科技的发展，在未来会不断有更多更好的新传感器诞生，很可能会有其他传感器代替双目立体视觉，但是实现稳定避障的关键不在于避障所使用的传感器。避障这个事件发生前后，飞行器机体一定会发生急刹车，整体会经历很大的姿态变化和加速度，在这种状态下，飞行器是否还能稳定地测量出自己的十五个状态量，才是最影响安全性的问题。

　　如果系统急刹车之后，整体的位置观测甚至速度观测都发散了，这时候飞行器有可能左右飘出去，还是会发生炸机。就算不炸机，避障之后飞机前后左右摇晃，也会给用户心理上造成不安全的感受，带来很差的用户体验。精灵4在很多严苛的情况下发生避障动作时，飞行器会自动锁定位置、速度迅速减为0的状态，很快就可以从高速机动恢复到完全不动，非常稳定地悬停，避免了在障碍附近不稳定活动引起炸机。

　　精灵4还能处理很多看似很简单，但是对传感器系统要求非常高的飞行场景。比如在十几层楼的窗口把飞行器从室内飞到室外悬停。这种场景下，从窗口穿出时，向下看的传感器几乎马上全部失效，由于有建筑的遮挡，GPS也不会立刻生效，因此传感器系统不够稳健的飞行器有可能因为失去速度和位置的测量而飘到建筑上造成高空炸机。而精灵4则能够通过前视双目视觉系统的观测，在向下看的传感器都暂时失效时继续运行视觉里程计，及时提供辅助的速度和位置观测，避免造成无法控制速度和位置导致炸机的情况出现。

实际上，由于前面说的过GPS容易被遮挡导致没有足够的信号做观测的情况在航拍的场景中其实常常遇到。比如在树木茂密的峡谷里航拍，经常出现的情况是飞行器放在地面上时接收不到GPS信号，