【導(dǎo)讀】隨著無人機(jī)、自主移動(dòng)機(jī)器人、人形機(jī)器人逐步走向規(guī)模化落地，行業(yè)對(duì)設(shè)備能力的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，早已不再局限于基礎(chǔ)移動(dòng)性能。真正拉開設(shè)備智能化差距的，是環(huán)境感知、自主判斷與實(shí)時(shí)避障的視覺能力。無論是低空作業(yè)的商用無人機(jī)，還是在工業(yè)、倉儲(chǔ)場(chǎng)景高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的視覺引導(dǎo)機(jī)器人，都需要依靠成熟的感知體系，實(shí)時(shí)捕捉環(huán)境信息、判斷行進(jìn)路線、規(guī)避突發(fā)障礙。基于安森美行業(yè)白皮書核心內(nèi)容，本文作為系列解讀首篇，聚焦無人機(jī)與視覺引導(dǎo)機(jī)器人兩大核心設(shè)備，從硬件架構(gòu)、成像系統(tǒng)、防撞邏輯、導(dǎo)航算法等維度，系統(tǒng)梳理兩類自主設(shè)備的環(huán)境感知方案與核心需求，清晰拆解現(xiàn)代智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行的底層邏輯。
本系列將分三篇為您深度拆解安森美（onsemi）發(fā)布的《面向無人機(jī)和機(jī)器人的圖像傳感器教程》白皮書。本文為第一篇，聚焦宏觀場(chǎng)景與感知策略，梳理現(xiàn)代商用無人機(jī)和視覺引導(dǎo)機(jī)器人的環(huán)境感知需求。
一、一場(chǎng)感知革命
任何能夠自主或半自主運(yùn)行和移動(dòng)的裝置，都需要獲取自身位置和行進(jìn)方向信息。本文將介紹其中兩類裝置：
無人機(jī)（UAV）：一種通過編程實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)引和導(dǎo)航的飛行器，通常低空飛行，能夠避開沿途障礙物并應(yīng)對(duì)不可預(yù)測(cè)的天氣狀況，從上方觀測(cè)大片土地或建筑。
視覺引導(dǎo)機(jī)器人（VGR）：此類裝置通過編程，利用視覺成像、地圖構(gòu)建和深度感知等多種技術(shù)實(shí)時(shí)獲取信息，從而確定完成指定任務(wù)的最佳移動(dòng)路線。
UAV和VGR都在不斷演進(jìn)，所采用的架構(gòu)也在持續(xù)創(chuàng)新，以便更好地利用從周圍世界感知到的信息。在演進(jìn)過程中，它們逐漸細(xì)分為不同的類別，而且每個(gè)類別利用圖像傳感器數(shù)據(jù)和在此基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)任務(wù)活動(dòng)的方式不盡相同，形成了各自特有的策略。如今，每個(gè)類別的定義不僅取決于移動(dòng)方式和目標(biāo)任務(wù)，還取決于所具備的視覺感知能力。
二、無人機(jī)如何感知環(huán)境
無人機(jī)的兩大主要成像系統(tǒng)分別用于導(dǎo)航和視覺感知。兩者所涉及的傳感器在設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面都存在根本性的差異。
云臺(tái)安裝式圖像傳感器
無人機(jī)的前置云臺(tái)實(shí)際上就相當(dāng)于它的“頭部”。在飛機(jī)和航天器導(dǎo)航應(yīng)用中，云臺(tái)一直以來的作用就是安裝陀螺儀；但對(duì)于無人機(jī)來說，云臺(tái)必不可少，能夠讓無人機(jī)擺脫前方視野限制，持續(xù)追蹤一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)。為此，云臺(tái)被賦予了俯仰和傾斜調(diào)節(jié)的能力，不過當(dāng)需要進(jìn)行360度掃描時(shí)，無人機(jī)往往只需原地旋轉(zhuǎn)即可，云臺(tái)的俯仰傾斜便無關(guān)緊要了。
如今，無人機(jī)云臺(tái)是一個(gè)非常重要的部件，以至于圍繞云臺(tái)已經(jīng)發(fā)展出一個(gè)獨(dú)立于無人機(jī)本體的完整產(chǎn)業(yè)。云臺(tái)通常可支持多達(dá)三種類型的相機(jī)，包括以下類別：
第一人稱視角（FPV）：類似于載人飛機(jī)乘客的目視視野
熱成像/紅外或近紅外（NIR）成像：能夠檢測(cè)被攝物體表面散發(fā)的熱量，通常用于探測(cè)生物或危險(xiǎn)的熱源或物質(zhì)
長焦鏡頭：通常配備更高分辨率的圖像傳感器，一般具有亞微米級(jí)像素，可擴(kuò)展空間分辨率，從而更好地區(qū)分對(duì)比度和動(dòng)態(tài)范圍的差異；或者使用焦距更長、具有2倍至5倍光學(xué)變焦的鏡頭
防撞系統(tǒng)
無人機(jī)防撞系統(tǒng)的功能和算法位于其電子控制單元（ECU）中。它是無人機(jī)固件或軟件的一部分。
與地面自主車輛不同，無人機(jī)為了避開檢測(cè)到的任何障礙物而必須及時(shí)處理的各種信息都必須存儲(chǔ)在設(shè)備本地，而不是存儲(chǔ)在云端或遠(yuǎn)程處理器中。
因此，這類系統(tǒng)需要多個(gè)數(shù)據(jù)源，包括：來自云臺(tái)的傳感器數(shù)據(jù)、來自雷達(dá)或激光雷達(dá)的距離和測(cè)距數(shù)據(jù)、來自GPS的測(cè)繪坐標(biāo)數(shù)據(jù)。機(jī)載防撞系統(tǒng)（ACAS）是一種避免空中碰撞的標(biāo)配組件，通常能夠自主運(yùn)行。ACAS最初是針對(duì)各類飛機(jī)研發(fā)的，如今ACAS的一些版本正被改造用于無人機(jī)。
視覺導(dǎo)航系統(tǒng)（VNS）
無人機(jī)的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)集成在同一硬件和圖像傳感器系統(tǒng)中。雖然防撞系統(tǒng)可能只需要一個(gè)FPV相機(jī)，但如果有兩個(gè)，就能協(xié)同工作。相機(jī)以雙目立體模式工作，向ECU輸出連續(xù)幀圖像，為VNS提供視覺里程計(jì)功能：通過比對(duì)路口等地標(biāo)在畫面中的實(shí)際位置與內(nèi)置地圖的預(yù)估坐標(biāo)，推算位置和方向與行進(jìn)距離。
同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）
將視覺數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法稱為同步定位與地圖構(gòu)建。配備SLAM技術(shù)的無人機(jī)不僅能夠估計(jì)自身位置，而且能夠在一個(gè)數(shù)據(jù)源甚至兩個(gè)數(shù)據(jù)源都不可用時(shí)，規(guī)劃出自己的飛行路線。例如，如果SLAM利用兩個(gè)里程計(jì)源推斷出某個(gè)物體的方位和速度，就能引導(dǎo)無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)轉(zhuǎn)向避障；若僅使用單個(gè)數(shù)據(jù)源，則僅能生成自身的航向調(diào)整方案。
三、系統(tǒng)級(jí)傳感器配置需求
自主設(shè)備所需的傳感器 - 無人機(jī)
自主設(shè)備所需的傳感器 - VGR機(jī)器人
結(jié)論
整體來看，無人機(jī)與視覺引導(dǎo)機(jī)器人的智能化迭代，本質(zhì)是環(huán)境感知體系的持續(xù)升級(jí)。兩類設(shè)備雖然應(yīng)用場(chǎng)景、運(yùn)行方式不同，但核心邏輯高度一致，都是依靠圖像傳感器、多源數(shù)據(jù)融合與專業(yè)算法，擺脫人工操控依賴，實(shí)現(xiàn)自主定位、導(dǎo)航與避障。相較于傳統(tǒng)設(shè)備，現(xiàn)代無人機(jī)依靠云臺(tái)多成像系統(tǒng)、機(jī)載防撞系統(tǒng)與SLAM建圖技術(shù)，能夠適配復(fù)雜天氣、低空多變環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的自主飛行作業(yè)；而視覺引導(dǎo)機(jī)器人則依托視覺成像、深度感知與實(shí)時(shí)建圖能力，適配工業(yè)精密作業(yè)與動(dòng)態(tài)場(chǎng)景移動(dòng)需求。
不難看出，視覺感知硬件的精度、響應(yīng)速度、環(huán)境適配性，直接決定了自主設(shè)備的作業(yè)穩(wěn)定性與智能化上限。行業(yè)發(fā)展的核心瓶頸，也逐漸聚焦在極端環(huán)境適配、高精度成像、低功耗運(yùn)行等技術(shù)突破點(diǎn)。本次系列開篇內(nèi)容重點(diǎn)厘清了兩類設(shè)備的感知架構(gòu)與應(yīng)用差異，后續(xù)將進(jìn)一步聚焦圖像傳感器核心參數(shù)、動(dòng)態(tài)性能、行業(yè)解決方案等關(guān)鍵內(nèi)容，完整解鎖智能自主設(shè)備的視覺升級(jí)路徑。
