無人機已廣泛應用于娛樂產(chǎn)業(yè)(如電視節(jié)目/電影制作)、業(yè)余攝影領(lǐng)域，甚至成為風靡一時的趣味玩具。憑借抵達復雜區(qū)域的能力，無人機的應用正逐步拓展至工業(yè)檢測、物流配送、安防監(jiān)控等專業(yè)場景。但你是否知道，支撐無人機運行的核心組件是視覺系統(tǒng)?在深入探討這一主題之前，我們將先理清無人機的定義、梳理其多元應用場景，并解析其快速普及的背后邏輯。最后，我們將探討安森美(onsemi)如何憑借技術(shù)革新，推動無人機的視覺系統(tǒng)升級。
類型和應用
無人機屬于無人駕駛飛行器(UAV)，亦稱為無人航空系統(tǒng)(UAS)，少數(shù)情況下也被稱作遠程駕駛航空器(RPA)。它們無需載人駕駛，可通過多種系統(tǒng)實現(xiàn)自主導航運行。
無人機分為三種類型：固定翼無人機、單旋翼/多旋翼無人機和混合旋翼無人機。每類機型的用途各不相同，與各自的預期應用場景高度契合。
固定翼無人機通常用于重型載荷運輸及長航時飛行任務，部署場景包括情報、監(jiān)視與偵察(ISR)任務、作戰(zhàn)行動、巡飛彈藥部署、地圖測繪及科研活動等。
單旋翼/多旋翼無人機應用最為廣泛，工業(yè)應用場景涵蓋常規(guī)倉儲、設備巡檢乃至物流配送等領(lǐng)域。由于這類機型適用的場景多樣，因此需要高度優(yōu)化的機電方案來滿足不同需求。
混合旋翼無人機融合了上述兩類機型的優(yōu)勢，具備垂直起降(VTOL)能力，因而應用場景更為靈活，尤其適用于空間受限的區(qū)域。所以不難理解，大多數(shù)物流配送無人機都會選用這種類型。
無人機運動與導航系統(tǒng)
無人機搭載了多種用于運動和導航的傳感器，包括加速度計、陀螺儀和磁力計(統(tǒng)稱為慣性測量單元，即IMU)、氣壓計等。它們運用各種算法與技術(shù)，如光流(借助深度傳感器)、同步定位與地圖構(gòu)建(SLAM)和視覺里程計。盡管這些傳感器能較好地發(fā)揮作用，但往往難以在合理的成本和最優(yōu)尺寸范圍內(nèi)達到所需的精確度與準確度。這一問題在長航時飛行中會進一步加劇，進而導致需要使用昂貴的電池，或因電池充放電循環(huán)限制而縮短飛行時長。
無人機視覺系統(tǒng)
圖像傳感器對上述傳感器形成功能補充，帶來顯著的性能增強，使無人機成為高準確度、高精確度的設備。視覺系統(tǒng)主要包含兩類組件：云臺(通常也稱為有效載荷)和視覺導航系統(tǒng)(VNS)。
云臺*– 提供第一人稱視角(FPV); 通常集成多種圖像傳感器，覆蓋寬電磁波譜范圍(特殊情況下包含紫外線傳感器，常規(guī)CMOS圖像傳感器覆蓋300nm - 1000nm 波段，短波紅外(SWIR)傳感器延伸至2000nm，而中波紅外(MWIR)和長波紅外(LWIR)傳感器則覆蓋2000nm以上波段)。
視覺導航系統(tǒng)(VNS)– 用于提供導航指引、目標識別及避障功能; 通常由低成本低分辨率圖像傳感器構(gòu)成，結(jié)合 IMU與其他傳感器數(shù)據(jù)，通過計算機視覺技術(shù)構(gòu)建完整的自主導航方案。
視覺系統(tǒng)的重要性
正如前文中的用途和應用所述，無人機可在室內(nèi)外環(huán)境中作業(yè)。這些場景往往充滿挑戰(zhàn)，不僅存在大范圍的光照變化，還會在粉塵、霧氣、煙霧及漆黑環(huán)境中面臨能見度限制。無人機系統(tǒng)需要借助大量人工智能(AI)和機器學習(ML)算法對圖像數(shù)據(jù)進行處理，同時利用前文所述技術(shù)提供的數(shù)據(jù)，而這一切的前提是讓這一高度優(yōu)化的設備實現(xiàn)低功耗運行，并達成長距離或長航時作業(yè)的目標。
輸入到這些算法中的數(shù)據(jù)必須具備高保真度和豐富細節(jié)，但在某些使用場景中，只需提供必要信息即可，以便實現(xiàn)高效處理。AI/ML的訓練時間需要縮短，推理過程則需快速且具備高準確度與精確度。無論無人機在何種環(huán)境下運行，都需要保證圖像質(zhì)量以滿足上述要求。
僅能捕捉場景并提交信息以供處理的傳感器，遠不足以支撐這些設備的高質(zhì)量運行，大多數(shù)情況下甚至會使部署目的落空。理想的傳感器應具備以下能力：實現(xiàn)小型化的同時保留所關(guān)注區(qū)域的完整細節(jié);具備寬動態(tài)范圍以應對同一幀畫面中的明暗光線;最大程度減少或消除圖像中的寄生效應;解決粉塵、霧氣、煙霧導致的視野問題;借助高深度分辨率就來輔助圖像處理。這樣的傳感器將為無人機成為高度優(yōu)化的設備帶來巨大助益。
這些能力能夠最大程度減少圖像重建、分析及決策加速過程中所需的資源規(guī)模，包括處理核心、圖形處理器(GPU)、片上或片外存儲器、總線架構(gòu)及電源管理。這也降低了整個系統(tǒng)的物料清單(BOM)成本，尤其是考慮到如今的無人機已能輕松搭載10個以上的圖像傳感器。此外，在相同的資源配置下，更深入的分析和更復雜的決策輔助算法將得以實現(xiàn)，從而讓無人機在競爭激烈的領(lǐng)域中形成差異化優(yōu)勢。
安森美是感知領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導者，不僅為視覺系統(tǒng)方案帶來重大創(chuàng)新，還提供了全面的圖像傳感器系列，以滿足云臺和VNS的需求。Hyperlux LP、Hyperlux LH、Hyperlux SG、Hyperlux ID 及SWIR等產(chǎn)品系列融合了大量技術(shù)和特性，能夠充分滿足無人機視覺系統(tǒng)的需求。如今，無人機制造商可從安森美處一站式獲取所需的各種視覺傳感器，并符合NDAA要求。
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