無人機(jī)已廣泛應(yīng)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(fēng)靡一時的趣味玩具。憑借抵達(dá)復(fù)雜區(qū)域的能力，無人機(jī)的應(yīng)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(jī)運(yùn)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(jī)的定義、梳理其多元應(yīng)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(jī)的視覺系統(tǒng)升級。

類型和應(yīng)用

無人機(jī)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(yuǎn)程駕駛航空器(RPA)。它們無需載人駕駛，可通過多種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航運(yùn)行。

無人機(jī)分為三種類型：固定翼無人機(jī)、單旋翼/多旋翼無人機(jī)和混合旋翼無人機(jī)。每類機(jī)型的用途各不相同，與各自的預(yù)期應(yīng)用場景高度契合。

固定翼無人機(jī)通常用于重型載荷運(yùn)輸及長航時飛行任務(wù)，部署場景包括情報、監(jiān)視與偵察(ISR)任務(wù)、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(jī)應(yīng)用最為廣泛，工業(yè)應(yīng)用場景涵蓋常規(guī)倉儲、設(shè)備巡檢乃至物流配送等領(lǐng)域。由于這類機(jī)型適用的場景多樣，因此需要高度優(yōu)化的機(jī)電方案來滿足不同需求。

混合旋翼無人機(jī)融合了上述兩類機(jī)型的優(yōu)勢，具備垂直起降(VTOL)能力，因而應(yīng)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(jī)都會選用這種類型。

無人機(jī)運(yùn)動與導(dǎo)航系統(tǒng)

無人機(jī)搭載了多種用于運(yùn)動和導(dǎo)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(yùn)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(dá)到所需的精確度與準(zhǔn)確度。這一問題在長航時飛行中會進(jìn)一步加劇，進(jìn)而導(dǎo)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(jī)視覺系統(tǒng)

圖像傳感器對上述傳感器形成功能補(bǔ)充，帶來顯著的性能增強(qiáng)，使無人機(jī)成為高準(zhǔn)確度、高精確度的設(shè)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(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)(VNS)– 用于提供導(dǎo)航指引、目標(biāo)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(jī)視覺技術(shù)構(gòu)建完整的自主導(dǎo)航方案。

視覺系統(tǒng)的重要性

正如前文中的用途和應(yīng)用所述，無人機(jī)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(jī)系統(tǒng)需要借助大量人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)算法對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)備實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，并達(dá)成長距離或長航時作業(yè)的目標(biāo)。

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(xì)節(jié)，但在某些使用場景中，只需提供必要信息即可，以便實(shí)現(xiàn)高效處理。AI/ML的訓(xùn)練時間需要縮短，推理過程則需快速且具備高準(zhǔn)確度與精確度。無論無人機(jī)在何種環(huán)境下運(yùn)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(yuǎn)不足以支撐這些設(shè)備的高質(zhì)量運(yùn)行，大多數(shù)情況下甚至?xí)共渴鹉康穆淇?。理想的傳感器?yīng)具備以下能力：實(shí)現(xiàn)小型化的同時保留所關(guān)注區(qū)域的完整細(xì)節(jié);具備寬動態(tài)范圍以應(yīng)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(yīng);解決粉塵、霧氣、煙霧導(dǎo)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(jī)成為高度優(yōu)化的設(shè)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(jī)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(fù)雜的決策輔助算法將得以實(shí)現(xiàn)，從而讓無人機(jī)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(dǎo)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(jī)視覺系統(tǒng)的需求。如今，無人機(jī)制造商可從安森美一站式獲取所需的各種視覺傳感器，并符合NDAA要求。