兩(liang) 年來，大疆精靈係列更新了兩(liang) 代，飛控技術更新了兩(liang) 代，智能導航技術從(cong) 無到有，諸多新的軟件和硬件產(chan) 品陸續發布。同時我們(men) 也多了很多友商，現在多旋翼飛行器市場火爆，諸多產(chan) 品琳琅滿目，價(jia) 格千差萬(wan) 別。為(wei) 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(chuan) 感器技術。我覺得現在很有必要再發一篇科普文章，定義(yi) “智能導航”這個(ge) 概念，順便字裏行間介紹一下兩(liang) 年來大疆在傳(chuan) 感器技術方麵的努力。

　　1. 飛行器的狀態

　　客機、多旋翼飛行器等很多載人不載人的飛行器要想穩定飛行，首先最基礎的問題是確定自己在空間中的位置和相關(guan) 的狀態。測量這些狀態，就需要各種不同的傳(chuan) 感器。世界是三維的，飛行器的三維位置非常重要。比如民航客機飛行的時候，都是用GPS獲得自己經度、緯度和高度三維位置。另外GPS還能用多普勒效應測量自己的三維速度。後來GPS民用之後，成本十幾塊錢的GPS接收機就可以讓小型的設備，比如汽車、手機也接收到自己的三維位置和三維位置。

　　對多旋翼飛行器來說，隻知道三維位置和三維速度還不夠，因為(wei) 多旋翼飛行器在空中飛行的時候，是通過調整自己的“姿態”來產(chan) 生往某個(ge) 方向的推力的。比如說往側(ce) 麵飛實際上就是往側(ce) 麵傾(qing) ，根據一些物理學的原理，飛行器的一部分升力會(hui) 推著飛行器往側(ce) 麵移動。為(wei) 了能夠調整自己的姿態，就必須有辦法測量自己的姿態。姿態用三個(ge) 角度表示，因此也是三維的。與(yu) 三維位置、三維角度相對應的物理量是三維速度、三維加速度和三維角速度，一共是十五個(ge) 需要測量的狀態。

　　這十五個(ge) 狀態都對多旋翼飛行器保持穩定飛行有至關(guan) 重要的作用。拿“懸停”這件看起來是多旋翼飛行器最基本的能力來說，實際上飛行器的控製器在背後做了一係列“串級控製”：在知道自己三維位置的基礎上，控製自己的位置始終鎖定在懸停位置，這裏的控製量是一個(ge) 目標的懸停速度，當飛行器的位置等於(yu) 懸停位置時，這個(ge) 目標懸停速度為(wei) 0，當飛行器的位置偏離了懸停位置時，飛行器就需要產(chan) 生一個(ge) 讓自己趨向懸停位置的速度，也就是一個(ge) 不為(wei) 零的目標懸停速度；飛行器要想控製自己產(chan) 生目標懸停速度，就需要根據自己當前的三維速度，產(chan) 生一個(ge) 目標加速度；為(wei) 了實現這個(ge) 目標加速度，飛機需要知道自己的三維角度，進而調整自己的姿態；為(wei) 了調整自己的姿態，就需要知道自己的三維角速度，進而調整電機的轉速。

　　讀者可能會(hui) 想哇為(wei) 什麽(me) 這麽(me) 複雜。其實我們(men) 身邊的許多工程產(chan) 品都在簡單的表現背後藏著複雜的過程。比如汽車的油門也是類似的，踩下油門之後，有傳(chuan) 感器測量汽油的流速、控製汽油的流速；然後有傳(chuan) 感器測量發動機的轉速、控製發動機轉速……從(cong) 踩油門到加速的過程中也有許許多多的傳(chuan) 感器在測量汽車的各個(ge) 狀態量，並對這些狀態量施加控製。

　　知道十五個(ge) 狀態量是多旋翼飛行器做任何動作的基礎中的基礎，但是讓飛行器在任何情況下都準確知道這十五個(ge) 狀態量是非常困難的事情，因為(wei) 現在的科技水平還沒有能夠實現讓一個(ge) 傳(chuan) 感器同時測量這麽(me) 多的物理量。幾十年來，人們(men) 發展出了一套複雜的技術，叫做組合導航，用GPS加上慣性測量元件、氣壓計和地磁指南針來讓飛行器測量自己的十五個(ge) 狀態量。

　　2. 組合導航

　　慣性測量元件是一種能夠測量自身三維加速度和三維角速度的設備（實際上慣性測量元件有兩(liang) 種，一種加速度計，一種角速度計，為(wei) 了行文方便，我們(men) 把這兩(liang) 種元件當做一種，統稱為(wei) 慣性測量元件）。根據物理學原理，加速度的積分是速度，速度的積分是位置，角速度的積分是角度，理論上單靠慣性測量元件，我們(men) 就可以知道十五個(ge) 狀態量。

　　人類的科技水平也的確實現了這一點：GPS還沒被發明以前，導彈上通常都裝著一個(ge) 精密的慣性測量元件，導彈打出去以後靠這個(ge) 裝置測量自己的十五個(ge) 狀態量，然後控製自己飛越海洋和大洲。然而這種慣性測量元件會(hui) 在測量的過程中慢慢累積誤差，元件本身的工藝、技術、成本越差，積累誤差的速度就越快。導彈上價(jia) 值幾百萬(wan) 的慣性測量元件飛幾萬(wan) 公裏後會(hui) 積累十幾米到幾公裏的誤差，這種水平的導彈已經非常了不起了，畢竟不是每個(ge) 國家都可以在背後豎著洲際導彈和國際社會(hui) 講道理。

　　人體(ti) 內(nei) 也有慣性測量元件，人的耳蝸充滿液體(ti) ，人運動的時候這些液體(ti) 有慣性，可以被耳中的神經感受到，因此測出了運動的加速度。然而人的慣性測量元件非常差，閉上眼睛，也不摸周圍的東(dong) 西，隻靠耳蝸感受的移動，人基本沒法走直線。而多旋翼飛行器上用的低成本MEMS慣性測量元件，精度就更差了，它測量的速度和位置在幾秒鍾內(nei) 就會(hui) 發散到幾十米開外去，完全沒法用來規劃控製自己的飛行路線。

　　此外，慣性測量元件還會(hui) 受到溫度、製造工藝的限製，產(chan) 生一些測量的偏差，比如說有時溫度突然變化之後，一個(ge) 靜止的慣性測量元件會(hui) 覺得自己轉動了起來，雖然它靜止著，但是會(hui) 輸出不為(wei) 零的角速度。這類測量的偏差需要比較仔細的算法進行修正，而且往往不能單靠慣性測量元件自己的測量完全消除。

　　地磁指南針是一種測量航向的傳(chuan) 感器。指南針在人們(men) 的生活中作用重大，在未知的環境中，不分南北可能寸步難行。飛行器的機身正方向朝南還是朝北這個(ge) 狀態量用導航的術語來說叫做航向，也就是飛行器姿態的三維角度中的一個(ge) ，他在組合導航係統中是非常重要的一個(ge) 狀態量。

　　地磁指南針能夠指南指北是因為(wei) 地球表麵空間中有看不見的橫貫南北的地磁線，地磁指南針可以測量出穿過自身的地磁強度，從(cong) 而指出當前自身相對於(yu) 地磁線的偏轉。同樣地，這個(ge) 理論雖然非常簡單，但是地磁線的強度非常弱，很容易受到幹擾。比如多旋翼飛行器通用的無刷電機，在運轉的時候就會(hui) 產(chan) 生變化的磁場，和地磁場疊加之後，地磁指南針就找不到正確的方向了。地磁指南針的這個(ge) 特性非常令人惱火，但是早期的多旋翼飛行器開發人員毫無辦法，因為(wei) 這是唯一的能夠確定飛行器在空間中絕對航向的設備。如果不知道這個(ge) 航向，就基本沒辦法進行組合導航。

　　

　　氣壓計的原理最為(wei) 簡單。因為(wei) 地球表麵海拔越高，空氣越稀薄，氣壓越低，因此氣壓就能夠給出飛行器的海拔高度。不過，不出意料的是，尺寸和重量適合在多旋翼飛行器上使用的氣壓計有很大的缺陷，它的測量值會(hui) 受到溫度、濕度、空氣流速、光照、振動等因素的影響，單靠氣壓計非常難實現對高度的穩定測量。

　　組合導航技術結合GPS、慣性測量元件、地磁指南針和氣壓計各自的優(you) 缺點，使用電子信號處理領域的很多技術，融合多種傳(chuan) 感器的測量值，獲得較為(wei) 準確的飛行器十五個(ge) 狀態量的測量。前麵說慣性測量元件的測量容易發散，這個(ge) 發散可以通過GPS來抑製：GPS可以獲得三維位置也可以獲得三維速度，慣性測量元件可以獲得三維加速度，加速度的積分也是速度。在通過地磁指南針獲得航向的基礎上，兩(liang) 種速度的觀測就可以融合起來，通過GPS的測量值來發現並抑製慣性測量元件的發散。慣性測量元件的發散被抑製住之後，它也可以更準地測量三維角度和三維加速度。因此GPS和慣性測量元件在這些情況中互相取長補短。除此之外，氣壓計和GPS互相提高了高度測量的精度，地磁指南針、GPS和慣性測量元件一同提高了航向測量的精度，他們(men) 都是利用了相同的融合、“互補”的思想。

　　組合導航技術中傳(chuan) 感器互補的原理直接源於(yu) 1948年誕生的信息論。克勞德-香農(nong) 總結歸納出的信息論提出了信息的概念以及如何從(cong) 數學上度量信息，信息論可以說是現代人類文明的基石之一。解釋清楚信息的本質之後，人們(men) 才能夠用數學表示一個(ge) 樸素而又深刻的原理：信息可以用來估計狀態，越多的信息可以把狀態量估計得越準。

　　此後，控製論的奠基人諾伯特-維納、魯道夫-卡爾曼以及其他一大批工程師和科學家完善了通過信息進行狀態估計的線性估計理論，進一步提出了傳(chuan) 感器之間“互補濾波”，共同減小誤差的理論。卡爾曼設計的卡爾曼濾波器還被實現在了阿波羅飛船的導航計算機當中，使用星座位置和慣性測量元件互補測量阿波羅飛船的十五個(ge) 狀態量。

　　信息論、線性估計理論以及卡爾曼濾波器允許人們(men) 把多個(ge) 具有誤差的傳(chuan) 感器通過數學方程融合起來，利用傳(chuan) 感器信息估計特定的狀態量，而且越多傳(chuan) 感器“互補”，可以獲得越好的狀態估計。這樣，數學給工程學指出了發展方向：造更多牛逼的傳(chuan) 感器進行互補，就能獲得更好的狀態估計能力。大疆飛控總工程師魚大人也曾經說過：“最牛逼的工程師都是在搞傳(chuan) 感器。”傳(chuan) 感器技術的重要性可見一斑。

　　作為(wei) 一種位置傳(chuan) 感器，GPS具有諸多的問題，GPS信號隻有在開闊的空間內(nei) 才能給出比較好的測量值，因為(wei) GPS接收機需要從(cong) 天上的衛星獲得信號，這些信號要從(cong) 太空傳(chuan) 入大氣層，這麽(me) 遠的距離，信號已經相對來說很微弱，所以必須要求接收機和衛星之間的連線上沒有遮擋，一旦有建築甚至是樹木的遮擋，衛星發下來的信號就有噪聲，GPS接收機就不能給出很好的位置和速度觀測。在室內(nei) 環境中，GPS甚至完全不能使用。組合導航技術要想進一步發展，就需要尋找其他能夠在GPS不能使用的環境中使用的傳(chuan) 感器。

　　一種較為(wei) 簡單的能夠替代GPS測量高度的傳(chuan) 感器是小型超聲波模塊。這種模塊通常有一收一發兩(liang) 個(ge) 探頭，一個(ge) 探頭發出超聲波，另一個(ge) 探頭測量回波的時間，能夠算出導致聲波反彈的物體(ti) 離探頭的距離。現在在淘寶上，隻要10塊錢就可以買(mai) 到一個(ge) 能夠比較準確測量幾米內(nei) 物體(ti) 距離的超聲波模塊，被廣泛用在大學生製作的小機器人上。這種10塊錢的傳(chuan) 感器沒有比氣壓計和MEMS慣性測量元件性能高多少，它發出的聲波容易發散，探測到的物體(ti) 不一定位於(yu) 探頭正前方，另外聲波也容易被空氣中的水霧、振動所影響，給出完全錯誤的觀測。因此，超聲波模塊最好的使用場景是對著地麵，測量自身和地麵的距離。

　　3. 視覺感知係統

　　另外一種替代品是視覺感知係統。1970年之後，隨著數字成像技術的發展，相機作為(wei) 一種傳(chuan) 感器開始被廣泛研究。因為(wei) 人可以通過自己的視覺估計視野中物體(ti) 的位置、距離，而相機的原理模擬了人的雙眼，所以研究者們(men) 模仿人的特點，利用相機的二維圖像反推圖像中物體(ti) 的三維信息。這種和二維圖像推算三維信息相關(guan) 的技術和數學理論發展成了一個(ge) 獨立的學科——計算機視覺，也被稱作機器視覺。

　　視覺感知係統是目前世界上最熱門的機器人學和機器視覺領域研究課題。其原理是利用一個(ge) 或者多個(ge) 相機構成的視覺傳(chuan) 感器係統，采用複雜的算法，通過二維的相機圖像推算出視野中物體(ti) 相對與(yu) 視覺傳(chuan) 感器係統的幾何中心的運動信息，如果假設這些物體(ti) 都是靜止的，那麽(me) 相對運動其實代表了視覺傳(chuan) 感器本身的運動。理論上，計算機視覺技術能夠單憑一個(ge) 相機就可以準確測量十五個(ge) 狀態量，但是與(yu) 其他傳(chuan) 感器類似，相機也有很多的缺陷，包括無法恢複尺度、成像質量有限、計算量消耗巨大等等。幸好，我們(men) 還可以把視覺感知係統和其他傳(chuan) 感器結合起來，互相提高測量精度。

　　聰明的讀者肯定能夠想到，把視覺感知係統和之前說的所有組合導航中用到的傳(chuan) 感器融合起來，GPS信號質量高的時候用GPS組合導航，沒GPS的時候用視覺感知係統替代GPS，不就解決(jue) 問題了嗎。這確實正是目前工程師和科學家們(men) 正在努力解決(jue) 的問題，也是精靈4上初步實現的技術。在介紹精靈4是如何結合視覺感知係統和組合導航技術之前，我們(men) 先簡單介紹兩(liang) 種已經比較成熟的視覺感知係統：光流測速模塊和視覺裏程計。

　　光流測速模塊顧名思義(yi) ，隻能測速度。通常一個(ge) 光流測速模塊由一個(ge) 相機、一個(ge) 慣性測量元件、一個(ge) 超聲波模塊構成，它的主要原理是計算機視覺技術中於(yu) 1981年被發展出來的“光流追蹤”算法。

　　“光流”的概念最早在1950年代由心理學家和生物學家提出，指的是一個(ge) 觀察者和他在觀察的事物發生相對運動時，這些事物在他眼前成的像會(hui) 產(chan) 生“運動的模式”，人腦利用這種“運動的模式”能夠更靈敏地感知周圍什麽(me) 東(dong) 西在動。比如下圖中，讀者一看就可以直觀理解“光流”的意義(yi) 。

　　後來計算機科學家布魯斯-盧卡斯和金出武雄在1981年發明了Lucas-Kanade算法，通過算法計算出連續拍攝的圖片上的光流，並證明了光流可以反解出相對運動的速度。雖然三十多年來，Lucas-Kanade算法始終被公認為(wei) 最好的“光流追蹤”算法，但是它有比較大的局限性，它包含很多假設，比如假設連續圖片的平均亮度相同，比如假設圖片中的物體(ti) 隻發生平麵運動等等。另外，光流算法算出的速度是沒有尺度的，因為(wei) 相機圖像的單位是像素，所以光流算法隻能給出“你現在的速度是10個(ge) 像素每秒”，但是沒法算出10個(ge) 像素是1厘米還是1米。恢複尺度的方式是增加一個(ge) 超聲波模塊測量平麵運動離相機的距離，這樣就能夠把像素運動轉換成真實的運動。最後，如果要讓光流測速模塊在晃來晃去的多旋翼飛行器上也能使用，通過慣性測量元件找出圖像所代表的平麵也是必不可少的，這一點需要在算法上進行兩(liang) 種傳(chuan) 感器很好的配合。

　　光流算法原理上隻可以測三維速度，不能直接測量三維位置。我們(men) 同樣可以通過把光流測速模塊測出的三維速度積分獲得三維位置，但是就像慣性測量元件積分會(hui) 發散一樣，光流測速模塊積分得到的位置也會(hui) 發散。好在它不會(hui) 天馬行空地失去控製，和組合導航技術中除了GPS之外的傳(chuan) 感器妥善融合之後，它可以做到懸停時測量的位置不發散。因此可以說光流測速模塊隻在有限的條件下能夠替代GPS。

　　光流測速模塊已經形成了非常標準的解決(jue) 方案。大疆悟以及精靈3上都裝載了自主研發的光流測速模塊，另外著名的開源飛控產(chan) 品Pixhawk中包含了一個(ge) 叫做PX4Flow的光流測速模塊，並且開源了所有的代碼和硬件方案。所以光流測速模塊目前已經廣泛出現在了各大廠商的多旋翼飛行器產(chan) 品上。視覺裏程計相比光流測速模塊，增加了直接測量位置的能力，所以才叫“裏程計”。視覺裏程計比光流測速模塊能力更強，性能更好。

　　讀者可能會(hui) 問，為(wei) 什麽(me) 聽起來視覺裏程計和光流測速模塊參與(yu) 的傳(chuan) 感器數量差不多（光流測速模塊甚至還多一個(ge) 超聲波模塊），但是視覺裏程計能力反而更強呢。這裏的原因不在於(yu) 傳(chuan) 感器硬件，而在軟件算法上。前麵已經說到光流追蹤算法有很多簡化的假設，隻能測量平麵運動，增加其他傳(chuan) 感器硬件一定程度上是為(wei) 了把那些為(wei) 了計算方便而簡化掉的因素重新彌補起來。

　　而視覺裏程計算法則複雜得多，它不僅(jin) 要通過圖像反推出視野中物體(ti) 的平麵運動，還要反推出這些物體(ti) 的三維位置，並且基於(yu) 這些物體(ti) 的三維位置做很多次的優(you) 化計算，算法複雜度成倍於(yu) 光流測速模塊。有些視覺裏程計的算法甚至包含完整的光流追蹤的算法，但是僅(jin) 僅(jin) 把計算光流作為(wei) 預處理圖像的步驟。

　　視覺裏程計能夠直接測量位置，測量值也比較準確，不會(hui) 像光流測速模塊那樣發散。通常比較優(you) 秀的視覺裏程計飛100米之後隻會(hui) 積累十幾厘米到幾十厘米的誤差，這個(ge) 測量水平比起導彈上幾百萬(wan) 的慣性測量元件還是差了不少，但是考慮到視覺裏程計的價(jia) 格極其低廉，對比起來它的性價(jia) 比非常高。

　　視覺裏程計有幾個(ge) 不同層次的難度，最簡單的是兩(liang) 個(ge) 相機構成的雙目立體(ti) 視覺係統加慣性測量元件，最難的是一個(ge) 相機構成的單目視覺係統加慣性測量元件。如果視覺裏程計和光流測速模塊硬件一致，那麽(me) 這裏的視覺裏程計采用的是單目視覺係統。目前，雙目立體(ti) 視覺係統加慣性測量元件實現自身狀態觀測已經是比較完善的技術，而單目視覺係統則是活躍的研究方向，世界上做這個(ge) 研究方向較好的大學有美國的賓西法尼亞(ya) 大學、瑞士的蘇黎世聯邦理工學院、英國的牛津大學、我國的香港科技大學和其他一些歐美院校。

　　單目視覺係統和雙目立體(ti) 視覺係統兩(liang) 者對比起來，他們(men) 的算法難度差別很大。視覺裏程計的算法關(guan) 鍵點是前麵說的“通過連續的圖像反推出視野中物體(ti) 的三維位置”。對於(yu) 和人眼結構類似的雙目立體(ti) 視覺係統，這一點比較容易，因為(wei) 一個(ge) 物體(ti) 同時出現在左右兩(liang) 個(ge) 相機的視野中時左右視野有視差，視差可以幫助解算物體(ti) 的位置，隻需要用簡單的幾何關(guan) 係就可以實現，這已經是非常成熟的技術。

　　但是對於(yu) 單目視覺係統，隻有一個(ge) 相機就沒有視差，沒法做簡單的幾何關(guan) 係的解算，所以算法必須能智能地在局部範圍內(nei) 同時估計很多個(ge) 物體(ti) 的位置，然後在自身移動過程中通過位置移動產(chan) 生視差，然後進行多個(ge) 物體(ti) 的位置的最大似然估計，從(cong) 而推算出這些物體(ti) 比較準確的位置。這個(ge) 過程包括很多個(ge) 環節，大部分環節在學術界都沒有公認最優(you) 的方案，因此還沒有成熟的技術。

　　因為(wei) 原理相對簡單，所以雙目立體(ti) 視覺係統構成的視覺裏程計在三十年前就開始被研究了。1980年代早期，NASA工程師、著名機器人學家漢斯-莫拉維克就已經製造出了這種狀態測量係統。關(guan) 於(yu) 漢斯-莫拉維克的另一個(ge) 故事，我在知乎問題中“有哪些與(yu) 控製、機器人等相關(guan) 的 quotes？ - YY碩的回答”也有提到。

　　在經年累月的優(you) 化之後，2004年，NASA成功把視覺裏程計和慣性測量元件構成的視覺定位係統裝在“機遇號”和“勇氣號”火星車主頻僅(jin) 有20MHz的特製芯片上，送上了火星，它可以幫助火星車通過一對雙目相機非常準確地記錄自己走過的路線。2007年，參與(yu) 火星探測任務的計算機科學家和工程師們(men) 把這個(ge) 激動人心的過程寫(xie) 成了一篇論文《計算機視覺在火星》（Computer Vision on Mars），這篇文章吸引了很多計算機視覺研究人員投身視覺裏程計的研究，也極大推動了視覺裏程計在機器人學中的應用。

　　4. 精靈4的傳(chuan) 感器方案

　　大疆在精靈4上實現了雙目立體(ti) 視覺係統加慣性測量元件構成的視覺裏程計，飛機上裝了兩(liang) 套雙目立體(ti) 視覺係統，一套向前看，一套向下看，一共是四個(ge) 相機。

　　兩(liang) 套雙目立體(ti) 視覺係統都參與(yu) 視覺裏程計的計算。通常情況下以向下看的雙目立體(ti) 視覺係統為(wei) 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、海麵等等），感受不到什麽(me) 圖像變化，視覺裏程計會(hui) 自動切換到向前看的立體(ti) 視覺係統做測量計算。雖然精靈4采用的都是較為(wei) 成熟的機器視覺技術，但是由於(yu) 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(you) 化算法，並使用了Movidius公司製作的圖像算法處理專(zhuan) 用芯片，結合Movidius公司的圖像處理算法庫優(you) 化四路圖像處理的性能。值得一提的是，不久就會(hui) 麵世的Google Project Tango也使用了Movidius公司的這款芯片。不過因為(wei) Movidius公司的芯片不包含視覺裏程計的算法，所以Google的這款產(chan) 品中視覺裏程計的算法應該與(yu) 精靈4的算法有較大差別。

　　兩(liang) 套雙目立體(ti) 視覺係統還帶來了視覺裏程計之外的兩(liang) 個(ge) 好處：

　　1. 向下看的一套雙目立體(ti) 視覺係統可以探測下方地麵上物體(ti) 的三維位置，從(cong) 而知道地麵的距離；

　　2. 向前看的一套雙目立體(ti) 視覺係統可以用來探測前方場景中物體(ti) 的深度，產(chan) 生深度圖進行障礙感知。深度圖還可以用於(yu) 重建一個(ge) 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。

　　除了增加視覺裏程計之外，精靈4上還增加了內(nei) 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+雙目視覺係統六種傳(chuan) 感器。其中雙目視覺係統有兩(liang) 套，共4個(ge) 相機；慣性測量元件有兩(liang) 個(ge) ，實現雙冗餘(yu) 備份；地磁指南針也有兩(liang) 個(ge) ，同樣雙冗餘(yu) 。當工作中的慣性測量元件或者地磁指南針受到嚴(yan) 重幹擾的時候，係統會(hui) 自動進行備份切換，切換到另一個(ge) 傳(chuan) 感器上。

　　有了這些傳(chuan) 感器以後，組合導航係統升級成為(wei) 了智能導航係統。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，係統可以通過GPS為(wei) 主進行十五個(ge) 狀態量的測量，視覺裏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，視覺裏程計可以接替GPS為(wei) 整個(ge) 係統提供穩定的觀測。智能導航係統中有三種確定高度的傳(chuan) 感器：超聲波、氣壓計、雙目立體(ti) 視覺，這三種傳(chuan) 感器幾乎可以覆蓋所有讓傳(chuan) 統多旋翼飛行器頭疼的定高場景：樹叢(cong) 上方、室內(nei) 、靠近建築的位置、大風環境等等。

　　地磁指南針的冗餘(yu) 設計可以很大程度上減小外部磁幹擾帶來的指南針故障。另外視覺裏程計也能給出航向的觀測，兩(liang) 者互補能夠提高航向的觀測精度。在以前的飛行器上，因為(wei) 地磁指南針受到幹擾造成的炸機問題比較多，在精靈4上因為(wei) 有了多重保護措施，地磁指南針被幹擾導致問題的概率大大降低。

　　有了智能導航係統之後，還需要有一套強有力的軟件係統去組織導航算法和飛行控製算法。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製器。大疆第一代飛控是汪滔自己寫(xie) 的，性能很不錯，然後飛控組在過去的幾年裏做了兩(liang) 次比較大的飛控軟件係統的重構，以支持更多的傳(chuan) 感器和功能。2014年底推出的第二代飛控裏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裏加入了冗餘(yu) 傳(chuan) 感器、雙目立體(ti) 視覺支持、避障功能和智能返航等功能。因為(wei) 每一次重構都對整個(ge) 軟件係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(liang) 次代碼，這一點是大疆最引以自豪的地方之一。

　　智能導航係統讓精靈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(yi) 。

　　近年來，業(ye) 界有很多關(guan) 於(yu) 避障應該使用雙目立體(ti) 視覺還是激光雷達傳(chuan) 感器等傳(chuan) 感器的爭(zheng) 論。在大疆內(nei) 部，選擇什麽(me) 樣的傳(chuan) 感器放入智能導航係統用來避障，工程師團隊也進行了曠日持久的探討，最後還是選擇了雙目立體(ti) 視覺的方案。我相信隨著科技的發展，在未來會(hui) 不斷有更多更好的新傳(chuan) 感器誕生，很可能會(hui) 有其他傳(chuan) 感器代替雙目立體(ti) 視覺，但是實現穩定避障的關(guan) 鍵不在於(yu) 避障所使用的傳(chuan) 感器。避障這個(ge) 事件發生前後，飛行器機體(ti) 一定會(hui) 發生急刹車，整體(ti) 會(hui) 經曆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(ge) 狀態量，才是最影響安全性的問題。

　　如果係統急刹車之後，整體(ti) 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(hui) 發生炸機。就算不炸機，避障之後飛機前後左右搖晃，也會(hui) 給用戶心理上造成不安全的感受，帶來很差的用戶體(ti) 驗。精靈4在很多嚴(yan) 苛的情況下發生避障動作時，飛行器會(hui) 自動鎖定位置、速度迅速減為(wei) 0的狀態，很快就可以從(cong) 高速機動恢複到完全不動，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(chuan) 感器係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(cong) 室內(nei) 飛到室外懸停。這種場景下，從(cong) 窗口穿出時，向下看的傳(chuan) 感器幾乎馬上全部失效，由於(yu) 有建築的遮擋，GPS也不會(hui) 立刻生效，因此傳(chuan) 感器係統不夠穩健的飛行器有可能因為(wei) 失去速度和位置的測量而飄到建築上造成高空炸機。而精靈4則能夠通過前視雙目視覺係統的觀測，在向下看的傳(chuan) 感器都暫時失效時繼續運行視覺裏程計，及時提供輔助的速度和位置觀測，避免造成無法控製速度和位置導致炸機的情況出現。

　　實際上，由於(yu) 前麵說的過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穀裏航拍，經常出現的情況是飛行器放在地麵上時接收不到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(lin) 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和視覺裏程計之間無縫轉換，這樣才能讓用戶放心地起降。如果用戶從(cong) 高處下降到低處GPS突然沒有了，而視覺裏程計沒有及時補上，飛機失去位置和速度觀測之後就變得非常難操控，就有可能撞在樹叢(cong) 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(men) 前麵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(ti) 必須處於(yu) 同一個(ge) 平麵這樣的假設，使得光流測速模塊在樹叢(cong) 上方、地勢變化較大的空間上方，都表現非常糟糕，並不能滿足戶外航拍的需求。雖然視覺裏程計計算量龐大，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杆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上變成了遙控器杆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(chan) 品上，如果你推遙控器滿杆前進，飛行器會(hui) 以一個(ge) 固定的角度加速飛出去，直到加速度被空氣阻力抵消，這樣控製並不直觀，所以新手很難操作飛行器；而在精靈4上，如果你推遙控器滿杆前進，飛行器會(hui) 自己調整到一個(ge) 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隻有專(zhuan) 業(ye) 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(ge) 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。

　　對於(yu) 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(wei) 飛機晃得太厲害，總會(hui) 給用戶造成一種“我的飛機真的沒出問題嗎”的感受，用戶體(ti) 驗極其不好。我們(men) 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(zhuan) 心看美景；如果開著一部油門輕輕一點就加速到200公裏的賽車，坐在車裏一會(hui) 兒(er) 被推背，一會(hui) 兒(er) 過彎時左右甩，人還有心情欣賞路上的美景嗎？

　　遙控器杆量改動也顯示了大疆對自己智能導航係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製係統采用的是遙控器杆量轉化成飛行器的速度指令。

　　5. 當我在談論無人機的時候，我在談論什麽(me)

　　在這篇文章裏，到現在我都沒有提過“無人機”三個(ge) 字。我覺得，就像一輛合格的汽車必須有安全帶、安全氣囊、後視鏡、阻燃內(nei) 飾、各種儀(yi) 表盤等等安全措施才能稱為(wei) 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、視覺裏程計、避障係統、氣壓計和超聲波等傳(chuan) 感器構成的智能導航係統才能被稱為(wei) 無人機。多旋翼飛行器不是玩具，汽車以高速撞人會(hui) 造成人體(ti) 嚴(yan) 重的傷(shang) 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(ti) 嚴(yan) 重的傷(shang) 害，因此多旋翼飛行器傳(chuan) 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(ge) 白板，上麵寫(xie) 著：“競爭(zheng) 對手” 下麵隻用小字寫(xie) 了幾個(ge) 業(ye) 內(nei) 競爭(zheng) 品牌的名字，但是用大大的字寫(xie) 了“波音“。幾年來，大疆飛控的夢想都是能讓便宜低價(jia) 的多旋翼飛行器像波音的民航客機那樣，隻有五百萬(wan) 分之一的致死事故發生率。隨著傳(chuan) 感器技術的提升和飛行控製品質的提升，截止2016年5月底，精靈4核心傳(chuan) 感器出現故障的概率約為(wei) 兩(liang) 百萬(wan) 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(ye) 中，大疆是行業(ye) 中飛行器整體(ti) 故障率最低的企業(ye) 。很多其他的企業(ye) ，可能都無法計算出事故概率是百萬(wan) 分之多少，甚至是萬(wan) 分之多少。

　　很多其他公司也出了不少多旋翼飛行器產(chan) 品，但是大部分隻做了個(ge) 組合導航的皮毛，加上一個(ge) 光流測速模塊，然後動一些歪腦筋，就開始標榜自己的安全性。就好比造個(ge) 了汽車，說“啊我這個(ge) 安全性很好的因為(wei) 我方向盤手感很好，還裝了個(ge) 車載GPS”，但他車裏連安全氣囊和後視鏡都沒有。

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

　　有些廠商的宣傳(chuan) 語是“無人機不是土豪的玩具”。如果把他們(men) 所有宣傳(chuan) 語中的“無人機”一詞換成“汽車”，那麽(me) 這類宣傳(chuan) 邏輯和它們(men) 引導的消費觀念顯得極其錯誤。對汽車來說，有些汽車價(jia) 格昂貴是因為(wei) 提供了更好的倒車雷達和車身周圍的傳(chuan) 感器係統，這種增加汽車售價(jia) 的行為(wei) 提高了駕駛的體(ti) 驗，是理所應當的；另一方麵，要求汽車變得更便宜，不應該要求去除這些安全傳(chuan) 感器，而是應該從(cong) 車身材料、內(nei) 飾等方麵去入手降成本。

　　大疆極其反感這類行為(wei) ，並不是想打擊這些競爭(zheng) 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(chuan) 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(jia) 格戰或者標新立異。我們(men) 希望市場上能出現帶著全套智能導航係統和算法，依然售價(jia) 2999的飛行器。我們(men) 堅信隻有實現了完善的智能導航係統，才能造出真正安全的無人機產(chan) 品，否則讓不達標的飛行器進入市場，損害的是全體(ti) 廠商的利益，也危害了整個(ge) 社會(hui) 的安全。