简单有效的导航技术

在美国国防部高级研究计划局（DARPA）的微型飞行器项目（NAV）项目中，Cent Eye公司研制的微型无人机上使用了光流技术（Optical-flow）进行导航。什么是光流传感器？且听笔者细细道来。

1.光流的定义

光流是一种在日常生活中能时时感受到的视觉现象，简言之，光流就是人移动时感受到的周围环境物体在视网膜上的运动。假如人坐在飞驰的车里向窗外看去，能看到树木、大地、建筑物等向后移动，这个视觉现象即被称为光流。

通过光流能判断出周围物体与观察者之间的距离。白云、远山等遥远的物体移动很缓慢，甚至显得一动不动。而建筑、树木等近的物体则让人感到明显向后移动。距离观察者越近的物体向后移动的速度越快。路边绿化带和路标等非常近的物体移动非常迅速，几乎是一闪而过。

在光流中，物体移动速度和物体与观察者之间的距离有简单明确的几何关系。如果观察者移动速度倍增，则所有物体在光流中的移动速度也倍增。如果某物体与观察者的距离缩短一半，那么该物体在光流中的速度同样倍增。物体在光流中的速度还和物体、观察者连线与观察者速度矢量之间的夹角有关。当物于观察者前进方向的正90°侧面、上面或下面时，光流速度最快。偏离这个角度越多、光流速度越慢。当物于观察者正前方或正后方时，光流速度为零。因为物体有大小，不可能汇聚于正前方一点，所以当观察者运动时，它的轮廓位置会发生变化，可据此判断是在接近还是远离。

2.从鸟类、昆虫、飞行器角度观察光流

图1是飞行器在多岩石的沙漠上空飞行的光流分析图。蓝色箭头标示从飞行器角度观察到的光流。向飞行器下方看去，地面、岩石产生清晰的光流。飞行器正下方的光流速度比其它位置的更快。高耸的岩石顶端的光流速度比岩石脚下的大地更快。根据这一原理，光流传感器能判断出下方高耸的岩石。

从飞行器向前看去，飞奔而来的岩石和地面等物也形成光流，图1中蓝色的圆点是“扩张焦点”，直指飞行器的前进方向。就图1而言，飞行器从右侧的高山得到一个很强的光流信息，从前下方的岩石和地面得到一个次强的光流信息。因为上方和左方只有广阔的天空背景，所以这些区域的光流近乎于静止。飞行时应密切观察来自前方的光流，如果一侧的光流信息明显变强，那么就说明这一侧有物体迅速靠近，需要转弯躲避。

图2是一只蜻蜓飞行时的光流示意图（忽略垂直方向）。左图显示蜻蜓向前飞时，光流从前向后流，左侧和右侧比前、后的光流更快。右图显示蜻蜓原地向右旋转，光流向左旋转。如果蜻蜓以曲线轨迹飞行，则光流是这两者的结合。根据这些信息，光流不仅可以用来避障，还可以判断飞行运动轨迹。

图3是蜻蜓飞行的光流信息360°展开图。当蜻蜓向右旋转或偏航时，几乎所有的光流都会向左偏，只有旋转轴方向的光流为零。当蜻蜓向前飞时，光流从前方而来，在靠近蜻蜓时分岔，在流过蜻蜓后又在后方重新合拢。

3.光流法在飞行导航中的应用

关于动物和昆虫如何利用光流信息进行运动导航的研究，已经取得了很多成果。虽然限于篇幅，无法一一介绍，但是探讨几个例子，会有助于更深入的理解。

（1）原地飞行

假设想要原地飞行，最简单的方法是使周围的光流速度全部为零，即使飞行器与周围环境相对静止（图4）。注意，这个方法只能用在静止的环境中，如果用于处在运动的环境中，例如昆虫在摇晃的树枝之间飞行，就会得到与树枝一起晃动的飞行运动轨迹。

（2）避障

所有的飞行生物和飞行器最害怕的事情莫过于撞上障碍物。图5是蜻蜓利用光流感知并避开障碍物示意图。左图中，蜻蜓距离左侧的岩石太近了，左侧光流的迅速变化提示蜻蜓右转。右图中，蜻蜓前方有岩石，光流的膨胀焦点位于岩石之中，其轮廓迅速扩大。这说明前方有障碍物，蜻蜓迅速转弯以避开。

（3）速度控制

如果在比较狭窄的空间飞行，最好把速度适当降低些（图6）。最简单的方法是，两侧的光流速度太快，就降低飞行速度，直至光流速度降低到一个合适的值。左图中的蜻蜓在两块距离较远的岩石中间飞行，适宜的光流速度所对应的飞行速度较快。右图中的蜻蜓在两块距离较近的岩石中间飞行，适宜的光流速度对应的飞行速度较慢。通过把光流速度保持在一个合适的范围，就能做到空间开阔时飞行速度较高、空间狭窄时飞行速度较小。

对于光流法，已有很多研究成果以学术论文的形式发表。但是对于航模爱好者来说，这些论文并不重要，重要的是亲身实践。当你穿过房间、走过街道、乘坐汽车时可以留意一下光流现象；转弯时、直行时光流都会有明显不同。你会发现光流法的用途十分广泛。