无人机作为现代科技的杰出代表，在航拍、物流、巡检、农业等诸多领域展现出巨大的应用潜力。然而，在复杂的飞行环境中，避开障碍物是保障无人机安全飞行的核心需求之一。为了实现这一目标，无人机通常配备各种避障传感器。其中，红外线和激光是两种常见的避障技术。本文将深入探讨这两种技术的原理、特点以及它们在无人机避障应用中的区别。
什么是无人机避障？
无人机避障是指无人机通过搭载的传感器感知周围环境中的障碍物（如树木、建筑、电线、行人等），并根据感知到的信息自主调整飞行路径，以避免与障碍物发生碰撞的能力。有效的避障系统是提高无人机飞行安全性、可靠性和自主性的关键。
红外线避障技术（Infrared Obstacle Avoidance）
工作原理
红外线避障传感器通常由一个红外发射器和一个红外接收器组成。
工作时，发射器发出特定波长的红外光束。如果光束在前进过程中遇到障碍物，会被反射回来。接收器接收到反射回来的红外光。通过测量接收到的红外光的强度或者光从发射到接收的时间（ToF – Time of Flight），传感器可以判断前方是否存在障碍物以及障碍物的大致距离。
常见的简单红外传感器通过检测反射光的强度来判断距离，距离越近，反射光越强。更高级的红外ToF传感器则通过测量光脉冲的飞行时间来获取更精确的距离信息。
特点
- 成本较低：红外传感器技术成熟，生产成本相对较低。
- 体积小巧：传感器通常很小，易于集成到小型无人机上。
- 功耗低：通常只需要较低的功率即可工作。
- 响应速度快：光速传播，理论上响应迅速。
优缺点
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优点：
- 制造成本低廉。
- 易于安装和使用。
- 适用于近距离障碍物检测（通常在几厘米到几米范围内）。
- 对颜色不敏感（与可见光传感器相比）。
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缺点：
- 避障距离短：有效检测距离通常比较有限，不适合需要远距离感知障碍物的应用。
- 易受环境光干扰：强烈的太阳光或其他红外光源可能干扰传感器的工作，降低准确性。
- 受障碍物表面材质影响大：对于黑色、吸光或透明的物体，红外光反射效果差，可能导致检测失败；对于光滑、反光的物体，反射光可能过于强烈或偏离，影响距离判断。
- 精度相对较低：简单的红外强度传感器只能判断有无或大致距离，ToF红外传感器精度优于强度型但仍低于一些激光传感器。
- 受温度影响：高温物体也会发射红外线，可能对传感器造成干扰。
激光避障技术（Laser Obstacle Avoidance）
工作原理
激光避障传感器，特别是基于飞行时间（ToF – Time of Flight）原理的激光雷达（LiDAR），工作方式与红外ToF类似，但使用的是激光。
传感器发射一个或多个激光脉冲。当激光脉冲遇到障碍物时，会被反射回来。传感器精确测量激光脉冲从发射到接收所需的时间。由于光速是恒定的已知值，通过简单计算（距离 = 光速 × 飞行时间 / 2）即可得出传感器到障碍物的精确距离。
单点激光传感器测量一个方向的距离，而扫描式激光雷达则通过内部旋转或扫描机构，向不同方向发射激光，并测量每个方向的距离，从而构建出周围环境的点云图，提供更全面的环境感知能力。无人机避障通常使用单点、多点或小型扫描式激光传感器。
特点
- 测量距离远：有效测量距离通常比红外线远得多，可达几十米甚至数百米。
- 精度高：基于ToF原理，距离测量精度较高，通常在厘米级。
- 抗环境光干扰能力强：由于激光是单色光，且可以通过调制等技术区分，因此抗环境光（特别是太阳光）干扰的能力通常强于红外线。
- 不受表面颜色影响（主要对距离测量而言）：激光的反射强度受颜色影响较小，更能可靠地测量到物体的距离。
- 可用于环境建模：扫描式激光雷达不仅能避障，还能生成高精度的三维点云图，用于环境建模或SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，即时定位与地图构建）。
优缺点
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优点：
- 避障距离远，适合高速或远距离飞行应用。
- 测量精度高，能更准确地感知障碍物位置。
- 在不同光照条件下（包括夜间）性能稳定。
- 对障碍物表面材质的适应性更强（相比红外）。
- 扫描式激光雷达能提供更全面的环境信息。
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缺点：
- 成本高：激光传感器，特别是扫描式激光雷达，技术复杂，成本通常远高于红外传感器。
- 体积和重量较大：特别是扫描式激光雷达，通常比红外传感器体积更大、重量更重，对小型无人机载荷是挑战。
- 功耗较高：特别是在高速扫描或远距离探测时，需要更多电力。
- 受恶劣天气影响：雾、雨、雪、灰尘等颗粒物会吸收或散射激光，严重影响传感器的性能和测量距离。
- 存在人眼安全问题（某些高功率激光）：部分激光器发射的激光对人眼存在潜在危险，需要采取安全措施。
红外线避障和激光避障的区别对比
下表总结了红外线避障和激光避障在关键方面的区别：
| 特性 | 红外线避障 | 激光避障 |
|---|---|---|
| 工作原理 | 发射红外光，检测反射光强度或飞行时间 (ToF) | 发射激光，测量飞行时间 (ToF) |
| 避障距离 | 短 (几厘米 – 几米) | 长 (几米 – 几百米) |
| 测量精度 | 相对较低 (特别是强度型)，ToF型精度优于强度型 | 较高 (厘米级) |
| 成本 | 低 | 高 |
| 体积/重量 | 小/轻 | 相对较大/重 |
| 功耗 | 低 | 相对较高 |
| 受环境光影响 | 较易受干扰 | 抗干扰能力较强 |
| 受障碍物表面影响 | 敏感 (尤其对深色、透明、反光表面) | 适应性更强 (对距离测量影响小) |
| 受恶劣天气影响 | 较小 (主要受温度影响) | 较大 (雾、雨、雪、灰尘) |
| 环境建模能力 | 无 | 扫描式激光雷达可进行环境建模 |
| 典型应用 | 小型室内无人机、简单近距离避障 | 中大型户外无人机、高速飞行、复杂环境避障、测绘 |
如何选择合适的避障技术？
选择红外线避障还是激光避障，取决于无人机的具体应用需求：
- 如果无人机主要在室内或障碍物密集且飞行速度慢的环境下工作，且对成本、体积和重量要求严格，红外线避障可能是一个合适的选择，尤其适用于近距离的精细避障（如贴近墙壁飞行）。
- 如果无人机需要在户外广阔区域、复杂地形或高速飞行，需要远距离感知障碍物并规划路径，或者需要进行高精度测绘和环境建模，那么激光避障（特别是激光雷达）是更好的选择，尽管成本较高。
- 许多先进的无人机系统会采用多种传感器融合的技术，结合红外、激光、视觉（摄像头）、超声波等不同传感器的优点，以应对更复杂多变的环境。例如，使用红外或超声波进行近距离精确悬停避障，使用激光雷达进行中远距离障碍物探测和全局路径规划，使用视觉系统识别障碍物类型和纹理。
结论
红外线避障和激光避障是无人机领域两种重要的避障技术，它们各有优缺点，适用于不同的应用场景。
红外线避障以其低成本、小体积和低功耗的特点，在小型、低速或近距离避障应用中仍有其价值。
激光避障则凭借其远距离、高精度和强大的环境感知能力，在中大型、高速或需要复杂环境交互的无人机应用中占据主导地位。
未来的无人机避障系统将越来越倾向于多传感器融合，以实现更全面、更可靠、更智能的自主避障能力。