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计算机视觉在 AI 无人机和无人机操作中的应用

Abirami Vina

5 分钟阅读

2024年12月4日

与我们一起探索计算机视觉在无人机上的应用,从而释放自主运营的潜力,并在各个行业中实现有影响力的用例。

无人机或无人驾驶飞行器(UAV)从早期简单的无线电控制飞机发展至今,已经走过了漫长的道路。“无人机”这个名字实际上来源于 20 世纪 30 年代,其灵感来自一种名为“蜂王”的英国靶机。从那时起,这些无人驾驶飞行器已经发展成为我们今天使用的一些最先进的工具。它们现在承担着曾经看似不可能完成的任务,例如向偏远地区运送包裹、监测大片农田、协助搜救任务,甚至进行精确的军事行动。

无人机与人工智能 (AI)技术(如计算机视觉)的结合,使得许多此类应用成为可能。计算机视觉使无人机能够实时地看到并理解周围环境。这使它们能够自主导航、检测物体并在没有人为干预的情况下做出决策。 

在本文中,我们将探讨计算机视觉如何在 AI 无人机中发挥关键作用。我们将深入研究其背后的技术、各种应用、优势以及随之而来的挑战。让我们开始吧!

理解视觉 AI 和无人机

计算机视觉或视觉人工智能 (Vision AI) 使无人机能够分析图像和视频等视觉数据,从而使它们能够以有意义的方式理解周围环境。配备视觉人工智能的无人机不仅仅是捕捉周围环境,它们还可以主动与环境互动。无论是识别物体、绘制区域地图还是跟踪运动,这些无人机都可以实时适应不断变化的环境。

视觉 AI 的基础涉及诸如神经网络和机器学习之类的概念。神经网络帮助无人机识别和分类它们所看到的东西,例如发现车辆或检测其路径中的障碍物。机器学习通过让无人机学习和提高其随时间的性能,使其每次飞行都变得更智能、更准确,从而更进一步。

得益于计算机视觉,无人机不再仅仅是飞行摄像头;它们正成为可以执行复杂、数据驱动型任务的智能工具。 从扫描大型农业田地到检查工业设备,这项技术正在开辟新的可能性,并使无人机比以往任何时候都更加强大。

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图 1. 一架使用视觉 AI 分析土地的无人机。

计算机视觉如何集成到无人机系统中?

那么,当我们说无人机集成了计算机视觉时,这到底意味着什么? 这意味着无人机配备了必要的硬件和软件,可以实时查看、处理和响应视觉信息。这种集成有助于无人机执行复杂的任务并做出明智的决策。

在硬件方面,它从摄像头和传感器开始。不同类型的摄像头用于特定目的:热像仪检测热量,使其非常适合搜索和救援或监控设备。光学相机捕获详细的图像和视频,用于测量和绘图等任务。另一方面,LiDAR 传感器使用激光脉冲创建周围环境的3D地图,这对于精确导航至关重要。

这些工具与板载处理器配对,可立即分析视觉数据,使无人机能够对其环境中的变化做出即时响应。

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图 2. 理解无人机的组成部分。

软件组件赋予了硬件生命力,将其转变为真正的智能系统。例如,像Ultralytics YOLO11这样的计算机视觉模型使无人机能够精确地检测和跟踪车辆或人员等物体。此外,路径规划软件引导无人机沿着高效的路线飞行,而避撞系统则帮助它们安全地穿过拥挤或充满障碍物的环境。总之,这些工具使无人机在现实场景中更加智能和更具能力。

视觉 AI 和自主无人机的应用

既然我们已经了解了计算机视觉如何集成到无人机中,接下来让我们深入了解这项技术的使用方式。视觉 AI使无人机变得非常通用,其应用范围从改善行业到帮助环境和军事工作。

人工智能无人机可用于送货

无人机正在改变交付方式,尤其是在最后一英里的物流中。它们可以绕过常见的挑战,如交通和难以到达的地点,快速高效地运送轻型包裹。这使得它们非常适合需要速度的服务,例如运送家居用品或医疗用品。凭借先进的技术,无人机正在使当日甚至当小时送达成为可能,从而重新定义我们对送货服务的期望。

送货无人机的一个重要特性是它们的检测和规避系统这使得无人机能够发现并避开树木、建筑物甚至飞机等障碍物。通过使用摄像头和支持诸如目标检测等任务的 YOLO11 等计算机视觉模型,无人机可以持续监控其环境并调整飞行路径以保持安全。在人工智能的帮助下,无人机还可以超视距飞行 (BVLOS),这意味着它们不需要人工操作员来保持在视野范围内,并且可以覆盖更多的地面。

亚马逊的 Prime Air 就是一个很好的例子。他们的 MK30 无人机 使用先进的 AI 系统来检测障碍物、导航路线并运送重达五磅的包裹。凭借美国联邦航空管理局 (FAA) 批准的 BVLOS 飞行,这些无人机已经完成数千次交付,耗时不到一小时。 

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图 3. 亚马逊最新的送货无人机 MK30。

军事领域的自主无人机

自主无人机通过提供先进的监视和侦察工具,正在重新构想国防战略。这些无人机由人工智能和计算机视觉驱动,可以独立运行,在复杂的环境中飞行,并做出几乎即时的决策。它们以最小的人工干预执行这些任务的能力正在改变军事行动的实施方式。

Anduril Industries 的 Bolt 和 Bolt-M 无人机 是这项技术一个有趣的案例研究。Bolt 专为情报收集、监视和搜索救援任务而设计,而 Bolt-M 则配备了弹药运送功能。两种型号都使用人工智能与其它系统通信,并快速高效地完成任务。这减少了对手动控制的需求,使军事人员能够专注于更高级别的战略。

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图 4. 军用人工智能无人机 Bolt-M 示例。

这些无人机配备了自主航点导航等功能,供操作员预先编程特定的飞行路径。另一个重要的功能是目标跟踪,这是一种计算机视觉技术,使无人机能够锁定并跟随指定的目标。虽然 Anduril 尚未透露这些无人机幕后使用的 AI 模型,但如果您想知道它们如何处理目标跟踪等任务,YOLOv11 是一个很好的例子,说明如何将计算机视觉模型集成到无人机中以进行实时目标检测和跟踪。

通过将人工智能驱动的自主性与模块化、特定于任务的功能相结合,这些无人机正在使军事行动更加高效和精确。它们降低了人类士兵的风险,同时为现代作战提供了强大的工具。

人工智能无人机的工业用例

当无人机配备了诸如实例分割之类的高级计算机视觉功能时,它们将成为各个行业的宝贵工具。实例分割是一种由 YOLO11 支持的视觉 AI 技术,它可以使无人机识别和区分场景中的各个对象,例如特定的电力线、车辆或结构组件。这使得它们对于诸如基础设施检查之类的任务非常有用,在这些任务中,精度和效率至关重要。

例如,配备高分辨率摄像头和热成像的无人机可以使用实例分割来检测裂缝、腐蚀或电力线、桥梁或石油钻井平台中的过热现象。它们可以安全地检查难以到达的区域,例如输电线塔的顶部或桥梁下方,从而减少了工人在危险环境中操作的需求。通过实时分析数据,这些无人机可以快速标记问题,从而加快维护速度并减少停机时间。

同样,在建筑领域,集成视觉 AI 的无人机可以通过提供活跃项目的详细航拍图来帮助简化现场管理。它们可以识别和跟踪车辆、设备和材料,从而使管理人员能够深入了解资源的使用情况。这种实时数据有助于优化工作流程、提高安全性并确保项目按计划进行。无人机还可以创建建筑工地的精确 3D 地图,从而清晰地了解进度和潜在的瓶颈。

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图 5. 使用计算机视觉检测航拍图像中的建筑车辆示例。

人工智能与无人机:环境监测

人工智能驱动的无人机通过为关键挑战提供高效且非侵入性的解决方案,从而加强了环境监测工作。 

野生动物保护中,配备了像 YOLO11 这样的计算机视觉模型的无人机可以追踪动物种群并监测迁徙模式。它们还可以检测非法偷猎,同时最大限度地减少人类对自然栖息地的干扰。

此外,在灾难场景中,这些无人机对于评估损失、识别受影响区域和快速定位幸存者非常宝贵。它们实时分析视觉数据的能力有助于更快地做出决策和更好地分配资源。

人工智能无人机的优点和缺点

人工智能无人机具有许多优势,通过更高的效率、精度和多功能性来改变各行各业。以下是使用人工智能无人机的一些主要优势:

  • 适应性设计:模块化设计允许无人机配备不同的工具或有效载荷,使其能够灵活地执行各种任务。
  • 节省成本和时间: AI 无人机简化了基础设施检查、送货服务和环境监测等流程,从而节省了时间和金钱。
  • 更广泛的可访问性:无人机可以进入人类难以到达或危险的区域,例如灾区、茂密的森林或高海拔建筑物。

虽然 AI 无人机具有显著的优势,但也存在一些应解决的局限性:

  • 电池限制: 电池寿命短和飞行范围有限会限制无人机操作的范围和持续时间。
  • 系统可靠性: 对AI的依赖会引发对潜在系统故障的担忧,这在高度危险的任务中可能至关重要。
  • 伦理问题:军事应用和民用引发了伦理问题,例如自主瞄准或侵犯隐私的影响。

解决技术、伦理和监管问题有助于确保最大限度地发挥 AI 无人机的好处,同时最大限度地减少潜在的缺点。

洞察全局:视觉 AI 对无人机的影响

各行各业越来越多地采用集成计算机视觉模型(如 YOLO11)的无人机。事实上,人工智能无人机正在各个领域释放新的自主性、精确性和效率水平,从农业和环境监测到军事行动和基础设施检查。 

随着计算机视觉的改进,无人机变得更加智能,能够做出实时决策并适应动态环境。虽然仍然存在挑战,但这些无人机对自动化和创新的影响是不可否认的,并且只会继续增长。

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