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无人机技术门槛有哪些

2019/04/11 来源:鄂尔多斯信息港

导读

小米正式进军消费型无人机市场,代产品将于明天发布。消息称小米无人机将搭载Fellow Me技术和光流定位技术,与小米手环二代配合使用,作

小米正式进军消费型无人机市场,代产品将于明天发布。消息称小米无人机将搭载Fellow Me技术和光流定位技术,与小米手环二代配合使用,作为年轻人的台无人机售价3999元。此前,有业内传闻高通正在与联芯、大疆谈判,共同合作开发无人机芯片方案平台,小米又是高通在中国重要的合作伙伴之一。大型芯片商、制造商快速入场,2016年中国无人机产业变局临近。

无人机已成为2016年业界火的名词之一,在航拍、快递、灾后搜救、数据采集等领域,无人机已获得广泛应用,而在警力、城市管理、农业、地质、气象、电力、快递、测绘、植保、喷洒农药、测绘、巡线等行业领域,无人机正在发挥越来越大的作用。预计2016年无人机市场的消费总额将会翻倍,商用无人机消费市场的增长潜力更大。

400中国无人机厂商占据全球70%市场

根据UBM数据统计,目前国内电力巡线领域潜在需求4000架,输油管道巡检领域潜在需求1170架,森林防火领域潜在需求1000架,公共安全、反恐维稳潜在需求2856架。仅上述四个民用领域的潜在需求总架数已经接近10000架

图2:中国大陆无人机出口增长与预测

在全球无人机行业中,中国无人机无疑是当中的佼佼者。据UBM的数据统计,2015年中国大陆出口无人机89.1万架,同比增长427.2%。其中大疆创新2014年总营收占全球小型无人机市场份额的70%。

在无人机制造领域,国内制造商已抢先占领世界市场。目前中国大约有400个无人机制造商,供应全球70%的无人机需求市场。

图3:2015年全球民用无人机企业排行榜

图4:越来越多的不同领域的厂商开始跨界进入无人机领域

除了飞控,无人机还有哪些技术门槛?

据了解,无人机的核心技术主要集中在飞控、遥控、图传、云台等技术方向,这些因素共同决定了无人机系统的飞行稳定、安全、航程、图像稳定性等技术指标。

其中飞控技术是无人机实现自主飞行的核心技术。飞控系统硬件方面一般包括控制计算机、传感器、导航设备、执行机构等设备构成。在以往,无人机飞控系统主要采用开源平台,如德国MK、美国APM、PX4、MWC等公司都带头讲自己的无人机飞控系统进行了开源。2014年Linux也参与了无人机开源系统的合作。这种做法大大降低了飞控的技术门槛,也推动了无人机产业的快速发展。

但是,为了将自己的产品做出差异化,掌握核心竞争力,越来越多的公司开始在开源平台上进行二次开发,自己来做无人机飞控系统。例如加拿大的Micro pilot、美国UAV Flight Systems,零度智控、北京普洛特、大疆、天下图等。

遥控技术则主要取决于无线通信方式,无人机通信一般采用微波通信,微波是一种无线电波,它传送的距离一般可达几十公里。频段一般是902-928MHZ,常见有MDSEL805,一般都选用可靠的跳频数字电台来实现无线遥控。目前无人机普遍采用2.4G无线通信芯片,由于通信数据量不大所以延时极低,主要讲究信号的稳定性和操作的实时性,一般可靠距离在1KM以内。在无人机和地面的通信芯片方面,高通计划测试4G络,以及正在快速发展的5G通信技术在无人机通信上的应用。

除了无线遥控,无线通信同样被应用到视频传输上。消费级主流的方案使用2.4G WiFi图传,传输距离在m左右。高清图传的传输距离更远、延时性更低和更高分辨率的画质,对视频的编解码要求很高。实时图传指标有三个分别为距离,分辨率及延时程度。大疆采用的OFDM(信道编码的正交频分复用)全数字调制解调技术,其多载波等技术特点装潢公司
,抗多径能力强,具备“非视距”、“绕射”传输特点和良好穿透能力,能够满足无人机无线通信任务。据了解,大疆的OFDM在广阔没干扰地区可以做到5公里图传,这个技术目前大疆独占。因为这套算法跟硬件都需要一定的技术积累。分辨率这个现在大家都可以做到720P。而延时程度这个很重要,大疆可以做到几乎感觉不到图传延时,大概0.3秒。

新门槛:避障技术以及计算机视觉

随着无人机产品逐渐的升级换代,壁障、机器视觉、跟随(Follow Me)等新兴应用层出不穷。在2016年CES展上,有多家无人机厂商就展示了的壁障技术。

目前无人机多用超声、红外和视觉等方式结合进行避障。不同的避障技术优缺点各不相同,针对之前避障方式鲁棒性(Robust)差的问题,Aerotenna把微波雷达技术引入了无人机,并基于此技术开发了基于微波雷达技术的无人机高度计和360度全向避障模块。

对于无人机的安全性来说,会避障将是一个巨大的提升,也会让应用领域更广泛。避障的实现方式有很多种,除了上述提到的微博雷达技术外,计算机视觉技术也可以应用于避障。依靠计算机视觉芯片,未来的无人机将具备自动飞行的能力(无需地面操控员利用设备控制),它们能够自动躲避高压线、寻找着陆范围、自动在异常气候条件下修正飞行路线。随着计算机视觉系统不断完善三元催化清洗剂
,未来的无人机将在商品快递等领域发挥出巨大作用。

双目立体视觉(Binocular Stereo Vision)是机器视觉的一种重要形式,零度智控推出的双目深度算法基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像,通过计算图像对应点间的位置偏差,来获取物体三维几何信息的方法。融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别(视差图像),使我们可以获得明显的深度感,建立特征间的对应关系,将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。双目视觉深度恢复技术可以使智能机器人具备对环境的深度感知能力。

基于计算机视觉的无人机还可以完成诸多功能,例如手势操作、光流及声呐定位、电子稳像等。

除此之外,在跟随功能上,被应用到VR设备HTC Vive的Lighthouse光学位置追踪系统可替代目前机器人追踪巡航系统。特别是室内远距离追踪。可以实现在室内跟踪四旋翼无人机,不必再花5万美金买一套Vicon光学运动追踪系统。

新需求促使MCU升级处理器

传统的民用无人机并不需要强悍的计算能力,基本的操作都在目视距离之内。直到近几年,电池动力多轴旋翼与机载摄像装置的结合让新手也可以快速学会无人机操控,同时也对无人机自身的电子设备能力提出了很高的要求:飞行器与地面的通讯带宽要大幅增加以传输视频数据;拥有障碍探测与规避能力以弥补操控者经验的不足;无人机要和其他电子设备很好地协作,方便操控与实现各类用途,等等。加上上面提到的机器视觉、壁障等功能都需要强大的图形运算处理能力和高效的深度算法,因此对于无人机的主控平台提出了越来越高的要求。

传统的单片机(MCU)已经无法再满足无人机的需求,而处理器厂商正在对无人机领域虎视眈眈。由于无人机的机体通常不会很快损坏,使用年限较长;但核心电子器件的换代会很迅速,每隔一两年就会有更新、更强的芯片面世,提升无人机的综合能力。为无人机更换处理模块将像为PC升级组件一样平常,这就意味着巨大的商机。此外无人机控制系统需要用到应用处理器,这和内部的处理器并无本质区别,另外空中飞行的无人机需要和地面控制人员和设备进行通信,也将给通信芯片厂商带来巨大的商机。

一架售价一千美元的无人机安装的处理模块可能卖到三百美元,相当于一颗PC CPU的售价。未来价值数百亿美元的无人机产业中,芯片企业足可以分得一百亿美元甚至更多的蛋糕。此外由于无人机的很多技术与无人驾驶汽车相通,为前者研发的芯片技术很容易成为后者的积淀。如果能在无人机芯片领域获得优势,进而就可以在更重要的自动驾驶汽车产业成为关键角色。

也因此包括高通、英特尔在内的SOC公司正在采用了比微控制器(MCU)更为强大的CPU或是ARM Cortex-A系列处理器作为飞控主芯片。这些芯片巨头的加入证明芯片技术在未来无人机发展中的重要性不可忽视,芯片也成为了未来无人机产业的关键核心组件。和智能时代一样,无人机制造商也希望高通、英特尔这些芯片制造商,能够提供完整的芯片解决方案。将来用户在选购无人机时也要在意其使用了什么等级的CPU,乃至在专用测试程序中的成绩;也许“不服跑个分”的适用范围又要扩大了。

主流的无人机SOC介绍

在CES2016上,高通子公司Qualcomm Technologies、腾讯和零度智控发布并展示了一款基于高通骁龙Flight平台的商用无人机YING,将于2016年上半年在全球上市。

骁龙Flight是一块高度优化的58x40mm开发板,专门针对消费级无人机和机器人应用而设计。骁龙Flight包含一颗骁龙801 SoC(由四颗主频为2.26GHz的核心组成),支持GPS、4K视频拍摄、强劲的连接性以及先进的无人机软件和开发工具,双通道Wi-Fi和蓝牙模块,支持实时飞行控制系统,拥有全球导航卫星系统(GNSS)接收器,支持4K视频处理,支持快速充电技术,而这一切全被整合在一张名片大小的主板上。带来了前沿的移动技术以打造全新级别的消费级无人机。据了解,这款芯片可把4K无人机的平均价格从约合人民币7791元拉低至约合人民币元,续航从20分钟延长到分钟。另外,高通还设立了内部实验室,研发无人机可以使用的计算机视觉芯片。

2016年,采用高通芯片平台的无人机可能会越来越多,这种一体化的芯片平台,也会大大加快无人机的研发和制造。据报道,高通已经推出了这样的芯片配套方案,名为“骁龙飞行平台”,整合了无人机飞行和工作需要用到的处理器、通信芯片、飞行控制芯片以及高空摄像芯片。这一平台甚至可以支持超高清视频的拍摄。

除了高通,在CES2016上,英特尔展示了采用英特尔实感技术的Yuneec TyphoonH,内置了高达6个英特尔的“RealSense”3D摄像头,采用了四核的英特尔凌动(Atom)处理器的PCI-express定制卡,来处理距离远近与传感器的实时信息,以及如何避免近距离的障碍物。至于远距离的3D摄像头,Intel使用“主动立体成像原理”,它模仿了人眼的“视差”原理,通过打出一束红外光,以左红外传感器和右红外传感器追踪这束光的位置,然后用三角定位原理来计算出3D图像中的“深度”信息。

三星在无人机产品线上推出了Artik5芯片,搭载1GHzARM双核ARMCortex-A7处理器(Mali400 MP2 GPU),搭配的是512MB LPDDR3内存以及4G eMMc闪存。支持Wi-Fi、低功耗蓝牙,支持802.11b/g/n。此外,该芯片还能对解码H.264等格式720p30fps的视频进行解码,并提供了TrustZone。

值得一提的是国产芯片联芯LC1860,目前已经被包括大疆精灵4、零度智控1代采用。LC1860支持LTE-TDD/LTE-FDD/TD-SCDMA/WCDMA/GGE五模,集成4+1个CortexA71.5GHzCPU、双核GPUMaliT628、Trustzone安全架构等特写。LC1860于2014年第三季度正式上市,是国内首颗面向公开市场商用的28nm4GSoC芯片。发布短短一年时间,出货量就已经超过千万,产品稳定性经过了市场检验。这个平台的优势是SDR软件无线电,可以自定义和修改无线电频段。采用SDR自定义无线电频段,可以获得比主流的2.4G WIFI更远的传输距离。

在刚刚结束的2016年香港春季电子展上,rockchip也首次推出了高清无人航拍一体机解决方案。这个方案采用RK3288芯片,其特点是没有搭载云台,而通过超强防抖高清航拍稳像技术实现图像稳定。基于陀螺仪角度及位移校正并采用优化的运动矢量估计与提取算法,提升相机影像清晰度,可一定程度取代传统机械云台。可实现13M的Camera数据采集,输出1080P?30fps本地高清以及480P?30fps的远程传输双通道稳像码流。RK3288芯片主打超强防抖稳像技术与高速图像处理能力,在航拍算法防抖技术上进行设计从而提升航拍影像表现力并且缩小无人机体积,更适合个人便携应用。

此外,MTK在近举行的CITE2016展上,也展示了基于Linkit smart7688平台的无人机方案。不过MTK工作人员表示,目前没有专门针对无人机市场增设产品线的打算。

集成化“交钥匙”将主导无人机行业

由于目前国内的无人机厂商鱼龙混杂,不少厂商在硬件平台搭建上实力是有所欠缺的。之所以大部分采用单品机+图传、视觉模块的方式,是因为Cortex-A甚至X86处理器开发难度大。

然而当高通、Intel这种芯片巨头推出snapdragon flight这种集成度高而且计算能力非常强的平台之后,游戏规则就会悄然发生改变。首先,硬件研发和制造成本转移到了平台的采购成本,只要硬件平台的价格没有高到离谱,总还是值得的。此外,当这些小无人机忽然间拥有(相对于STM32等处理器)强大很多倍的计算能力之后,很多曾经需要特殊设备才能完成的计算(如视频编码压缩,目标识别,视觉定位等等)在这一个平台上就可以完成。

此外,除了高通之外,MEMS传感器厂商如ST、ADI等厂商也在考虑推出他们的硬件平台,到时候可能会将高性能CPU、惯性传感器、基带和射频芯片、电源管理芯片等等集成到一块电路板上,到时候无人机的开发门槛将进一步更低。

这些MEMS传感器主要用来实现飞行器的平稳控制和辅助导航。飞行器之所以能悬停,可以做航拍,是因为MEMS传感器可以检测飞行器在飞行过程中的俯仰角和滚转角变化,在检测到角度变化后,就可以控制电机向相反的方向转动,进而达到稳定的效果。这是一个典型的闭环控制系统。

至于用MEMS传感器测量角度变化,一般要选择组合传感器,既不能单纯依赖加速度计,也不能单纯依赖陀螺仪,这是因为每种传感器都有一定的局限性。比如说陀螺仪输出的是角速度,要通过积分才能获得角度,但是即使在零输入状态时,陀螺依然是有输出的,它的输出是白噪声和慢变随机函数的叠加,受此影响藏记抑菌乳膏多少钱一盒
,在积分的过程中,必然会引进累计误差,积分时间越长,误差就越大。这就需要加速度计来校正陀螺仪,因为加速度计可以利用力的分解原理,通过重力加速度在不同轴向上的分量来判断倾角。由于没有积分误差,所以加速度计在相对静止的条件下可以校正陀螺仪的误差。但在运动状态下,加速度计输出的可信度就要下降,因为它测量的是重力和外力的合力。较常见的算法就是利用互补滤波,结合加速度计和陀螺仪的输出来算出角度变化。

ADI亚太区微机电产品市场和应用经理表示,ADI产品主要的优势就是在各种恶劣条件下,均可获得高精度的输出。以陀螺仪为例,它的理想输出是只响应角速度变化,但实际上受设计和工艺的限制,陀螺对加速度也是敏感的,就是我们在陀螺仪数据手册上常见的deg/sec/g的指标。对于多轴飞行器的应用来说,这个指标尤为重要,因为飞行器中的马达一般会带来较强烈的振动,一旦减震控制不好,就会在飞行过程中产生很大的加速度,那势必会带来陀螺输出的变化,进而引起角度变化,马达就会误动作,给终端用户的直观感觉就是飞行器并不平稳。

除此之外,在某些情况下,如果飞行器突然转弯,可能会造成输入转速超过陀螺仪的测试量程,理想情况下,陀螺仪的输出应该是饱和输出,待转速恢复到陀螺仪量程范围后,陀螺仪再正确反应实时的角速度变化,但有些陀螺仪确不是这样,一旦输入超过量程,陀螺便会产生震荡输出,给出完全错误的角速度。还有某些情况下,飞行器会受到较大的加速度冲击,理想情况陀螺仪要尽量抑制这种冲击,ADI的陀螺仪在设计的时候,也充分考虑到这种情况,利用双核和四核的机械结构,采用差分输出的原理来抑制这种“共模”的冲击,准确测量“差模”的角速度变化。但某些陀螺仪在这种情况下会产生非常大错误输出,甚至是产生震荡输出。

“未来飞行器上的MEMS产品也会向集成化方向发展,比如3轴加速度加上3轴陀螺仪的集成产品,甚至是SOC,把处理器也集成进去,直接提供角度输出供后端处理器调用。由于飞行器的应用场景一般都是户外,客户势必会做全温范围内的温度补偿,而在出厂前就对MEMS产品做好了全温范围内的温补,或者是设计超级低温漂的传感器,都会是MEMS产品在这一领域的发展方向。当然可靠性依然是重要的指标。”他认为。

随着无人机的功能不断增加,GPS传感器、红外传感器、气压传感器、超声波传感器越来越多地被用到无人机上。方案商已经在利用红外和超声波传感器来开发出可自动避撞的无人机,以满足将来相关法规的要求。集成了GPS传感器的无人机则可以实现一键返航功能,防止无人机飞行丢失。而内置了GPS功能的无人机,可以在软件中设置接近机场或航空限制的敏感地点,不让飞机起飞。

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