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  • 多旋翼无人机技术发展历程及未来技术发展趋势浅析   众所周知,多旋翼无人机因其机械结构简单,操作便利而深受广大航模爱好者喜爱。最初的多旋翼无人机由以下几部分组成(这里称为阶段一):   1. IMU(惯性测量...

    前言

      上一篇中回顾了多旋翼无人机的发展史,对多旋翼无人机领域的现状以及未来发展趋势进行了浅析,本篇将对多旋翼无人机的技术发展进行回顾,剖析多旋翼无人机的技术组成。

    多旋翼无人机技术发展历程及未来技术发展趋势浅析

      众所周知,多旋翼无人机因其机械结构简单,操作便利而深受广大航模爱好者喜爱。最初的多旋翼无人机由以下几部分组成(这里称为阶段一):

      1. IMU(惯性测量单元),用于测量多旋翼飞行器的三轴加速度、角速度。
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      2. 气压计,用于测量多旋翼飞行器的海拔高度。
      3. 遥控接收/发送模块,用于提供多旋翼飞行器的手动操作功能。
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      4. 动力系统,包括电机、桨叶,用于提供飞行器升力及扭矩。
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      5. 机身骨架,用于安装以上各模块。
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      与传统的无人机相比而言,多旋翼无人机的组成可以说是相当的简单了,这也是其受众较广的原因之一。然而,也正因为如此,最初的多旋翼无人机只能实现较为简单的功能,如飞行器姿态稳定以及高度稳定等。同时,尽管其操作相比其他无人机简单许多,但对于毫无操作经验的一般用户而言,操作一台这样的多旋翼无人机依然存在较大难度。这也是多旋翼无人机行业发展缓慢的重要原因之一。在当时,航模爱好者们仅仅将其当作航模飞行器。

      工程师们不满足于当时的多旋翼飞行器,既然多旋翼飞行器存在这么多的优点,为何不好好挖掘一下它的潜力呢?终于,在工程师与技术爱好者们的努力下,多旋翼无人机开始往自主飞行的方向发展(这里称为阶段二)。工程师们在阶段一的基础上,对多旋翼无人机的组成进行了优化升级,添加了:
      1. GPS模块,用于测量飞行器的速度、位置等信息。
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      2. 磁力计模块,用于测量飞行器所处环境的磁场场强。
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      3. 图像传输模块,用于传输实时图像数据。
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      4. 相机及其他负载,用于拍摄照片以及视频等。
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      这一阶段的多旋翼飞行器已经能够较容易实现悬停飞行以及半自主飞行(基于人工设定航点任务的自动飞行功能),同时,能够搭载不同负载,实现原本大型航拍器才能实现的航拍以及测绘等任务。然而,仅仅具备基本的业务能力与飞行能力无法大批量推向市场。

      于是,工程师们继续在多旋翼无人机的稳定性上投入大量精力(这里称为阶段三)。这一阶段的多旋翼飞行器加入了以下传感器/功能:
      1. 超声波/TOF测距仪
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      2. 光流传感器
      3. 双目相机
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      4. 毫米波雷达/激光雷达
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      5. 多传感器冗余/系统级冗余

      同时,考虑到飞控主控芯片运算能力有限,采用运算性能更强、外设资源更丰富的机载计算机执行独立的视觉算法以及智能算法。在这些传感器的辅助下,多旋翼飞行器能够实现:

      1. 低空高精度悬停

      2. 自主避障

      3. 半自主路径规划

      4. 传感器故障情况下的容错

      这些功能大幅提升了飞行器的飞行稳定性,降低了多旋翼无人机的操作难度,使得毫无飞行经验的用户也能够做到上手即飞。消费级多旋翼无人机市场在这一阶段进入高速发展时期。于此同时,下游的供应商也随着消费级多旋翼无人机市场的发展而日趋成熟。消费级多旋翼无人机的配套传感器成本迅速下降,这也为多旋翼无人机的小型化与降本提供了巨大的帮助。

      随着传感器与芯片的成本下降,消费级无人机开始进入小型化与降本的阶段。大量微型多旋翼无人机应运而生,这些微型无人机介于小型航拍无人机与玩具级无人机之间,具备完整的多旋翼航拍无人机功能,价格更为亲民。

      相比而言,行业级多旋翼无人机却显得发展缓慢,我认为,主要原因有以下几点:

      1. 行业级多旋翼无人机需求量相对较小,然而由于机身多采用碳纤结合机加工件组合的形式,导致其生产周期长,公差较消费级多旋翼无人机的塑料开模机身更大,质量把控难度更高。

      2. 行业级多旋翼无人机出货量较小,供应商体系不成熟,导致整机成本相比消费级多旋翼无人机高出许多。

      3. 行业级多旋翼无人机多以项目采购为主要销售途径,不如消费级多旋翼无人机市场透明。

      4. 行业级用户对于多旋翼无人机认知尚浅,期望远大于当前实际水平。

      5. 行业级用户对于飞行器安全性的需求远大于消费级用户,当前的多旋翼无人机产品无法达到预期。

      6. 行业级用户需求繁多,在目前没有成熟的行业规范支持下,行业级多旋翼无人机项目多以零散的定制项目为主,工作量大,需求量小。

    多旋翼无人机主流技术浅析

      从技术层面看,当前的多旋翼无人机几大主流技术分别为:

      1. 数字信号处理算法

      2. 传感器数据融合及组合导航算法

      3. 姿态与速度控制算法

      4. 故障诊断技术

      5. 路径规划技术

      6. 容错控制技术

      前三项技术支撑了多旋翼无人机的稳定飞行,后三项技术提高了无人机的容错能力以及智能化程度。目前多旋翼无人机的几大痛点:

      1. 使用环境复杂,使用者操作水平层次不齐导致的坠机率居高不下问题。

      2. 飞行时间较短,载重与续航时间存在不可调和的矛盾。

      3. 携带便利性较差,使用频率大幅度降低。

      4. 智能化程度较低,无法在复杂环境脱离人工操作,独立执行任务。

      5. 成本居高不下。

      由于以上几大痛点的存在,行业级无人机发展缓慢。行业级用户多为政府机关单位,使用者缺乏操作经验,然而其对于飞行器自身的稳定性要求非常高,但由于飞行环境的不确定性,当前的多旋翼飞行器往往在执行任务的过程中存在较高的坠机率,这也使得行业用户对于多旋翼无人机的使用存在一定的畏惧心理。此外,行业级多旋翼无人机市场需求的挖掘还不够充分,无法使用统一的飞行平台去满足不同行业用户的需求,这也就间接导致了行业级用户对于多旋翼无人机的使用欲望并没有那么强烈。

      针对这一现状,行业级无人机的未来必然会在安全性、操纵性、容错性以及智能化等特性上进行大幅度的提升。通过组合多种传感器的方式提升组合导航系统的可靠性,增加多旋翼无人机在复杂使用环境时的鲁棒性,降低坠机概率,同时,优化用户操作逻辑,降低多旋翼无人机对于操作者的操作要求,提升用户体验,降低因操作导致的坠机概率。此外,对于飞行器自身的子模块添加故障诊断系统,在子系统故障时,及时切换算法策略,优先保障飞行安全。最后,通过增加视觉、激光雷达/毫米波雷达等传感器,提升多旋翼无人机的感知水平,使其具备全自主飞行的能力,满足更普遍的行业用户需求。如此这般,行业级多旋翼无人机市场才有可能进入快速发展期!


    作者简介: 一个被Coding耽误的无人机算法工程师,控制、导航略懂一二,热衷技术,喜欢乒乓、音乐、电影,欢迎交流。

    知乎: @遥远的乌托邦

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  • 无人机技术赏析

    2018-10-30 17:00:00
    018无人机十大品牌排行榜 2018-05-21 17:00无人机 2018无人机十大品牌排行榜 无人机在各领域应用广泛 从“互联网+”概念的提出到现在,互联网与各行业的融合已经进入到了深层次阶段。而在“互联网+”变革...

    018无人机十大品牌排行榜

    2018无人机十大品牌排行榜

    无人机在各领域应用广泛

    从“互联网+”概念的提出到现在,互联网与各行业的融合已经进入到了深层次阶段。而在“互联网+”变革社会的同时,一些企业家认识到无人机与各行业的融合也许能给个行业带来巨大变革,经过几年的研究探索,“无人机+”也进入了大众视野。

    “无人机+”与“互联网+”在概念上是相通的,就是指将无人机与具体的某个行业相结合,利用无人机的优势促进其他各行业的发展。目前,无人机的应用已经扩展到了诸多领域,无人机+农林植保、无人机+地理测绘、无人机+电力巡线、无人机+影视拍摄……

    “无人机+”发展前景向好

    在我国,近几年民用无人机和消费级无人机市场呈现迅速增温趋势,无人机逐步深入大众生活。据统计,2017年我国民用无人机产品产量同比增长67%,截至2018年3月23日,无人机实名登记数量已增至18万驾以上。

    伴随着无人机技术的不断发展成熟,“无人机+”在各领域崭露头角:今年,广州、福建、山西等多地电力公司增加了无人机在电力线路巡检过程中的使用率,并且南方电网公司计划于2020年基本实现“机巡为主+人巡为辅”的协同巡检目标;4月份,正值春耕时节,陕西省在关中地区开展植保无人机补贴试点,鼓励发展无人机服务产业,提高农业机械化水平;同样在近期,顺丰速运拿到了国内首张无人机航空运营(试点)许可证,根据许可证的规定,顺丰可在民航局批准的试点区域内使用无人机开展物流配送,这意味着在国内拉开了无人机快递的序幕……

    航拍无人机也受到广大爱好者的喜爱,在视觉中国、包图网、图虫等摄影、摄像师及爱好者聚集的网站上,能看到大量的航拍的视频和图片素材。根据前瞻产业研究院数据资料显示,到2020年,航拍无人机市场规模预计将达到250亿元人民币左右。

    “无人机+”的发展空间如同“互联网+”一样,有着巨大的潜力,市场前景可观。

    无人机的门槛

    无人机作为智能制造的产业项目,有着极大的发展空间和市场前景。在2017年年底,工信部还提出,到2020年,民用无人机产业产值要达到600亿元,消费类无人机技术要保持国际领先,行业应用类无人机技术要达到国际先进水平的目标。

    如此利好的发展空间和市场前景,本应群英荟萃,为何却无法百家争鸣呢?

    问题就在在于核心技术。目前,在众多无人机制造厂商中,掌握无人机制造核心技术的企业并不多。根据前瞻产业研究院发布的《2018-2023年中国无人机行业市场需求预测及投资战略规划分析报告》数据显示,国内近200家无人机生产企业中,拥有核心技术的不到10家。

    哪些技术桎梏了无人机行业的发展?

    01、芯片技术

    在硬件方面,芯片是核心零部件,它直接决定了无人机的操控性能、通信能力和处理图像信息的能力。然而国内大多数无人机生产厂家的芯片还要依赖上游制造商提供,例如:英特尔、高通、三星、意法半导体等企业。

    在最近闹得火热的“中兴事件”中,芯片的地位已经被阐释的及其清楚。而国内芯片制造技术尚未赶上国际先进水准,芯片供给能力严重不足,无人机制造厂商在芯片研发上投入不足,这就极大限制了企业的自主研发能力。

    02、动力提供技术

    无人机的飞行要靠电池提供动力支持,而目前,大多数民用无人机能达到的持续续航能力一般都在20—30分钟之间,这给无人机与其他行业的融合带来了很大的麻烦,要想让“无人机+”真正的深入生活,无人机制造厂商就必须在动力供给方面做出巨大突破。

    现阶段,无人机使用的基本上都是锂电池,而锂电池的电芯无法做到100%均衡地充电和放电,同时大功率电池的充电时间又比较长。这些问题是对续航能力的主要制约因素。

    针对这些问题,行业内正着眼于通过太阳能充电和无线电充电等技术提升电池的持续续航能力。

    03、飞控技术

    飞控技术就是指够稳定无人机飞行姿态,并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统,其重要性相当于无人机的大脑。按照功能划分,飞控系统的硬件包括:主控制模块、信号调理及接口模块、数据采集模块以及舵机驱动模块等,各个功能模块组合在一起,构成飞行控制系统的核心。

    例如对于多旋翼飞行器来说,要控制无人机实现爬升、悬停、转弯等动作就要求飞控系统必须要对各个电机的动力进行超高频率地不断调整和动力分配。这些感知数据稍有偏差都有可能导致无人机的不正常飞行,出现非正常动作,导致无人机损坏甚至失控都有可能。

    目前,拥有无人机飞控技术解决方案的企业并不多,像大疆WooKong系列和Naza系列飞控系统、零度智控的双余安全飞控系统以及极飞科技的SUPERX和MINIX飞控系统都是目前国内较为先进的飞控系统。

    04、适应环境能力

    自然环境的变幻莫测给“无人机+”的实际运用带来巨大挑战。想要应用到各行各业,无人机就必须保障可以适应任何环境条件,包括极端天气和不确定环境。

    然而现实却很严峻,在复杂环境或不确定的环境条件下,无人机一旦受到某种强烈因素干扰,其飞行控制能力就会大大下降,性能也会变得不稳定。

    像无人机应用到消防领域,在发生森林火灾时,能否适应极其复杂的环境条件变得至关重要。

    05、通讯导航系统

    通讯导航技术相当于无人机的眼睛,它可以控制无人机“从哪里来,到哪里去”。目前在无人机上采用的导航技术主要包括惯性导航、卫星导航、多普勒导航、地形辅助导航以及地磁导航等,这些导航技术将会对无人机飞行轨迹、精度产生影响。

    大疆在无人机领域能够遥遥领先,其通讯导航系统提供了很大助力。大疆无人机在导航系统之外,加入了先进的视觉传感器、超声波传感器和IMU与指南针冗余导航系统。这些传感器与导航技术的完美融合,使无人机避障能力大大提升,拓展了无人机的活动环境,并增强了可靠性。

    提升自主研发能力,是一切行业的关键

    无人机技术未来的发展必定道阻且长,各无人机制造厂商要在激烈的市场角逐中拔得头筹、站稳脚跟,掌握核心技术、提升自主研发能力是关键所在。在无线电充电技术、导航技术、飞控技术上突破现有障碍,才能让无人机与各行业更好的融合。

    以便利人们的工作、生活,造福人类为最终目的,任何行业中最终的佼佼者都是很有长远想法和深层人文情怀的,所有也是有耐心有定力的。短期行为,终将失败。

    越伟大的企业,背后越有一本血泪账。

    转载于:https://www.cnblogs.com/zhangbing12304/p/9877877.html

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  • 本研究的目的是识别和分析影响无人机技术在PS领域有效使用的基础监管框架。这项研究包括对治理安排的研究,包括加拿大现行航空条例、紧急管理法、加拿大刑法及其基础立法和政策,以便评估和解释其对PS机构使用无人机...

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    本文为加拿大皇家大学(作者:Mukesh Chand)的硕士论文,共91页。

    无人机(UAV)技术的应用在全球范围内不断增加,如果将其应用于公共安全领域,将有助于为应对紧急行动中的挑战提供解决方案。本研究的目的是识别和分析影响无人机技术在PS领域有效使用的基础监管框架。这项研究包括对治理安排的研究,包括加拿大现行航空条例、紧急管理法、加拿大刑法及其基础立法和政策,以便评估和解释其对PS机构使用无人机的影响。这些机构所吸取的经验和教训为它提供了相关信息。所获得的知识可以扩展到正在考虑在其服务中使用无人机技术以降低风险的PS机构。无人机作为一种颠覆性的技术,正在彻底改变应急行动的方式,并希望能够提出有用的解决方案或建议,以引起人们的极大兴趣。

    The use of Unmanned Aerial Vehicle (UAV)technology is increasing globally and if applied in the field of Public Safety(PS), could prove useful in providing solutions to challenges in emergencyoperations. The purpose of this research is to identify and analyze theunderpinning regulatory framework that impacts effective usage of UAVtechnology in the PS domain. The research includes a study of governancearrangements including current Canadian Aviation Regulations, EmergencyManagement Act, Canadian Criminal Code and their underpinning legislation andpolicies in order to assess and interpret their impacts on the use of UAVs inPS agencies. It is informed by experiences and lessons learnt by theseagencies. The knowledge gained can be extended to PS agencies who arecontemplating the use of UAV technology in their services in order to reducerisk. UAV is of great interest as one of the disruptive technologies that isrevolutionizing the way emergency operations are carried out and with this hopethat useful solutions or recommendations can be made.

    1. 引言
    2. 文献回顾
    3. 研究方法
    4. 研究发现与讨论
    5. 结论与建议

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