無人機整機
無人機配件
無人機服務
設備與工具小型無人機(本文關注尺寸小于1m，重量低于4kg)，按其飛行模式劃分，可分為固定翼、旋翼和基于仿生設計的撲翼三大類。每一種飛行類型都有其獨特優(yōu)點和缺點。例如,固定翼飛機能夠快速和高效的飛行，但通常不能懸停。旋翼機可以懸停、機動性能好，但通常能量效率比較低。仿生撲翼飛行器提供了一個替代性范式，它可以按比例縮小尺寸(固定翼和旋翼卻不能),但目前在空氣動力學、機械設計和控制能有巨大的挑戰(zhàn)。
飛行時的能耗極大，小型無人機主要使用鋰電池和電機作為動力源，飛行器越小時，能量利用效率通常會越差。主要因為小尺寸的電機電磁功率密度會降低、槳盤面積變小、增加減速齒輪后傳動效率的下降、由于雷諾數(shù)變小也會帶來更大的粘滯損失。下圖為當前小型無人機產(chǎn)品的重量與飛行時間。固定翼飛行時間相對較長，但飛行時間短卻是影響旋翼無人機使用的瓶頸問題之一(幾分鐘到幾十分鐘不等)。但多旋翼無人機由于可以懸停、機動性能好、結構簡單、成本低等優(yōu)點，近年來得到了迅速普及。目前而言，也更適合作為空中機器人平臺進行開發(fā)。本文并列舉對比當前的一些主流的、成熟的多旋翼平臺，并就無人機自主飛行的未來發(fā)展進行探討。
? 四旋翼飛行器產(chǎn)品
低成本無人機的市場在過去的兩年呈爆炸式增長。在這期間涌現(xiàn)出了一些新的品牌和型號，主要是多旋翼直升機，并且有一些組織和網(wǎng)站專注于這些產(chǎn)品的發(fā)展。在這我們將注意力集中在一些流行的、成熟的商業(yè)品牌，而不是一些從初創(chuàng)公司或者某一個研究項目當中誕生的最新奇的平臺。相比于更多的定制方案，要在一個具有廣泛用途的平臺上工作，通常要確保硬件測試良好并且該平臺具有長期技術支持。在此，我們列舉一些至2015年7月并具有代表性的無人機平臺。
我們主要關注那些開箱即用(RTF)的飛行器，這些飛行器設置和校準只需要很短時間。然而，RTF飛行器通常都具有編程和擴展的局限性，因此難以定制。在此我們不僅討論手動遙控應用，還包括自動飛行。對于每一個平臺，我們主要關注飛行器所使用的傳感器及控制方法。一般情況下，所列出的全部旋翼機都具有飛行控制系統(tǒng)，以及某種類型的相機(嵌入式的或作為一個單獨的設備)以及無線數(shù)傳連接設備，絕大多數(shù)中還包括GPS模塊。詳細介紹如下：
Parrot在2012年在parrotciteweb上推出了廣受歡迎的AR.Drone2.0.。2.0版售價為400美元，重量為420克。它有兩個板載內置攝像頭，一個在底部，傳輸標準為QVGA(320×240像素分辨率)，每秒60幀，用于測量地面速度，另一個是高清前置攝像頭(1280×720像素分辨率)，每秒30幀進行視頻錄制。飛行穩(wěn)定系統(tǒng)由一組三軸陀螺儀，加速度計和磁力計，除此之外，還有氣壓傳感器，該系統(tǒng)可以承受高達24公里/小時的風。有一對超聲波傳感器可以幫助飛行器保持一定高度貼近地面飛行(最高可達6m)。板載飛行控制器運行Linux操作系統(tǒng)。代碼不開源，但使用ParrotSDK或其他API，人們可以使用遠程訪問功能，諸如：在線接收照相機圖像幀、導航和其他傳感器數(shù)據(jù)，并發(fā)出在各個軸向的速度控制指令，以及起飛和著陸的命令。這些操作只能使用wifi和飛行器進行通訊實現(xiàn)。此項目旨在擴大控制范圍或允許板載可編程性，但這不是作為正式產(chǎn)品的一部分。另外，由Parrot的標準版可擴展一個GPS模塊，需額外支付120美元，這就可以通過指定航點對飛行器進行路徑規(guī)劃，飛行距離甚至可超出WiFi的范圍。然而，當飛行器超出WiFi的范圍時是不能被控制的。除這款模型之外，Parrot在2014年底還推出了Bebopdrone，Bebop售價為500美元，另外，這款飛行器還提高了圖像處理與錄制能力(1400萬像素的圖片并以每秒30幀進行視頻錄像，像素為1920×1080)，具有一個內置的衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS，包括GPS和GLONASS)，操作范圍為250m，選配Skycontroller，成本大約400美元，可使操作范圍可以擴展到2km。
同類產(chǎn)品中的XaircraftX650Pro，使用SuperX飛行控制器。以及MikrokopterQuadrokopterXL，使用FlightCtrlME飛行控制器。價格在1000美元左右，重量在1000-1500g。控制器實現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定一般都是通過一套傳感器：氣壓傳感器、三軸陀螺儀、磁力計和加速計。但Mikrokopter無人機控制器的一個特點是它對高度的感知可以高達5000m。這兩種無人機都安裝有外置攝像機，其中X650Pro飛行控制器還內置了攝像機云臺的控制功能。理論上講，只要不超過負載極限，任何可用作記錄的裝置都可以掛載到這些無人機上，(這兩款無人機的負載約1kg)。
大疆生產(chǎn)的旋翼航拍機，如精靈系列，價格在1000美元左右，重量1200g左右。眾所周知，大疆的飛行器具有很好的穩(wěn)定性和操縱體驗，但他們的飛行控制器僅允許用戶使用圖形界面，通過GPS航點進行路徑規(guī)劃。公開提供的產(chǎn)品說明也極少提供關于飛控的技術信息，因此在此也無法進行詳細分析。其飛控均支持外擴GPS模塊。較新的Inspire平臺配有專有的一體化云臺相機，相機可以錄制1080p、以及4K，每秒30幀的高清視頻，其最新的圖傳產(chǎn)品，工作范圍可達2km。
開源無人機
和上述容易組裝但封閉的無人機不同，3DRobotics和Arducopter在Arduino平臺的基礎上進行改進，提供模塊化DIY解決方案。這些無人機使用可以自定義編程的ArdupilotMega(APM)或性能更高的Pixhawk飛控。由于飛控軟件復雜度不斷增加，對硬件要求越來越高，至Arducopter3.3以后版本固件已不再支持APM飛控硬件。另外這些飛控支持各種外設的擴展：傳感器、其他控制器和通信模塊。Arducopter無人機通常是DIY定制的，但有完整的工具包以及提供RTF或幾乎RTF的解決方案。3DR也推出有一款RTF多軸飛行器Iris+，售價750美元，重量1300g。和幾乎可以實現(xiàn)RTF的ArducopterQuad，售價620美元，重量跟前者類似。與其他性質的平臺產(chǎn)品對比，ArducopterUAVs雖然需要用戶更多的無人機知識和組裝調試工作，但卻是高度開放且可定制的。最近剛推出的平臺是3DRSolo，這個一款用戶友好的RTF無人機，具有更強的能力(飛行器的續(xù)航時間增長可達20分鐘，安裝了一部GoPro相機，采用雙控制器結構，一個為傳統(tǒng)飛控，一個用于視頻處理與云臺控制)。
在傳感器方面，較新的Pixhawk控制器帶有內置陀螺儀、加速度計和氣壓傳感器。在視覺部分，Iris+上可以使用云臺外擴攝像頭。Pixhawk提供了一款PX4FLOW的光流模塊，可用于導航。但由于其分辨率低(只有752×480像素的分辨率)，它并不能對視頻進行錄制。
上述無人機主要用于航拍和娛樂方面。盡管價格范圍不同，但是用于穩(wěn)定的傳感器的類型是相似的。很明顯，更昂貴的解決方案可提供更好的穩(wěn)定性。在視覺方面，支持安裝外部攝像機的平臺可以進行視頻錄制。然而，如果使用AR.Drone無人機平臺或px4flow模塊，使用集成的視覺模塊將會簡化平臺的使用。AR.Drone2所提供的圖像質量和速率已經(jīng)足夠用于基于視覺的導航和環(huán)境捕獲。
? 感知與控制
在戶外飛行的傳統(tǒng)無人機可通過連續(xù)測量并融合來自慣性測量單元(IMU)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的數(shù)據(jù)來調節(jié)飛行姿態(tài)(橫滾、俯仰和偏航)以及位置(×、y和z)(下圖)。
其中IMU包含三軸加速度計和陀螺儀。這對于感知運動及自主性是必不可少的，從小型娛樂級至專業(yè)級的無人機均在使用。然而，在距離地面僅幾米高且在密閉的區(qū)域內飛行時，全球定位系統(tǒng)信息在高度調節(jié)上是不足夠精確的，也并不一直是有效可靠的，由于遮蔽GPS信號可能會丟失。在一些復雜環(huán)境里，如在城市、森林和建筑物中。即使全球定位系統(tǒng)信息是可靠有效的，也需要輔助結合一個無人機周圍環(huán)境的精確地圖，以規(guī)劃無障礙的飛行軌跡。然而，如那些用于汽車駕駛導航系統(tǒng)、提供道路提醒的數(shù)字地圖，它們并不包括三維信息(自然結構、建筑物、橋梁的高度和電纜、電線桿等障礙物，等等)，也沒有足夠快的刷新頻率來捕捉地面景物的變化。因此，低空飛行的小型無人機需要更復雜的控制自主權和額外的傳感器，以檢測周圍環(huán)境的距離并按照安全穩(wěn)定的軌跡飛行。
傳統(tǒng)的基于IMU和GPS的感知-控制技術已經(jīng)非常成熟并已有大量產(chǎn)品上市，在此不再贅述。對于低載荷、功耗敏感的小型無人機而言，機器視覺是一種很有前景的傳感方式，因為與其他距離傳感器如聲納、紅外和陸地車上用的激光測距儀相比，它不需要發(fā)射能量來了解環(huán)境，功耗更低。另外，它可以收集更豐富的信息和捕獲更多的地面景物和其他傳感器的質量相媲美。
另外還有基于仿生學的視覺技術，如復眼定焦，利用低分辨率但較多的攝像機。相比雙目圖像重疊更小，也不需要立體視覺的距離估計。生物學家發(fā)現(xiàn)，昆蟲在雜亂的環(huán)境中仍可安全飛行，它們依靠的不是圖像運動，而是被稱為光流的那個東西測量自己和周圍環(huán)境的位移。實驗結果表明,使用光流無人機可實現(xiàn)大量的、各種各樣的飛行能力。如避障、速度保持、里程估計、沿墻或走廊飛行、高度估計、航向控制、降落等。在產(chǎn)品領域，光流技術目前也已成功地得到應用，如四旋翼的底部光流在無GPS的情況下可維持恒定的速度或懸停。固定翼無人機前向安裝的光流，用于檢測靠近地面的障礙物。以及用于測量無人機姿態(tài)的旋轉光流等。
? 自主飛行
感知-控制技術是機器人自主能力的基礎。根據(jù)國際標準化組織的定義，機器人的自主能力是指機器在無人干預下，可以根據(jù)當前的狀態(tài)和感知信息執(zhí)行任務的能力。很多情況下，根據(jù)機器人的類型和要其預期的用途，對機器人自主性的要求也不盡相同。例如，雖然地面上那些連著插座固定式的機器人不必關心能量管理問題，但對于長距離工作的移動式機器人尤其是無人機而言，知道何時要停下當前任務去給自己充點電的能力就很重要了。在這里我們討論的小型無人機，可以按自主性由低到高將他們分為以下三個層次。目前對達到2~3級自主水平，即具備反應自主性和認知自主性的無人機，我們就可以理直氣壯地稱其為空中機器人啦。
感知-運動自主性：將人的高級指令(比如到達一個給定的高度，按照圓形軌跡飛行，移動到某一個GPS坐標點或保持在某個位置)轉化成平臺相關控制信號(比如俯仰角、橫滾角、偏航角或速度)的組合;利用GPS航點，按照預先編好的軌跡飛行。
反應自主性(需要以感知運動自主性為基礎)：在外部有干擾時保持在當前位置或飛行軌跡上，比如在有風或電器機械故障的情況下;躲避障礙物;保持在距離地面安全的或預定的高度;跟隨移動的物體或其他飛行器飛行;自動起飛和著陸。
認知自主性(需要以反應自主性為基礎)：進行SLAM同步定位和繪制地圖;解決信息和任務沖突;規(guī)劃(例如電池充電);識別物體和人;學習。
當前的商業(yè)化產(chǎn)品，以上文介紹的幾款主流產(chǎn)品為例，它們均達到了感知-運動自主性水平，部分具備反應自主性。但其成熟度仍不足以自動完成大多數(shù)行業(yè)應用領域中的任務，如攝影、監(jiān)視、勘探等，目前仍需要經(jīng)驗豐富的操作人員進行監(jiān)視或操控。
? 展望
我們認為未來民用無人機市場的進一步擴大，有賴于以下三個方面的改善：1.自主能力2.安全策略3.法律框架
我們目前尚無法預期未來五年會實現(xiàn)更高水平的自主控制。但當前法律要求認證的操作員在視線內操作無人機，則會限制無人機自主能力方面的發(fā)展，迫使企業(yè)和研發(fā)機構更多的去關注機械可靠性和安全性等問題。然并卵，即便緩慢，無人機自主性的提高也是必然的，這終將會挑戰(zhàn)并顛覆現(xiàn)有的法律框架。
在未來，我們預期仿生學的方法將成為主導，因為它只需要相對簡單的計算和傳感器。例如一些產(chǎn)品(如eBee和AR.Drone0)。在科學領域，一個有趣挑戰(zhàn)將是將不同的導航功能集成到一個控制系統(tǒng)中，構成類似于飛行昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)。同時,在工程領域，一個重要的工作是政府機構和行業(yè)協(xié)會定義測試條件及性能標準，對無人機技術的功能和可靠性進行評估，通過建立完善的安全策略與評價機制規(guī)范無人機的運行，而非法律手段的限制。
另外人工智能的發(fā)展以及智能手機的改進，將會進一步擴大小型無人機的應用范圍，比如能夠識別人類用戶、學習他們的行為、創(chuàng)建并表示周圍的環(huán)境。人臉識別、基于手勢的交互、可穿戴設備的廣泛使用將進一步刺激玩具無人機的發(fā)展。隨著移動計算行業(yè)繼續(xù)沿著硬件小型化、服務云端化的方向發(fā)展。開發(fā)人員將會獲得體積更小、功率更低的傳感器，電池的能量密度也會不斷提高。同時無人機接入網(wǎng)絡，也為未來應用提供了無限的可能性。
2020-10-21 10:08
2020-10-11 11:52
2020-09-16 18:27
2020-09-01 08:21
2020-08-27 16:24
2020-08-13 08:54
2020-08-11 17:29
2020-08-04 16:41
2020-07-27 11:49
2020-07-13 12:06
