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無人機整機
無人機配件
無人機服務(wù)
設(shè)備與工具自從轉(zhuǎn)入無人機行業(yè)，不時有朋友問，無人機誰家的好？這個問題，打上三天三夜也沒個結(jié)果。因為有些人就用100元的電飯煲，只要能熟、性價比高；有些人必須用高科技，5000元也不算貴，追求的是色香味俱全，為體驗買單。
但是，建議還是有的，具體到個人，就三個問題：預(yù)算、用途、使用者。
預(yù)算：只愿花1000元來試水的，你跟他安利大疆，他也不愿買2999元入門的精靈3S。而對于預(yù)算1萬的朋友，你讓他去買2499元的小米無人機，那不是寒磣他嘛？
用途：基 本都是飛來玩、順便拍些照的主，不用考慮啥植保、測繪等行業(yè)應(yīng)用，就在航拍機里選。不愿大包小包出門、只玩近距自拍的美女們，1699元的零度逗比肥皂， 好看便攜，女神必備；走得比較遠(yuǎn)、自帶逼格的主，一般都愛拍壯麗河山、對畫質(zhì)要求很高，精靈4就很合適；更高端的，直接上3萬左右的悟吧，這個價位的，友 商已經(jīng)自動避讓了，而且悟還有個空中變形的炫技，簡直是拉轟得飛起。
使用者：無 人機已經(jīng)智能到可以適配個人了？當(dāng)然不能。不過，每個產(chǎn)品都有自身調(diào)性，選個與你合得來的，飛起來更得心應(yīng)手些。比如，容易慌神、把油門當(dāng)剎車的主，飛得 穩(wěn)、能緊急懸停的精靈4就很對性子；喜歡沖撞、追求刺激的主，就可以考慮自己組裝穿越機，或直接上手疆域大黃蜂，耐撞、第一人稱視角絕對能滿足你帶勁飛的要求。
預(yù)算對應(yīng)價格、用途對應(yīng)技術(shù)參數(shù)，炸客（zhake100.com）總結(jié)的部分主流廠商主推產(chǎn)品對比表，是不是能讓你一表搞定？?。ㄈ缧璐髨D，留言向炸客索?。?
無人機的調(diào)性，其實就和人的性格一樣，因為涉及到軟件，幾句話真不能輕易概括。有興致的，跟著來了解下無人機最基礎(chǔ)也最重要的傳感器技術(shù)吧。
傳感器對于智能產(chǎn)品來說就有如五官，讓智能產(chǎn)品擁有聽覺、視覺、觸覺、嗅覺或味覺，接收傳感器感知的狀態(tài)并通過算法進(jìn)行反饋控制的系統(tǒng)，就如人的大腦，它們的合作讓智能產(chǎn)品越來越接近最高智能代表者、大自然億萬年演化的結(jié)晶：人類。
就無人機而言，傳感器要收集15個狀態(tài)參數(shù)，即三維位置（XYZ三軸上的具體位置信息），三維速度（單位時間里XYZ三軸上位置的變化情況），三維角度（XYZ三軸上自身姿態(tài)的傾斜角），三維加速度（單位時間里三維速度的變化情況）和三維角速度（單位時間里三維角度的變化情況）。
拿目前無人機最基本的“懸?！惫δ軄碚f，無人機的控制器做了一系列“串級控制”：知道自己的三維位置，控制自己始終鎖定在懸停位置，當(dāng)偏離了懸停位置，無人 機就需要產(chǎn)生一個讓自己趨向懸停位置的速度；為了產(chǎn)生這個速度，就需要調(diào)整出一個目標(biāo)加速度；由于四旋翼的動力特性，平行移動實際是通過改變無人機的平面 傾斜度來完成的，所以無人機需要知道自己的三維角度和三維角速度，從而可以控制電機的轉(zhuǎn)速來完成這一系列動作。說起來好像很復(fù)雜，但實際上這些步驟都由無 人機的五官和大腦搞定了，你只需輕點幾下而已。
我們的生活中有很多類似的復(fù)雜過程，只是你早已習(xí)以為常了。當(dāng)你踩下汽車的油門之后，有傳感器測量汽油的流速并進(jìn)行控制；有傳感器測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速并加以控制……從踩油門到加速的過程中也有許許多多的傳感器在測量汽車的各個狀態(tài)量，并對這些狀態(tài)量施加控制的。
前奏之后，咱們來說說用于測量無人機這15個狀態(tài)的傳感器。
GPS：美 國NASA組建的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，類似的系統(tǒng)還有歐洲的伽利略，俄羅斯的Glonass，中國的北斗導(dǎo)航。通過衛(wèi)星定位，物體能獲得自己的經(jīng)度、緯度和 高度三維位置信息，還能通過多普勒效應(yīng)測量自己的三維速度。GPS是最早民用的，成本低，而且尺寸小，所以實用范圍最廣。但衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號容易受建 筑、樹木等遮擋物影響，在室內(nèi)甚至接收不到信號。如果單純使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行無人機的飛行控制，當(dāng)信號出現(xiàn)斷續(xù)，結(jié)局就只有炸機了。
慣性測量元件：包括加速度計和陀螺儀，即角速度計。根據(jù)物理學(xué)原理，加速度的積分是速度，速度的積分是位置，角速度的積分是角度，所以理論上單靠慣性測量元件就可以感知這15個狀態(tài)量。
實際上，在還沒有GPS之前，導(dǎo)彈上通常裝著價值幾百萬的高精度慣性測量元件，用以感知狀態(tài)并控制飛行（如下圖）。但是，慣性測量元件在測量過程中會累積誤差，就算是用在導(dǎo)彈上的高精密元件，在幾萬公里的飛行中累積的誤差可能高達(dá)幾公里。
用在無人機上的低成本MEMS慣性測量元件的精度就更差了，幾秒鐘就能發(fā)散到幾十米外去，而且這種偏差基本不能通過算法修正，必須其它元件配合著來。
地磁指南針：用于測量航向，即飛行器的機頭是朝南還是朝北。這是組合導(dǎo)航系統(tǒng)中非常重要的一個狀態(tài)量。地磁指南針可以測量出穿過自身的地球地磁強度，從而指出相對于地球地磁線的偏轉(zhuǎn)。但由于地磁線的強度非常弱，無人機工作時，機內(nèi)的無刷電機產(chǎn)生的磁場對地磁指南針的干擾極大。
氣壓計：由于地球表面海拔越高氣壓越低，因此氣壓計可用于測量海拔高度。不過，尺寸和重量都適用于無人機的氣壓計，很容易受到溫度、濕度、空氣流速、光照、振動等諸多因素影響，所以單靠氣壓計基本無法實現(xiàn)對高度的穩(wěn)定測量。
受益于信息論之父克勞德.香農(nóng)的理論，我們知道：信息可以用來估計狀態(tài)，越多的信息可以把狀態(tài)量估計得越準(zhǔn)。經(jīng)過多年實踐，人們研發(fā)出結(jié)合GPS、慣性測量元件、地磁指南針和氣壓計各自優(yōu)缺點的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。（致敬大師香農(nóng)）
具體來說，GPS可以獲得三維位置和三維速度，慣性測量元件也可以，在通過地磁指南針獲得航向的基礎(chǔ)上，兩套系統(tǒng)對三維速度的觀測就可以融合起來——通過GPS的測量值來發(fā)現(xiàn)并抑制慣性測量元件的發(fā)散，而被抑制住發(fā)散的慣性測量元件就可以更準(zhǔn)地測量三維角度和三維加速度。
GPS和慣性測量元件可以相輔相成，而氣壓計和GPS的配合也提高了高度測量的精度，地磁指南針、GPS和慣性測量元件的協(xié)同合作又提高了航向測量的精度……整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性得到極大地提高。這個系統(tǒng)很強大，但對GPS的依賴太大，反而局限了無人機的應(yīng)用場景。
這兩年來，包括大疆在內(nèi)，無人機業(yè)界都在尋找能夠在GPS不能使用的環(huán)境中使用的技術(shù)。這些嘗試包括超聲波定位，以及近來很熱門的視覺感知，比較成熟的系統(tǒng)有光流測速和視覺里程計。
超聲波定位：有收、發(fā)兩個探頭，通過發(fā)出和接收超聲波的時間差，計算導(dǎo)致超聲波反彈的物體與探頭的距離。這種模塊成本很低，淘寶上10塊錢就能買到一個能比較準(zhǔn)確測量幾米內(nèi)物體距離的超聲波模塊，所以在很多大學(xué)生制作的小機器人身上都能見到。
但是，它發(fā)出的聲波容易發(fā)散、反彈聲波的物體不在探頭正前方、容易被空氣中的水霧和震動等影響，最終導(dǎo)致給出完全錯誤的觀測，所以目前在用的超聲波模塊都在底部，用于測量無人機自身和地面的距離。
視覺感知：利用一個或多個相機構(gòu)成的視覺傳感系統(tǒng)，通過二維的相機圖像推算出視野中某些物體的相對運動信息，假定這些物體是靜止的，就可以反推視覺傳感器本身的運動信息。目前，有兩種已經(jīng)比較成熟的視覺感知系統(tǒng)：光流測速模塊和視覺里程計。
光流測速模塊 顧名思義就是用來測速度的，通常由一個相機、一個慣性測量元件、一個超聲波模塊構(gòu)成?；?981年計算機科學(xué)家發(fā)明的Lucas-Kanade算法，通過計算出連續(xù)拍攝的圖片上的光流可以反解相對運動的速度。
30多年來，Lucas-Kanade算法始終被公認(rèn)為最好的“光流追蹤”算法，但是它有幾個局限：
它包含很多假設(shè)，比如假設(shè)連續(xù)圖片的平均亮度相同、圖片中的物體只發(fā)生平面運動等等。
因為相機圖像的單位是像素，所以光流算法只能給出“你現(xiàn)在的速度是10個像素每秒”，至于10個像素是1厘米還是1米就不知道了。恢復(fù)尺度的方式是增加一個超聲波模塊測量平面運動離相機的距離，這樣就能夠把像素運動轉(zhuǎn)換成真實的運動。
要讓光流測速模塊在晃來晃去的無人機上也能使用，必須通過搭配慣性測量元件，找出圖像所代表的平面。
光流測速模塊通過三維速度積分得出三維位置的過程也會發(fā)散，必須和組合導(dǎo)航技術(shù)中除GPS之外的傳感器妥善融合之后，才能做到懸停時測量的位置不發(fā)散。
光 流測速模塊已經(jīng)形成了非常標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。大疆悟以及精靈3上都裝載了自主研發(fā)的光流測速模塊，而著名的開源飛控Pixhawk中也有光流測速模塊，并且 開源了所有的代碼和硬件方案。所以光流測速模塊目前已經(jīng)廣泛出現(xiàn)在了各大廠商的多旋翼飛行器產(chǎn)品上，比如小米無人機，零度Dobby，以及尚未上市的 HoverCamera等。
視覺里程計相比光流測速模塊，雖然少了一個超聲波模塊，但從軟件算法上進(jìn)行了優(yōu)化，通過圖像反推出視野中物體的平面運動以及三維位置，并基于這些物體的三維位置做很多次的優(yōu)化計算，增加了直接測量位置的能力。
目前比較優(yōu)秀的視覺里程計飛行100米會積累十幾厘米到幾十厘米的誤差，雖然比起導(dǎo)彈上幾百萬的慣性測量元件還是差了很多，但考慮到視覺里程計的價格以及應(yīng)用場景，它的性價比非常高。
視覺里程計中最簡單的是雙目立體視覺系統(tǒng)加 慣性測量元件， 1980年代NASA工程師、著名機器人學(xué)家漢斯-莫拉維克就已經(jīng)制造出了這種狀態(tài)測量系統(tǒng)。在經(jīng)年累月的優(yōu)化之后，2004年，NASA成功把視覺里程 計和慣性測量元件構(gòu)成的視覺定位系統(tǒng)裝在“機遇號”和“勇氣號”火星車上，讓火星車通過一對雙目相機非常準(zhǔn)確地記錄自己走過的路線。
最 難的視覺里程計是單目視覺系統(tǒng)加慣性測量元件。單目視覺系統(tǒng)由于只有一個相機，沒有視差，沒法做簡單的幾何關(guān)系的解算，所以算法必須能智能地在局部范圍內(nèi) 同時估計很多個物體的位置，然后在自身移動過程中通過位置移動產(chǎn)生視差，然后進(jìn)行多個物體的位置的最大似然估計，從而推算出這些物體比較準(zhǔn)確的位置。
這個過程包括很多個環(huán)節(jié)，大部分環(huán)節(jié)在學(xué)術(shù)界都沒有公認(rèn)最優(yōu)的方案，因此還沒有成熟的技術(shù)，是目前非?；钴S的研究方向，美國的賓西法尼亞大學(xué)、瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、英國的牛津大學(xué)、我國的香港科技大學(xué)等在這個領(lǐng)域是相對領(lǐng)先的。
而對于領(lǐng)先技術(shù)的探索應(yīng)用，基本就代表了無人機的代際發(fā)展，所以可以看出，目前無人機已從能飛發(fā)展到了第四代，即能夠比較智能地飛。
最后的最后，看看出貨量幾乎占消費無人機市場70%的大疆做到了哪一步。
在 2016年3月最新上市的精靈4上，大疆用了GPS+慣性測量元件+氣壓計+地磁指南針+超聲波模塊+雙目視覺系統(tǒng)等六種傳感器技術(shù)。而且，精靈4的雙目 視覺系統(tǒng)有兩套，一套向前看，一套向下看，共4個相機；慣性測量元件和地磁指南針也都有兩個，都是雙冗余。當(dāng)工作中一個受到嚴(yán)重干擾時，系統(tǒng)會自動進(jìn)行備 份切換，用另一個補上，以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。
基于這套傳感器系統(tǒng)，當(dāng)有GPS信號時，系統(tǒng)以GPS為主進(jìn)行狀態(tài)測量，視覺里程計可以提供額外的速度和位置的測量以進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度；GPS信號不好的時候，視覺里程計可以接替GPS為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的觀測。
特 別說明一下，兩套雙目立體視覺系統(tǒng)還帶來了視覺里程計之外的兩個好處：1. 向下看的一套雙目立體視覺系統(tǒng)可以探測下方地面上物體的三維位置，從而知道地面的距離；2. 向前看的一套雙目立體視覺系統(tǒng)可以用來探測前方場景中物體的深度，產(chǎn)生深度圖進(jìn)行障礙感知。深度圖可以用于重建一個飛行器周圍的局部地圖，以進(jìn)行精細(xì)的運 動規(guī)劃，這就是精靈4指點飛行的基礎(chǔ)。
在某些友商在埋頭想著怎么撈點錢的時候，看到大疆繃著勁鉆研技術(shù)、解決用戶們的痛點、帶著無人機產(chǎn)業(yè)往前跑，作為一名從業(yè)者，十分感慨！
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