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无人机七大技术革新 开启2017“智飞”新局面

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作为全球无人机热爆发的原点,2016被称为“无人机元年”一点都不为过。这一年里,“无人机+”的概念从消费级开始引爆,进而广泛延伸到商用及工业领域。随处可见的“无人机+自拍/跟拍”、京东和亚马逊今年开启的“无人机+物流”、台湾地震上的“无人机+救灾”、春晚演出上的“无人机+表演”、农业应用上的“无人机+植保”、输电线路上的“无人机+巡线”以及百度地图上的“无人机+测绘”等应用,都表现出无人机在各大领域扮演着越来越重要的角色。

2016年,无人机在技术领域取得了多项突破。续航方面,最高的续航时间从60min提高到了273min,足足翻了四倍左右;在跟拍技术方面,低精度的GPS定位导航追踪技术正逐步被“RTK+多目视觉图像追踪”的混合式跟拍技术所取代;在图传模块上,Lightbridge技术也成为主流,未来有望逐步取代老旧的Wi-Fi图传;更为突出的则是无人机的避障技术,过去可靠性不强的结构光投射和单一的超声波避障技术逐步被摒弃,而“双目视觉+超声波”及基于主动近红外照射技术的“夜间避障”将成为主流。除此之外,无人机技术在云台增稳、定点悬停、主控芯片等多个领域也取得了前瞻性的进步。下面一一解读。

续航技术:氢燃料、太阳能电池提升生命力

多年来,续航能力一直是困扰无人机技术发展的一大难题。近几年,无人机续航能力的增幅缓慢,消费级从10分钟到25分钟封顶,而商用机最高也只能达到60分钟,无法跟上无人机快速增长的行业需求。特别是2015年,消费级无人机的平均续航时间普遍仅在20分钟左右,且最高也只能达到25min左右,商用机也顶多1个小时,很是鸡肋。这就令广大无人机用户在外出飞行和作业时不得不携带多块电池备用,造成操作的诸多不便。因此,无人机续航能力低下的局面急需改变。

为此,2016年诸多企业在该领域做出了新的尝试,并取得了成功。以我们熟知的大疆和科比特为例,在2016年下半年,大疆发布的Phantom 4 Pro的续航时间就达到了30min,相比过去提高了5min左右,已经达到了当前消费级无人机续航时间的安全限制水平;与此同时,商用级无人机供应商科比特在今年也脱颖而出,其在4月份发布的HYDrone-1800无人机采用了氢燃料电池代替了传统的锂聚合物电池,使得续航时间提高了4倍多,达到业内最高水平的273min,这就让无人机能够有效应对一些高海拔、高气压的极端困难的作业环境。

而另一方面,太阳能电池也日渐成为无人机续航技术领域发展的一大新趋势。前不久,无人机太阳能解决方案开发商Alta Devices就为无人机制造商C-Astral研发的新一代无人机提供了太阳能技术,该技术极大的提升了无人机的续航能力,而这款新型太阳能电池以31.6%的太能效率打破了世界记录,可以使无人机至少可以再多飞行两个小时,与此同时这款太阳能供电技术还可以做到延长无人机的飞行时间而不会影响高性能飞机设计。在当前这个提倡“低碳环保”的时代,太阳能电池技术的应用将助力无人机实现进一步“飞跃”,在无人机对续航能力需求日益旺盛的趋势下,太阳能电池也必将是广大无人机厂商的一个新选择。

跟拍技术:“RTK+图像追踪”革新 人工智能助阵

在全球智能化浪潮的侵袭下,手机、家居以及我们身边的日常生活用品都被嵌入了“智能”元素,无人机也不例外。过去,无人机一直都是通过人为控制来掌控其运行状态,这种方式一方面使得无人机的飞行距离大大受限,另一方面,也为操作者增添了许多不必要的麻烦。因此,在“万物智能”大趋势的催动下,无人机智能跟拍技术也逐渐浮出水面。

目前,在无人机跟拍领域,活跃着两大流派:一种是基于GPS卫星定位的跟拍技术;另一类则是相对高端的“RTK+图像追踪”技术。但在如今的市场上,图像追踪技术的应用却并不如GPS卫星定位技术普遍,究其原因主要是GPS卫星定位技术开发成本低、技术成熟且性价比高,因此被广泛采用,但GPS定位追踪也存在着诸多的缺陷,定位精度低、可靠性不强以及易受干扰等壁垒也使其在无人机领域的发展受到限制。

相比之下,“RTK+图像追踪”正在成为新的革命力量,引导着无人机跟拍技术的发展,基于RTK技术(实时动态差分法)的无人机定位系统能够通过实时获取卫星导航信号和RTK差分定位信息,来实现高精度的GPS导航定位,能够极大的提升GPS定位导航的精度,比如今年极飞开发的P20V2就采用了军用级别的RTK定位模块,让航线的精度达到了厘米级,不仅让农业植保的喷洒更为精准,同时也能够更好的避开障碍物。

而且图像追踪技术的发展也让行业看到了一个新的方向–人工智能。它主要是通过根据无人机所定位到的图像信息来进行目标的跟踪,该技术主要涉及图像识别和图像跟踪两大方面,尤其是在目标运动的场景当中,图像背景变化较小而目标形态变化较大的情况下,对目标准确的跟踪就需要上升到深度学习技术的水平,这是当前人工智能的一个热点研究方向。具体案例有大疆的精灵4、精灵4 Pro和御Mavic,它们都采用了图像(识别)追踪技术,令无人机的智能化水平再度提升。未来随着深度学习技术进一步的发展以及AI芯片等硬件技术的逐步落地,无人机的图像识别精准度以及对环境变化的识别能力都会进一步提高,同时技术成本也会大幅降低,这已成为无人机“跟拍”技术新的突破口。

图传方式:Wi-Fi将被Lightbridge技术取代

作为无人机航拍的核心模块之一,图像传输系统已日渐成为衡量无人机航拍能力的一大重要因素。根据调查显示,目前市场上广泛使用的图传方案普遍是基于Wi-Fi协议的传输方案,它主要考虑消费电子产品之间的局部互联性,而多数设备的通信用于几米到数十米之间,Wi-Fi协议为了能够照顾到这些低成本应用,链路性能会相对偏弱,从而进一步导致Wi-Fi的收发机链路性能偏弱,无法检测微弱信号或者在一定干扰环境中检测到有用信号,导致抗干扰性和可靠性直线下降。除此之外,由于Wi-Fi采用传统协议栈,建立链接或者失步后重新建立链接时间较长,约在数秒到十多秒,实践在无人机上也是“漏洞百出,备受诟病”,比如昊翔的Typhoon H就是采用这种图传方案,有不少用户都表示昊翔的Typhoon H使用的Wi-Fi图传干扰严重,且直线可视距离最长仅为1km。

而Lightbridge技术就显得更加“统筹兼顾”,它主要是采用软件来定义无线电技术(SDR),摆脱了Wi-Fi传输在距离和带宽上的突出矛盾。具体来讲,高效的数字压缩技术和信道传输技术是Lightbridge的主要特色,这两种优势使得其在各种不利的无线传输场景下均能获得稳定的高清视频流传输,同时在相同发射功率下,巨大的链路余量也能够明显增强无人机的抗干扰和遮挡的能力。就拿Lightbridge中的一项典型应用OcuSync为例,由于在低延迟与图像接收性能之间做了平衡折中,OcuSync的遥控命令传输时延低达5ms,视频数据无线链路的传输时延低到10ms,且视频内容屏到屏延迟低达130ms,可以保障无人机在各种复杂无线环境中表现均可靠有效。同时在灵敏度、抗干扰性能、抗衰落性能、高速移动、多设备等多个场景下均表现突出,且性价比高,建立链接和重新建链时间也可以低至1秒以内,各项性能大大优于Wi-Fi图传方案。

在无人机图传收发系统越来越考虑性价比和可靠性的趋势下, Lightbridge技术的行业主导性是越来越高,其“统筹兼顾”的特性在未来更是无人机各大厂商的首选,同时也必将成为图传技术的新一代“引领者”。

云台增稳技术:“机械”与“电子”各占半壁江山

在高空航拍过程中,相机的稳定可谓是一个非常重要的环节,而无人机相机稳定的关键模块,云台增稳技术的重要性也日益凸显出来。纵使在几千米的高度上误差个几分几秒,最终的结果就能差出去几十米,而云台增稳模块则主要考察其增稳精度、兼容性(一款云台能适配几款相机和镜头)和转动范围(分为俯仰、横滚和旋转三个轴)三个问题,如果遇到变焦相机,就更加考验云台的增稳精度了,因为经过长距离的变焦,一点点轻微的震动都会让画面抖动得很厉害。

而目前的无人机增稳技术主要有两种,一类是基于物理模块来对相机进行增稳的物理稳像技术/机械增稳技术;而另一类则是通过内置传感器结合各种图像修正算法来实现增稳的电子稳像技术。机械稳像最初是在专业相机拍摄领域兴起的,目前应用在无人机上的方案主要有两种,一种是通过减震球吸收相机的抖动,以达到稳像的目的,在这个方面法国派诺特的Bebop无人机颇具代表性;而另一种方案是通过传感器感知机身的动作,然后在通过无刷电机驱动让相机保持原来的位置,抵消机身晃动或者震动的影响,而目前使用这种方案的大疆Mavic比较具有代表性。相比机械稳像,电子稳像技术(EIS)就不那么成熟了,它是最近几年刚提出来的一个新概念,主要是通过传感器与嵌入算法相结合来对最终的图像进行修正来达到稳像目的,不过EIS稳像技术在无人机的应用上容易出现“果冻效应”,且当前还存在无法录制流畅的4K或高帧率视频、拍摄角度无法精准调整、视频裁剪过程容易造成画面黑边以及画质损失等几大技术瓶颈,未来的发展有进一步深化。

不过,考虑到EIS技术当前不成熟的现状,在未来几年,机械稳像技术仍将继续占据领先地位。笔者在不久前采访星图智控科技研发工程师林翰时,他认为未来的主流将属于机械与电子稳像“一体化”的方案,在外部物理模块实现自主机械校正的同时,内部的“传感器+算法”也将持续发挥作用,实现二次校正,稳像的效果将会大幅提升。

来源:华强电子网

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