(2)多旋翼無人機技術(shù)發(fā)展淺析

一.前言

????上一篇中回顧了多旋翼無人機的發(fā)展史,對多旋翼無人機領(lǐng)域的現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢進行了淺析,本篇將對多旋翼無人機的技術(shù)發(fā)展進行回顧,剖析多旋翼無人機的技術(shù)組成。

二.多旋翼無人機技術(shù)發(fā)展歷程及未來技術(shù)發(fā)展趨勢淺析

????眾所周知,多旋翼無人機因其機械結(jié)構(gòu)簡單,操作便利而深受廣大航模愛好者喜愛。最初的多旋翼無人機由以下幾部分組成(這里稱為階段一):

1.????IMU(慣性測量單元),用于測量多旋翼飛行器的三軸加速度、角速度。


IMU

2.????氣壓計,用于測量多旋翼飛行器的海拔高度。

3.???遙控接收/發(fā)送模塊,用于提供多旋翼飛行器的手動操作功能。


遙控器

4.????動力系統(tǒng),包括電機、槳葉,用于提供飛行器升力及扭矩。


動力系統(tǒng)

5.????機身骨架,用于安裝以上各模塊。


機身骨架

????與傳統(tǒng)的無人機相比而言,多旋翼無人機的組成可以說是相當?shù)暮唵瘟耍@也是其受眾較廣的原因之一。然而,也正因為如此,最初的多旋翼無人機只能實現(xiàn)較為簡單的功能,如飛行器姿態(tài)穩(wěn)定以及高度穩(wěn)定等。同時,盡管其操作相比其他無人機簡單許多,但對于毫無操作經(jīng)驗的一般用戶而言,操作一臺這樣的多旋翼無人機依然存在較大難度。這也是多旋翼無人機行業(yè)發(fā)展緩慢的重要原因之一。在當時,航模愛好者們僅僅將其當作航模飛行器。

????工程師們不滿足于當時的多旋翼飛行器,既然多旋翼飛行器存在這么多的優(yōu)點,為何不好好挖掘一下它的潛力呢?終于,在工程師與技術(shù)愛好者們的努力下,多旋翼無人機開始往自主飛行的方向發(fā)展(這里稱為階段二)。工程師們在階段一的基礎(chǔ)上,對多旋翼無人機的組成進行了優(yōu)化升級,添加了:

1.???GPS模塊,用于測量飛行器的速度、位置等信息。


GPS模塊

2.? ??磁力計模塊,用于測量飛行器所處環(huán)境的磁場場強。


磁力計模塊

3.????圖像傳輸模塊,用于傳輸實時圖像數(shù)據(jù)。

? ??

圖傳模塊

4.? ??相機及其他負載,用于拍攝照片以及視頻等。


相機負載

? ??這一階段的多旋翼飛行器已經(jīng)能夠較容易實現(xiàn)懸停飛行以及半自主飛行(基于人工設(shè)定航點任務(wù)的自動飛行功能),同時,能夠搭載不同負載,實現(xiàn)原本大型航拍器才能實現(xiàn)的航拍以及測繪等任務(wù)。然而,僅僅具備基本的業(yè)務(wù)能力與飛行能力無法大批量推向市場。

??? 于是,工程師們繼續(xù)在多旋翼無人機的穩(wěn)定性上投入大量精力(這里稱為階段三)。這一階段的多旋翼飛行器加入了以下傳感器/功能:

1.????超聲波/TOF測距儀


超聲波模塊


TOF測距模塊

2.? ??光流傳感器

3.? ??雙目相機


雙目相機

4.? ??毫米波雷達/激光雷達


毫米波雷達


激光雷達

5.? ? 多傳感器冗余/系統(tǒng)級冗余

????同時,考慮到飛控主控芯片運算能力有限,采用運算性能更強、外設(shè)資源更豐富的機載計算機執(zhí)行獨立的視覺算法以及智能算法。在這些傳感器的輔助下,多旋翼飛行器能夠?qū)崿F(xiàn):

1.?? ??低空高精度懸停

2.?? ??自主避障

3.?? ??半自主路徑規(guī)劃

4.? ??傳感器故障情況下的容錯

? ??這些功能大幅提升了飛行器的飛行穩(wěn)定性,降低了多旋翼無人機的操作難度,使得毫無飛行經(jīng)驗的用戶也能夠做到上手即飛。消費級多旋翼無人機市場在這一階段進入高速發(fā)展時期。于此同時,下游的供應(yīng)商也隨著消費級多旋翼無人機市場的發(fā)展而日趨成熟。消費級多旋翼無人機的配套傳感器成本迅速下降,這也為多旋翼無人機的小型化與降本提供了巨大的幫助。

????隨著傳感器與芯片的成本下降,消費級無人機開始進入小型化與降本的階段。大量微型多旋翼無人機應(yīng)運而生,這些微型無人機介于小型航拍無人機與玩具級無人機之間,具備完整的多旋翼航拍無人機功能,價格更為親民。

????相比而言,行業(yè)級多旋翼無人機卻顯得發(fā)展緩慢,我認為,主要原因有以下幾點:

1.?? ??行業(yè)級多旋翼無人機需求量相對較小,然而由于機身多采用碳纖結(jié)合機加工件組合的形式,導致其生產(chǎn)周期長,公差較消費級多旋翼無人機的塑料開模機身更大,質(zhì)量把控難度更高。

2.?? ??行業(yè)級多旋翼無人機出貨量較小,供應(yīng)商體系不成熟,導致整機成本相比消費級多旋翼無人機高出許多。

3.?? ??行業(yè)級多旋翼無人機多以項目采購為主要銷售途徑,不如消費級多旋翼無人機市場透明。

4.?? ??行業(yè)級用戶對于多旋翼無人機認知尚淺,期望遠大于當前實際水平。

5.?? ??行業(yè)級用戶對于飛行器安全性的需求遠大于消費級用戶,當前的多旋翼無人機產(chǎn)品無法達到預(yù)期。

6.? ??行業(yè)級用戶需求繁多,在目前沒有成熟的行業(yè)規(guī)范支持下,行業(yè)級多旋翼無人機項目多以零散的定制項目為主,工作量大,需求量小。

三.? ??多旋翼無人機主流技術(shù)淺析

從技術(shù)層面看,當前的多旋翼無人機幾大主流技術(shù)分別為:

1.?? ??數(shù)字信號處理算法

2.?? ??傳感器數(shù)據(jù)融合及組合導航算法

3.?? ??姿態(tài)與速度控制算法

4.?? ??故障診斷技術(shù)

5.?? ??路徑規(guī)劃技術(shù)

6.?? ??容錯控制技術(shù)

前三項技術(shù)支撐了多旋翼無人機的穩(wěn)定飛行,后三項技術(shù)提高了無人機的容錯能力以及智能化程度。目前多旋翼無人機的幾大痛點:

1.?? ??使用環(huán)境復(fù)雜,使用者操作水平層次不齊導致的墜機率居高不下問題。

2.?? ??飛行時間較短,載重與續(xù)航時間存在不可調(diào)和的矛盾。

3.? ??攜帶便利性較差,使用頻率大幅度降低。

4.?? ??智能化程度較低,無法在復(fù)雜環(huán)境脫離人工操作,獨立執(zhí)行任務(wù)。

5.?? ??成本居高不下。

????由于以上幾大痛點的存在,行業(yè)級無人機發(fā)展緩慢。行業(yè)級用戶多為政府機關(guān)單位,使用者缺乏操作經(jīng)驗,然而其對于飛行器自身的穩(wěn)定性要求非常高,但由于飛行環(huán)境的不確定性,當前的多旋翼飛行器往往在執(zhí)行任務(wù)的過程中存在較高的墜機率,這也使得行業(yè)用戶對于多旋翼無人機的使用存在一定的畏懼心理。此外,行業(yè)級多旋翼無人機市場需求的挖掘還不夠充分,無法使用統(tǒng)一的飛行平臺去滿足不同行業(yè)用戶的需求,這也就間接導致了行業(yè)級用戶對于多旋翼無人機的使用欲望并沒有那么強烈。

????針對這一現(xiàn)狀,行業(yè)級無人機的未來必然會在安全性、操縱性、容錯性以及智能化等特性上進行大幅度的提升。通過組合多種傳感器的方式提升組合導航系統(tǒng)的可靠性,增加多旋翼無人機在復(fù)雜使用環(huán)境時的魯棒性,降低墜機概率,同時,優(yōu)化用戶操作邏輯,降低多旋翼無人機對于操作者的操作要求,提升用戶體驗,降低因操作導致的墜機概率。此外,對于飛行器自身的子模塊添加故障診斷系統(tǒng),在子系統(tǒng)故障時,及時切換算法策略,優(yōu)先保障飛行安全。最后,通過增加視覺、激光雷達/毫米波雷達等傳感器,提升多旋翼無人機的感知水平,使其具備全自主飛行的能力,滿足更普遍的行業(yè)用戶需求。如此這般,行業(yè)級多旋翼無人機市場才有可能進入快速發(fā)展期!

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