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Themis 3D+系列之:中国无人机行业及技术介绍

来源:www.lustervision.com    日期:2017-03-31    点击次数:

自从1903年莱特兄弟成功试飞第一架载人飞机之后,人类对翱翔天空的探索就从未停止过。直至1935年DH.82B蜂王号无人机的出现,飞行器能够自动飞回起飞点,使无人机的重复使用成为可能。蜂王号最高飞行高度17000英尺(约合5182米),最高航速每小时100英里,在英国皇家空军一直服役到1947年。这也是第一架具有实战意义的无人机。时至如今,无人机被广泛应用到各个行业,比如:农业的农药喷洒、森林灭火;物流的配送;人工降雨;安防类的指挥调度、灾情监控;电力巡查和水利检测。无人机除了在这些工业类使用之外,在人们的日常生活中使用无人机航拍也随处可见,比如婚宴现场、演艺活动、广告拍摄及体育赛事转播等。

随着中国科技的发展,中国逐渐从“中国制造”向“中国创新”过渡。无人机的概念与3D打印、虚拟现实等新名词一同,成为了时下最热门的行业。本期文章将简单介绍中国无人机市场的发展情况、无人机不同类型及主要的技术以及消费类无人机定位方案。

无人机市场发展情况

截至到2014年底,我国的无人机(UAV)销量约为2万架,其中民用无人机几乎占据了所有份额——98.6%,而军用无人机仅占约1.4%,根据中投顾问的分析与预计,到2020年中国无人机年销量将达到29万架。政策方面,受低空逐步开放的利好,国内无人机行业发展十分快速,未来5年内年均增长率保持在50%,在销售额方面,2014年中国民用无人机销售规模已达到40亿元。因此,民用无人机巨头们也将迎来光明的发展前景。

企业名称 收入水平 无人机类型
北京中航智科技有限公司 1亿元左右 专业级
深圳市大疆创新科技有限公司 30亿元左右 消费级
武汉易瓦特航空技术股份有限公司 1.5亿元左右 专业级为主
零度智控(北京)智能科技有限公司 1400万元左右 消费级为主
深圳市亿航科技有限公司 150万左右 消费级为主

表格1:中国民用无人机企业收入与产品类型(来源:中投顾问产业研究中心)

根据前瞻产业研究院发布的《2015-2020年中国无人机行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》显示,目前,我国从事无人机行业的单位有300多家,其中规模比较大企业有160家左右,形成了配套齐全的研发、制造、销售和服务体系。目前在研和在用的无人机型多达上百种,小型无人机技术逐步成熟,战略无人机已试飞,攻击无人机也已多次成功试射空地导弹。保守估计,中国无人机当前产值在36-40亿人民币之间。未来我国军用和民用无人机将由2013年的6.2亿美元增至2022年的22.8亿美元,十年(2013-2022年)需求总额将超过134亿美元,十年复合增长15.57%。

一、中国UAV类别

未来国内民用无人机市场并不亚于军用无人机。无人机集合机器人技术与算法、传感器、任务载荷设备,并接入外部网络,用于完成各种用途广泛而复杂的任务,比如:农林植保、影视航拍、电力巡检等领域。总体而言,中国借鉴美国对民用无人机监管逐步放松的历程,及国内民用无人机政策的法规、低空空域改革的深入,我国民用无人机行业会呈现出大幅度增长的趋势。

关于国内无人机的分类,大致可以根据按照不同平台构造和不同使用领域划分,如下:

①按照不同平台构造分类

无人机可主要分成三大平台,即固定翼无人机、多旋翼无人机和无人直升机,除此之外还有小众类,如伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等。目前,固定翼无人机是军用和大多数民用无人机的主流平台,其特点是飞行速度快;多旋翼无人机是小飞机和部分民用的首选平台,灵活性在固定翼和直升机之间(起飞降落需要推理),但操纵简单,成本较低;无人直升机是最灵活的无人机平台,可原地垂直起飞和悬停。

图2:固定翼无人机

图3:多旋翼无人机

图4:无人直升机

②按照不同使用领域分类

军用、民用和消费类是无人机三大不同领域分类,主要是根据无人机的性能侧重点进行区分。(1)军用无人机对于灵敏度、飞行高度、速度和智能化有最高的要求,是技术水平最高的无人机;(2)民用无人机对速度、升限和航程要求较低,但对于操控人员素质的培训、综合成本有较高的要求。目前国内民用无人机最广泛的应用在于政府提供公共服务,如警用、消防、气象观测等,占据了总需求的70%。但对于未来无人机市场潜力最大的还会在民用,比如农业植保、货物速运、空中无线网络和数据获取等领域;(3)消费级无人机采用成本较低的多旋翼平台,来用来航拍、游戏等娱乐休闲用途。

在以上不同原理、不同应用领域中,因优良的操控性能及操控带来的娱乐性,使多旋翼迅速成为航拍和航模运动领域的新星,但这仍然需要专业人员调试或装配飞机。2012年底,中国大疆公司推出四旋翼一体机——小精灵Phantom。

图5:大疆Phantom

因该产品极大地降低了航拍的难度和成本,获得了广大的消费群体,成为迄今为止最热销的产品。之后短短两年里,围绕着多旋翼飞行器相关创意、技术、产品、应用和投资等新闻层出不穷。目前,多旋翼已经成为微小型无人机或航模的主流。比如在2015年的中国国际模型博览会和农业展览会上,多旋翼无人机随处可见。随着大疆产品的走热、各种相关技术的不断进步、开源飞控社区的推动、专业人才的不断加入,以及资本的投入等等因素,多旋翼技术得到迅猛地发展。在技术层面的革新与发展,也有了显著的成效。同时在众多消费级无人机厂商中可通过比对分析无人机的飞行控制、相机图传和云台的参数来区分无人机的级别。

二、无人机主要技术因素

①无人机飞行控制技术

<无人机实现自主飞行或遥控驾驶的关键技术是飞行控制技术,飞控能够稳定无人机飞行姿态,并且控制无人机自主或半自主飞行,飞控系统需要在无人机飞行过程中实时获取无人机自身的位置(X、Y、Z)、速度(v)、姿态(Pitch、Yaw、Roll)、角速度(ω),这些参数通过无人机上的各种传感器获取。

图6:无人机飞行控制示意

②无人机相机图传技术

图传主要考察的指标是传输距离、延时性和清晰度,消费级主流的方案使用2.4G Hz Wifi图传,传输距离在500-800米左右。高清图传的传输距离更远、延时性更低和更高分辨率的画质,对视频的编解码要求都很高,目前的高清图传方案都非常昂贵,一般只有准专业级和专业级的航拍才会配高清图传,零度智控的SMART方案里包含了消费级无人机的高清图传。

③无人机云台技术

云台是在无人机上安装并固定相机或摄像机的支撑设备,可分为固定和电动云台两类。无人机在空中收到风影响的颠簸可能会导致相机成像的抖动,因此一个稳定的云台对航拍输出取到关键性的作用。

固定云台:大疆的Phantom一代产品使用的就是固定云台,将相机与飞行器固定在一起,运用调整飞行角度调整航拍视角。其优点是减少成本、减轻重量、省电,缺点是航拍画质较差、无法改变视角;

电动云台:电动机接收控制器的信号来自动或人工操控下跟踪监视对象。其优点是航拍时的画面有全方位的稳定,保证画质清晰稳定;缺点是造价较贵,由于电机控制会降低航拍的续航时间。

三、多旋翼机现有的定位方案

无人机上常见的传感器由GPS、IMU(惯性测量装置)、超声波传感器、图像传感器。

其中:GPS可以用来测量经纬度、高度和速度,提供无人机的位置信息;IMU包括加速度计和陀螺仪,分别得到无人机的加速度,积分可得到无人机的速度和角度,提供无人机的姿态信息。

然而,由于GPS结果受信号影响很大,很依赖于信号强度,必须在开阔的地方使用,在复杂环境中容易出现信号丢失情况。故而,引入光流定位模块,解决GPS信号强度低时无法定位的问题(尤其是室内情况)。

光流定位技术由图像传感器、IMU(惯性测量)、超声波传感器结合而成,其中位于无人机底部的图像传感器将获取下方的图像信息,利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧与当前帧之间存在的对应关系,从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的,进而推算出无人机的相对位移与速度;超声波传感器可以获得无人机的高度信息,IMU提供无人机的姿态信息,这样就可以获得无人机的六自由度信息(X、Y、Z、Pitch、Yaw、Roll)。

由于,GPS在室内情况下基本没有信号,且易受环境干扰,室内情况下,光流定位精度不高。因此,为满足室内高精度定位需求,常采用外部设备辅助定位的方式,为无人机提供高精度定位,即光学室内定位。

四、光学室内定位介绍

通常高精度室内定位分析采用光学运动捕捉系统,光学运动捕捉系统,是通过已知位置的相机阵列,采集标记点(Marker)的图像信息,经过处理后计算出标记点(Marker)的位置信息。为便于识别,运动捕捉相机采用近红外光方式,由相机上的LED灯发射近红外光,经标记点(Marker)反射,被相机接收,在相机图像中Marker点与背景对比强烈,因此便于识别,这样就减小了可见光对运动捕捉系统的影响。

OptiTrack是一家专注与运动捕捉系统的公司,其所推出的高精度光学运动捕捉系统性能优良,最大可以搭建30m*30m的捕捉空间;采用850nm近红外光照明,能有效避免其他光源干扰;领先的3D重建、刚体解算精度,实时定位精度能有效控制在0.5mm,最高可达0.1mm;开源接口,支持实时数据传输。

具体的方案说明请见下表:


Prime系列拥有130万、170万和410万像素的运动捕捉摄像机,配置镜头、照明、滤光片的专利技术,和高精度的图像处理算法,是业界高性能运动捕捉设备的典范。

数据接口:千兆网

供电模式:PoE/PoE+

LED:850nm红外


Flex系列包括30万和130万像素的运动捕捉摄像机,机型小巧,携带便捷。杰出的性价比和亚毫米级定位精度可以满足个人级的智能机器人研究需求。

数据接口:USB 2.0

LED:850nm红外


Motive: Tracker能够实时重建被追踪物体的三维空间的位置和姿态信息,支持追踪刚体或非刚性的点云的轨迹。

使用简单:一键创建刚体,标定和设置仅需5分钟

精确定位:先进的点云和刚体解算能力,定位精度高达0.1mm

实时数据:实时获取位置和姿态的六自由度数据

开发性:软件SDK开源,支持自定义开发数据流接口

扩展性:系统可接入的摄像机数量无限制

同步性:通过eSync同步外部设备或信号

Prime系列产品比较:

型号
分辨率 帧速 视场角 最远捕捉距离
Prime 41 2048×2048
180FPS 51° 30m
Prime 17W 1664×1088
360FPS 70° 15m
Prime 13 1280×1024
240FPS 56° 12m
Prime 13W 1280×1024
240FPS 82° 6m
**其中Prime41、Prime17W支持户外阳光下使用

Flex系列产品比较:

型号 分辨率 帧速 视场角 最远捕捉距离
Flex 13 1280×1024
120FPS 56°
5m
Flex 3 640×480 100FPS 58°
5m

相关产品介绍请点击这里

相比于其他飞行定位的方案,三维红外运动捕捉系统拥有五点优势:

1.室内定位:室内环境下没有GPS信号,无人机无法定位;

2.高速:摄像机的拍摄速度在100FPS以上,能够提供冗余的定位信息;

3.高精度:位置坐标精确到0.1mm,姿态角精确到0.1°,远高于其他的定位方案;

4.鲁棒性:跟踪固定在无人机上的刚体,跟踪数据几乎不会丢失;

5.价格:自主编队飞行的成本较低。

无人机开发人员可以运动三维红外运动捕捉系统进行无人机飞行控制精度的验证,调整飞控参数,优化飞控系统。

总结

作为新兴行业,本文简单阐述了无人机行业发展情况、不同类别与技术因素、技术参数并列举了无人机定位方案和光学室内定位技术。在下一章的内容,我们将着重详细剖析多旋翼机的定位方案及具体参数。欢迎各位看官关注。