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多旋翼的(de)一些新(xīn)技术

动(dòng)力技术

①新型电池。2015年,来(lái)自加拿大蒙特利尔的EnergyOr技术有限公司采用燃料电池的四(sì)旋翼进行了2小时12分钟续航飞行。201546日,科学权威期刊《自(zì)然》网络版刊登了(le)一篇报道,一种铝(lǚ)电池(chí)仅需60秒(miǎo)便能让手机电力“满血复活”。此(cǐ)外,石(shí)墨烯、铝空气、纳米点这三项电池技术将成为未(wèi)来电池世界的三大奇兵。这些新的(de)电池(chí)技术有着十分迫(pò)切(qiē)的需求(qiú),首先会被应用到(dào)手(shǒu)机和电动汽车,随(suí)后可配(pèi)备多旋翼。

②混合(hé)动力。2015年(nián),美国初创公司Top Flight Technologies开发(fā)出混合动力六(liù)旋(xuán)翼无人机。它(tā)仅需要(yào)1加(jiā)仑(约(yuē)合3.78升)汽(qì)油便可以(yǐ)飞(fēi)行两个半(bàn)小时(可(kě)飞行约160公里),最高负重达20磅(约合(hé)9公斤)。

③地面(miàn)供(gòng)电。它采用地(dì)面供电,通过电缆将电能源(yuán)源(yuán)不断输送(sòng)给多旋翼,例如Skysapience公司的(de)Hoverlite

④无线充电(diàn)。来自(zì)德(dé)国柏林(lín)的(de)初创(chuàng)公司 SkySense在无人机(jī)户外充(chōng)电方面提供了一(yī)种解决方(fāng)案,他们研(yán)发出一块可以为无人(rén)机(jī)进行无线充电的平板。SkySense的最大特点是(shì)可以进行(háng)远程控制,无(wú)人机的(de)“降落—充电—起(qǐ)飞”全过程可以(yǐ)独立(lì)实(shí)现,不需(xū)要(yào)人为进行(háng)现场(chǎng)干预和辅助(zhù)。如果能(néng)够缩短充(chōng)电时(shí)间,那么无线(xiàn)充电技术将(jiāng)会极大地(dì)帮助多旋翼(yì)进行长途(tú)飞行。

导航技(jì)术

定(dìng)位是导(dǎo)航(háng)中的关键技术,目前该(gāi)领域发展迅速。

GPS载波相位定位。来自(zì)美国的Swift Navigation公司基于(yú)该项技术开(kāi)发的Piksi是一个低(dī)耗电、高性能的具(jù)备RTK功能(néng)的厘米级的GPS接收器。它的小型(xíng)化、高更新率和低能(néng)耗的特点(diǎn)使得它非常适合集(jí)成到自动(dòng)驾驶飞行器和便携的测量设备里。由日本东(dōng)京海洋大(dà)学开发的RTKLIB开源项目(http://www.rtklib.com/)也在积极推动RTK技术发展。

②多(duō)信(xìn)息源定(dìng)位。英(yīng)国军方(fāng)BAE最(zuì)近公(gōng)布(bù)了他们研(yán)发的名为NAVSOPNavigation via Signals of Opportunity)技术。该技术(shù)将利用包括TV、收音机、WiFi等信息进行定位,弥补GPS 的不足。

UWB (Ultra Wideband,超(chāo)宽带)无线定位。UWB信(xìn)号具有低(dī)成(chéng)本、抗多径干(gàn)扰、穿透能力强的优势,因此适用于静止或(huò)者移动物体以及人的定位跟踪,提供十分(fèn)精确的定(dìng)位精度,静态精度(dù)可达10厘(lí)米。通(tōng)过与惯性导航传感器融合,UWB可以(yǐ)提供更高的精度、更(gèng)强的(de)鲁棒性。

对于多(duō)旋翼无人机(jī),在飞行过程(chéng)中,快速且准(zhǔn)确地获取自身速度能有效地提高多旋翼控制的(de)稳定性(提高阻(zǔ)尼),从而达到(dào)更好的悬停(tíng)和操控效果(guǒ),因此测(cè)速工(gōng)作起到了十分重要的作用(yòng)。比较精确的(de)测速方案是通过“视觉(光流(liú))+超声波+惯导(dǎo)”的融合。Ar.Drone是最早采用该(gāi)项技术的多旋翼(yì)飞行器,它(tā)极大(dà)地(dì)提(tí)升了飞行器(qì)的可操(cāo)控性。PX4自(zì)驾仪开源项目提供了开源的光(guāng)流传(chuán)感器PX4Flow。该传感器可以帮助多旋翼在无GPS情况下实现精确悬停。

为了使多旋(xuán)翼完成(chéng)更好的飞行,避障技术(shù)无疑能够为其提(tí)供更加稳定的导航性能。

①深度相机避障技术。它的原理是先对场景投影结构光,然后分析(xī)红外(wài)传感器接收的(de)反(fǎn)光得到深度信息。微软在2010年(nián)推(tuī)出(chū)了深度相机Kinect。然而Kinect体积还是较大,并且在两米之外(wài)才能准确地识别用户(hù)手(shǒu)势。2014年,芯(xīn)片厂商(shāng)英特尔推出(chū)RealSense传感(gǎn)器,体(tǐ)积更小,使用距离更短。在2015CES美国消费电子展(zhǎn)上,英特尔把RealSense技术也应用(yòng)到了无人机上,以用于(yú)感知周围环境,进而自主避障。

②声呐系(xì)统避障技术。Panoptes公司(sī)拟推出(chū)Bumper4避障(zhàng)系统。它由指向(xiàng)多个(gè)方(fāng)向的超(chāo)声波传感(gǎn)器组成,通过测(cè)量多个方向的距离来判断障碍(ài)。

③“视觉+忆(yì)阻器”避障技术。美国 “Bio Inspired”公司(sī)期望利(lì)用视觉(jiào)和忆阻器(qì)(具有(yǒu)短(duǎn)期(qī)记忆效果的电阻器)使系统具备识别和短期(qī)记忆功能,从而使无人机拥(yōng)有避(bì)障的能力。

④双目视觉避障技术。美国的Skydio公司采用两个普(pǔ)通(tōng)的摄像头充当无人机(jī)的“眼睛”并研发出识别障碍(ài)软件(jiàn),从而使多旋翼(yì)无人机(jī)能(néng)够具备识别(bié)障碍的能力,进而实(shí)现自我导航。

⑤微小(xiǎo)型(xíng)雷(léi)达。Echodyne公司利用一台四轴无人机展示了(le)它的小型电子扫(sǎo)描雷达。它可追踪地(dì)面(miàn)上的某个人,或是在飞行中(zhōng)躲避障碍物,不(bú)过目前它仍然处(chù)于原型阶段。他们(men)试图将这款雷达的尺寸(cùn)缩小到只有一台iphoness6 Plus大小,且(qiě)重量(liàng)不超过1磅。

无人机(jī)通常利用(yòng)被跟踪者身上放(fàng)置的GPS装置进行(háng)定位和跟(gēn)踪。这(zhè)种方式会在某种(zhǒng)程度上影响用户体验。除此之(zhī)外,在没有GPS信号的情况下(xià),该方式就会失效。而且,对于(yú)非自愿携(xié)带GPS设备的(de)用户,该(gāi)方式也是行不通的。

新的(de)技术完全可以从视(shì)觉和雷达角度(dù)出(chū)发。视觉跟(gēn)踪技术方面,3D Robotics公司推出开源飞控应用Tower,它能够使(shǐ)飞(fēi)行器跟随用户,并将用户(hù)保持在摄像头中心(xīn)。OpenCV开源软件也(yě)同样(yàng)有很(hěn)多跟踪算法供飞(fēi)行器开发。此外,采用(yòng)小型电子扫描雷达也能够(gòu)实现新(xīn)式的跟踪模式(shì)。

交互技术

①手势控制技(jì)术。在CES 2014的(de)展场(chǎng)上,工作人员演(yǎn)示了利用MYO手势控制臂带来(lái)控制AR.Drone 2.0四旋翼。用户只要(yào)将臂带戴在其中一只手上,并以两只手指击响(xiǎng)便可启(qǐ)动(dòng)并控制该飞行器。智能手机、手环、手表、戒指(zhǐ)等内置(zhì)惯性传(chuán)感器的设备也(yě)可以识别操作者的手势(shì),用于控制多(duō)旋翼。

②脑机接口。它是指在人(rén)脑(nǎo)与计算机(jī)等外部(bù)设备之间建立直接的连接(jiē)通路。通过(guò)对于(yú)脑电信息的分析解(jiě)读,将其(qí)进一步(bù)转化为相应的动作,就像是在用“意念(niàn)”操控物体。多家机构对该技术也展开了(le)研究。布朗大学与犹(yóu)他州Blackrock Microsystems公司的研究(jiū)员将此无线装置商业化,他们将其粘附在人类头骨上,并通过无线电发送由人脑植入设备收集的意(yì)识(shí)命令(lìng);Emotiv公司的(de)EPOC可以检测(cè)8种行为现象,识别(bié)出7种(zhǒng)表情,从(cóng)而使残障人士具备(bèi)控制飞行器(qì)的能力;浙江(jiāng)大(dà)学CCNT实(shí)验室(shì)的研究人员(yuán)演示了FlyingBuddy2系统—即用大脑控制四(sì)旋翼无人飞行器;葡萄牙(yá)里斯本的无人机公司Tekever推(tuī)出了(le)一种依(yī)靠脑电波操控(kòng)的(de)无人飞机。

通信技术

该项技术有助(zhù)于信息共享,适用于交通管理或自身监控等,比如(rú)将数据备份到云端进行云计算(suàn)等。

4G/5G通信技术(shù)。20136月(yuè)17日,北京4G联盟联合(hé)无人机联盟组织(zhī)召(zhào)开了4G联盟与无人机联盟交(jiāo)流研讨会,旨在加强北京4G联盟和无人机联盟之间技术交(jiāo)流,寻找无人(rén)机机载(zǎi)载荷(hé)与4G设备仪器的聚焦,促进北京市信息产业发展。2015年,中国移动开发4G“超级空战队(duì)”设备,能支持航拍影(yǐng)像(xiàng)即(jí)拍即传。

WiFi通信(xìn)技术。2013年,德国的卡尔斯鲁厄理工学院(yuàn)开发出了一项(xiàng)新的无线广域(yù)网技术,打破了最快的WiFi网络速度纪录,它可以让(ràng)1公里以(yǐ)外的用户(hù)每(měi)秒钟(zhōng)下载40GB大小的数据。由于这(zhè)种设备的传输(shū)距离比普通WiFi路由器(qì)的覆盖范围要广得多,因此这种设备很适合无人机航拍图传或光纤(xiān)布放(fàng)不(bú)方便的农村地区应(yīng)用。

芯片(piàn)技术

①在2015年(nián)CES上,高通和(hé)英特(tè)尔展示了功能更为(wéi)丰富的多轴飞行器。例如,高通在CES上(shàng)展示的Snapdragon Cargo无人机是基于高(gāo)通(tōng)Snapdragon芯片开(kāi)发出(chū)来的(de)飞行控制(zhì)器。它(tā)具备无(wú)线通信(xìn)、传感器集成(chéng)和空间定位等功能。英(yīng)特尔CEO Brian Krzanich也亲自(zì)在(zài)CES上演示了他们的(de)无人机,采用了四核(hé)的英特尔凌动(dòng)(Atom)处理(lǐ)器的PCI-express定制卡。此外(wài),活跃在机器人市场(chǎng)的欧洲处理器厂商XMOS也表示已经进入无人机(jī)领域。

3D Robotics发表声明与(yǔ)英(yīng)特尔共同合作开(kāi)发Edison芯片,这(zhè)是一种(zhǒng)新型微型处理芯片。虽然它只有(yǒu)一个硬币的大小,却具有个人电脑(nǎo)一样的处理(lǐ)能(néng)力。

③目前,包括IBM在内的多家科技公司都在模拟(nǐ)大脑,开发神经元芯片。而一旦“神经(jīng)形态”芯片(piàn)被应(yīng)用于无人机,自主反应、自动识别(bié)将会(huì)变(biàn)得轻而易举。

④未来(lái)飞行器上的MEMS产品会向集成化方向发展,例如三轴加(jiā)速(sù)度与(yǔ)三轴陀螺仪(yí)结合而成的集成产品。手机(jī)芯片公司(sī)推出无线多合一(yī)芯(xīn)片后,又推出了手机市场的(de)定(dìng)位与导航芯片。新一代定位芯片,将满足(zú)可穿戴与无人机等差异(yì)化需求。不仅如此(cǐ),新(xīn)芯片内部还会直接(jiē)集成控(kòng)制算法。

⑤为了让机器人应(yīng)用能够更好地感知环(huán)境,高通研究院正在开发一款机器(qì)视(shì)觉研究(jiū)软(ruǎn)件(jiàn)开发工具(jù)包(SDK),其中包含至(zhì)关重要的计算机视觉技术,比如:视觉惯性测程、视觉同步定位和绘(huì)图立体(tǐ)相机景深。对于可穿戴设备和无(wú)人机等新兴(xìng)领(lǐng)域(yù)的定位需求(qiú),他们需要(yào)更准(zhǔn)确、更小尺寸(cùn)或是更快(kuài)速(sù)的定(dìng)位,甚至室内导航功能(néng),同时这(zhè)些领域(yù)的需求并(bìng)不要求集(jí)成其他无线功能,这(zhè)给传统的(de)定位芯(xīn)片厂家又(yòu)带来了新的商机。

平台技术

①“Dronecode”无人机开源(yuán)系统。2014年(nián)10月(yuè),著(zhe)名计(jì)算(suàn)机开源系统公司Linux推出了名为“Dronecode”的(de)无人(rén)机开源系统(tǒng)合作(zuò)项目(mù),将3D Robotics、英特尔、高(gāo)通、百(bǎi)度等科技巨(jù)头纳入项目组(zǔ),旨在为无人(rén)机开发者(zhě)提供所需要的资源、工具和技术支持,加快无人机和机器(qì)人领域(yù)的发展。

Ubuntu 15.04操作系统。Ubuntu 15.04的物联(lián)网版本是Ubuntu目前最小且最安全的(de)版本,它十分(fèn)精(jīng)简,适(shì)合(hé)开发者、科技专(zhuān)业人(rén)士使用,能够在无(wú)人机等领域中使用。

Airware企业级(jí)无人机系(xì)统。Airware公司(sī)旨在通过标(biāo)准化的无人机软件系统,帮助(zhù)企(qǐ)业迅速、高效地完成商用无(wú)人飞行器的部署及管理。该(gāi)系统(tǒng)已于2015416日正式发布(bù),通过硬件(jiàn)与软件的结(jié)合,Airware成功地实现了(le)在单个软件平台上统(tǒng)一管理多个不同型号、不同品牌无人机的目标。目前,Airware产品(pǐn)已获(huò)得两家合作伙(huǒ)伴的采纳,分(fèn)别为通(tōng)用电气(也同时是Airware的投资者)Infinigy

④一家名为Percepto的创业(yè)团队(duì)在(zài)Indiegogo上发起了(le)一个同名开源项目,它是一个可以安装在现有无人机(jī)之上(shàng)的计算机视觉组(zǔ)件,目标是搭建一个集(jí)硬(yìng)件、驱动、算(suàn)法、安全、机身控制于一体(tǐ)的平台,让更多的开发(fā)者(zhě)在此平台(tái)上(shàng)为(wéi)无人机(jī)开发应用(yòng)。

空管技术

2014年,Airware计划在(zài)NASA加(jiā)州基地针对不(bú)同(tóng)类型的无(wú)人机(四(sì)旋翼(yì)、直升机、固定翼飞机)展开一(yī)系列(liè)的(de)飞行和实(shí)验室测试,最快(kuài)可能会在今年(nián)开始(shǐ)该项目。测试第一阶(jiē)段的目标是理解不同的飞行器对空管系统的响应方式。

②初创公司Skyward正在研发无人机(jī)交通控制系(xì)统,这套系(xì)统使数千无人机在城市上空飞行而不会互相碰撞(zhuàng)。Skyward正(zhèng)在跟FAA和全球三大(dà)无(wú)人机制造商(大疆、3D RoboticsParrot)合作以证明大量的无人(rén)机(jī)可以在(zài)拥(yōng)挤空域安(ān)全(quán)地(dì)共存。

NASA同(tóng)空间技术公司(sī)Exelis已经联手(shǒu)组成团队开发无人(rén)机空(kōng)中交通管制系统的(de)原(yuán)型产品。

在多(duō)旋翼的潜在新技术发展进(jìn)程中,各个技术是相互(hù)耦合依(yī)存的,比如(rú)芯片、传感器(qì)和算法等等。这些技术将构成无人(rén)机(多旋翼)的生(shēng)态环境这种情况下无(wú)人机(多旋翼(yì))的发展可能被(bèi)其中某项技术的发展引(yǐn)领,存在着各种可能性,很多(duō)是我(wǒ)们(men)目前无法想象到(dào)的(de)。同样(yàng),在无(wú)人机(jī)(多旋(xuán)翼)发展带动的技(jì)术也会促进(jìn)相关行业技术的发展,解决各种实际问题。

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