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多旋翼的(de)一些新(xīn)技术(shù)

动力技术(shù)

①新(xīn)型电(diàn)池。2015年,来自加拿大蒙特利(lì)尔的(de)EnergyOr技(jì)术有(yǒu)限公(gōng)司(sī)采用(yòng)燃料电池的四旋翼进行了2小时12分钟(zhōng)续航飞行。201546日,科学权威期刊《自然(rán)》网络(luò)版刊登了一篇报道,一种(zhǒng)铝电池仅需(xū)60秒便能让手(shǒu)机电力“满血(xuè)复活”。此外(wài),石(shí)墨(mò)烯、铝(lǚ)空气(qì)、纳米点这三(sān)项(xiàng)电池技术将成为(wéi)未来电池世界的三大奇兵。这些新的(de)电池技术有着十(shí)分迫切的需求,首先(xiān)会被应用到手机和电动汽车,随后可(kě)配备(bèi)多(duō)旋翼。

②混合动力。2015年,美国初(chū)创公司Top Flight Technologies开发出混(hún)合动力六旋翼无人机。它仅需(xū)要(yào)1加(jiā)仑(约合3.78升)汽油便可以飞行(háng)两个半小时(可飞行约160公里),最高负重达20磅(约(yuē)合9公斤)。

③地(dì)面供电。它采用地面(miàn)供(gòng)电,通过电缆将电(diàn)能源源(yuán)不断输(shū)送给多旋翼,例如Skysapience公司的Hoverlite

④无线充(chōng)电。来自德国(guó)柏林(lín)的初创公司 SkySense在无人机户外充电(diàn)方(fāng)面提供了一种解决(jué)方案(àn),他们研(yán)发出一块可(kě)以为无人机进行无线(xiàn)充电的平板。SkySense的最(zuì)大特点是可以进行远程控制,无人机的(de)“降落(luò)—充电—起飞”全(quán)过程可(kě)以独立实现,不需要人为进行现场干预和辅(fǔ)助。如(rú)果能(néng)够缩短(duǎn)充电(diàn)时间,那么无(wú)线充电技术将(jiāng)会(huì)极大(dà)地(dì)帮助多旋翼(yì)进行长途飞(fēi)行。

导航技术

定位是导航中的(de)关键技术,目前该领域发展迅速。

GPS载波相位(wèi)定位。来自美(měi)国的Swift Navigation公(gōng)司基于(yú)该项技术(shù)开发的Piksi是一个低耗电、高性能的具备RTK功能的(de)厘米级的GPS接收器。它的小(xiǎo)型(xíng)化、高(gāo)更新率和(hé)低能耗的特点使得它非常适合(hé)集成到自动驾驶飞行器和(hé)便(biàn)携的测量设备(bèi)里。由日本东(dōng)京海洋(yáng)大(dà)学开发(fā)的RTKLIB开(kāi)源项目(http://www.rtklib.com/)也在积极推动RTK技术发展。

②多信息(xī)源定位。英国军方BAE最近公(gōng)布了他们(men)研发(fā)的名为(wéi)NAVSOPNavigation via Signals of Opportunity)技(jì)术。该技术(shù)将(jiāng)利用包括TV、收音(yīn)机、WiFi等(děng)信息进行定位,弥补GPS 的(de)不足。

UWB (Ultra Wideband,超宽带)无线(xiàn)定(dìng)位。UWB信号(hào)具有低成本、抗多径干扰、穿(chuān)透能力强的(de)优(yōu)势,因此适(shì)用于静止或者移动物体以及人(rén)的定位跟踪,提供十(shí)分(fèn)精确的定位精(jīng)度,静态精(jīng)度可(kě)达10厘米。通过与惯性导(dǎo)航传(chuán)感(gǎn)器融合,UWB可以提(tí)供(gòng)更高的精度、更强的鲁棒性。

对于多(duō)旋翼无人机,在(zài)飞行过程中,快速且准确地获取(qǔ)自身速度能有效地提高多旋翼控制的稳定性(xìng)(提高(gāo)阻(zǔ)尼),从(cóng)而达到更好的悬停和操控效果,因此测速工作起到了十分重要的作用(yòng)。比较(jiào)精确(què)的测速方案是通过(guò)“视(shì)觉(光(guāng)流)+超声波+惯导”的融合。Ar.Drone是最早采用该项(xiàng)技术的多旋(xuán)翼飞(fēi)行器(qì),它极大地提升了飞行器的可操控性。PX4自驾仪开源项(xiàng)目提供了开源的光流传感器PX4Flow。该传感器可(kě)以帮助多旋(xuán)翼在无GPS情况(kuàng)下实现(xiàn)精确悬停。

为了使多旋翼完(wán)成更好的飞行,避障技术(shù)无疑能够为(wéi)其(qí)提(tí)供(gòng)更加稳定的导航性能。

①深度相(xiàng)机避障技(jì)术。它(tā)的原理是先对场景投影(yǐng)结构光,然后分析红(hóng)外传(chuán)感器接收的反光得到深(shēn)度信(xìn)息。微(wēi)软在2010年推出了深度相机Kinect。然(rán)而(ér)Kinect体积还是较大,并(bìng)且在两米之外才能准确地识(shí)别用户(hù)手势。2014年,芯片(piàn)厂(chǎng)商英(yīng)特(tè)尔推出RealSense传(chuán)感(gǎn)器,体积(jī)更小,使用距(jù)离更短。在2015CES美国消费电子展上(shàng),英特尔把RealSense技术也应用(yòng)到了(le)无人机上,以用于感(gǎn)知(zhī)周围环境(jìng),进(jìn)而自主避障。

②声呐系统避障技(jì)术。Panoptes公司拟推出(chū)Bumper4避障系统。它由指向多(duō)个方向的超声波传感器(qì)组成,通过(guò)测量多个方(fāng)向的距离来判(pàn)断障碍。

③“视觉+忆阻器”避障技术。美国 “Bio Inspired”公司(sī)期(qī)望利(lì)用视(shì)觉和忆阻器(具有短期记(jì)忆效果(guǒ)的电阻器)使系统具备(bèi)识别(bié)和(hé)短期(qī)记忆功能,从而使无人机拥有避障的(de)能(néng)力。

④双(shuāng)目视(shì)觉(jiào)避障(zhàng)技术。美国的(de)Skydio公司采用两个普通的摄(shè)像头充当无(wú)人机的(de)“眼睛(jīng)”并(bìng)研发出识(shí)别(bié)障碍软件,从而使多旋翼无人机(jī)能够具备识别障碍的能力(lì),进而实现自我(wǒ)导航。

⑤微小型雷达。Echodyne公司利用一台四轴无人机展示了它的小型电子(zǐ)扫描雷达(dá)。它可追踪(zōng)地面上的某个(gè)人,或是在飞(fēi)行中躲避障(zhàng)碍物,不过目前它仍然处于原型阶段。他们(men)试(shì)图将这款雷达(dá)的尺寸缩小到(dào)只有一台iphoness6 Plus大小,且重量(liàng)不超过1磅。

无人(rén)机通(tōng)常利(lì)用(yòng)被跟踪者身上放(fàng)置的GPS装置进行定(dìng)位和跟踪。这(zhè)种方式会在(zài)某种程度上影响用户体验(yàn)。除(chú)此之外,在(zài)没(méi)有(yǒu)GPS信号的情(qíng)况下,该方式就会失效。而且,对(duì)于(yú)非自愿携带GPS设备的用户,该方(fāng)式也是(shì)行不通的。

新的技术完全可以从视觉和雷(léi)达角(jiǎo)度出发(fā)。视觉跟踪技术(shù)方面,3D Robotics公(gōng)司推(tuī)出(chū)开源飞控应用Tower,它能够使飞行器跟随用户,并将用户保持(chí)在摄像头中心。OpenCV开源软件也同样有很多(duō)跟踪(zōng)算法供飞行器开发。此外,采用小型电子扫(sǎo)描雷(léi)达也能够实(shí)现新(xīn)式的跟踪(zōng)模式。

交互技术

①手势控制技术。在CES 2014的展场上,工作人员演示了利用MYO手势(shì)控制臂带来控制AR.Drone 2.0四(sì)旋翼。用户只要(yào)将臂带(dài)戴在(zài)其中一只(zhī)手上,并(bìng)以两(liǎng)只手指击响便可启动并控制(zhì)该飞行器。智能手机(jī)、手环(huán)、手表、戒指等内置惯性传感(gǎn)器的设备也可以识别操(cāo)作(zuò)者(zhě)的手势,用于控制多旋翼。

②脑机接口。它是指在人脑(nǎo)与计算机等外部设备之间建立(lì)直接(jiē)的连接(jiē)通路。通(tōng)过对(duì)于脑电(diàn)信息的分析解读,将其进一步转化为相(xiàng)应的(de)动作(zuò),就(jiù)像是在用“意念”操控物体。多(duō)家机(jī)构对该技术(shù)也展开了研究。布朗(lǎng)大(dà)学与犹他(tā)州(zhōu)Blackrock Microsystems公(gōng)司的研究员将此无线装置商业化,他们(men)将其粘附在人类头(tóu)骨上,并(bìng)通过无(wú)线电(diàn)发送由(yóu)人脑植入设备收集的(de)意识命(mìng)令;Emotiv公司的EPOC可(kě)以检测8种行为(wéi)现象,识别出7种表情,从而(ér)使残障人士具备(bèi)控制飞行器的能力(lì);浙江大学CCNT实验室的研究人(rén)员演示了(le)FlyingBuddy2系统—即用大脑控制四旋翼无人飞行器;葡萄牙(yá)里斯本(běn)的无人(rén)机公司Tekever推出了一种依靠脑电波操控的无人飞机。

通信技术

该项(xiàng)技术(shù)有(yǒu)助于信(xìn)息共(gòng)享,适(shì)用于交通管(guǎn)理或(huò)自身监控等,比如将数据备份到云端进行云(yún)计算等(děng)。

4G/5G通信技术。2013617日(rì),北京(jīng)4G联盟联合无人机(jī)联(lián)盟组织召开了(le)4G联盟与无人机(jī)联盟交流研讨会,旨在(zài)加强北京4G联(lián)盟和无人机联盟(méng)之(zhī)间技术交流,寻(xún)找无人机机(jī)载(zǎi)载荷与4G设备仪(yí)器的聚焦(jiāo),促进(jìn)北京(jīng)市信息产业(yè)发(fā)展。2015年(nián),中国移动开(kāi)发4G“超级空战队”设(shè)备,能支持航拍影像即(jí)拍即传。

WiFi通信技术(shù)。2013年,德(dé)国的(de)卡尔斯鲁厄理工学院开发出了一项新的无线广域网技术,打破(pò)了最快的(de)WiFi网络(luò)速度纪录(lù),它可(kě)以让(ràng)1公里以外的用户每秒钟下载(zǎi)40GB大小的数据。由于这种设备的传输距离比(bǐ)普通(tōng)WiFi路由(yóu)器的覆(fù)盖范(fàn)围(wéi)要广得多,因(yīn)此这(zhè)种设(shè)备很适合无人(rén)机(jī)航拍图传(chuán)或(huò)光纤布放不方便的(de)农村(cūn)地区(qū)应用。

芯片技术

①在2015CES上,高通和英特(tè)尔展(zhǎn)示(shì)了(le)功能更为丰富的(de)多轴飞行器。例如,高通在CES上展示的Snapdragon Cargo无(wú)人机是基于高通Snapdragon芯片开发出(chū)来的飞(fēi)行控制器。它具备无线通信、传感器集(jí)成(chéng)和空间定位等功能。英特尔(ěr)CEO Brian Krzanich也亲自(zì)在(zài)CES上演示了他们的(de)无人(rén)机,采用了四核的英特尔凌动(Atom)处(chù)理器(qì)的PCI-express定制卡。此外,活跃(yuè)在机器人市场的(de)欧洲处理器厂商XMOS也(yě)表示已经进入无人机领域。

3D Robotics发表声(shēng)明(míng)与(yǔ)英特尔共同合(hé)作开发Edison芯片,这是一种(zhǒng)新(xīn)型(xíng)微型处理(lǐ)芯片。虽(suī)然它只有一个硬币的大小,却具有个人电脑一样的处理能力。

③目前(qián),包括IBM在内的多家科技公司都(dōu)在(zài)模拟大(dà)脑,开发(fā)神经元芯片(piàn)。而一旦“神经形态”芯片被应用(yòng)于(yú)无(wú)人机,自主反(fǎn)应(yīng)、自动识别将会变(biàn)得轻而易举(jǔ)。

④未来飞行器上(shàng)的MEMS产品(pǐn)会向集成化方向发展,例如(rú)三轴加速度(dù)与三轴(zhóu)陀螺仪结合而成的集成产品。手机芯片公司推(tuī)出无(wú)线多合一芯片后,又推出了手机(jī)市(shì)场的定(dìng)位与(yǔ)导航(háng)芯片。新一代定位芯片(piàn),将满足可穿戴与无人(rén)机等差异化(huà)需求(qiú)。不仅如此,新芯片内部(bù)还会(huì)直接(jiē)集成控制(zhì)算法。

⑤为了让机器人(rén)应用能够更好地(dì)感知环(huán)境,高通研究院正在(zài)开发一款机(jī)器视觉研究软(ruǎn)件(jiàn)开发工具包(SDK),其中包含至关重要的计算机视觉技术,比如(rú):视觉(jiào)惯性测程、视觉(jiào)同步定位(wèi)和绘图立体相机景深。对于(yú)可穿戴设备和无人机(jī)等新兴领域的定位需(xū)求,他们需要更准确、更小尺寸或是(shì)更快(kuài)速的定(dìng)位(wèi),甚至室内导航功(gōng)能(néng),同时这些领域的需求并不(bú)要(yào)求(qiú)集成(chéng)其他无线功能(néng),这给传统的定位(wèi)芯片厂家又带来了新的商机。

平台技术

①“Dronecode”无人机开源系统。201410月,著名计算机开源系统公司Linux推出了名为“Dronecode”的无(wú)人机(jī)开源系统合作(zuò)项目,将3D Robotics、英特尔、高(gāo)通、百度(dù)等科技(jì)巨头纳入项目组(zǔ),旨在为(wéi)无人(rén)机开发者提供所需要的资源(yuán)、工具和技术支持,加快无人(rén)机(jī)和(hé)机器人领域的发(fā)展。

Ubuntu 15.04操作系统。Ubuntu 15.04的物(wù)联(lián)网版本是Ubuntu目前最小且最安全的版本,它(tā)十分精(jīng)简,适合开发者、科技(jì)专业(yè)人士使(shǐ)用,能够在无(wú)人机(jī)等领域中使用。

Airware企业级无(wú)人机(jī)系统。Airware公司旨在通过标准化的无人机软件系统(tǒng),帮助企(qǐ)业迅(xùn)速、高效地完成商用无人飞行(háng)器的部(bù)署及管(guǎn)理。该(gāi)系统(tǒng)已于2015416日正式发布,通过硬件与软件的结合,Airware成功地实现了在单个(gè)软件平台上统一(yī)管理多(duō)个不同(tóng)型号(hào)、不同品牌(pái)无(wú)人机的目(mù)标。目前,Airware产品已获得两家合作伙伴的采纳,分(fèn)别为通用电气(也(yě)同时是Airware的投资(zī)者(zhě))Infinigy

④一(yī)家名为Percepto的创业(yè)团(tuán)队在Indiegogo上发起了一个同名开源项目,它是(shì)一个(gè)可以安装在现有无人机之(zhī)上的计算机(jī)视觉组件,目标(biāo)是(shì)搭建(jiàn)一(yī)个集硬件、驱动、算(suàn)法、安全、机身控制于(yú)一体的平台,让更多的开(kāi)发者在此平(píng)台上为无人机开(kāi)发应用。

空管技术

2014年,Airware计划(huá)在NASA加州基地针对不同类型的无人机(四(sì)旋翼、直升机、固定翼飞(fēi)机)展开一系(xì)列的飞行和实(shí)验室测试,最快可(kě)能(néng)会在今年开始该项目。测试第一阶段的目标是(shì)理解不(bú)同的飞行器对空管(guǎn)系统(tǒng)的响应方式(shì)。

②初创公(gōng)司Skyward正在研发无人机交通控制系(xì)统,这套系统使数(shù)千无人机在城(chéng)市上空飞行而不会互相碰(pèng)撞。Skyward正在跟FAA和全球三大无人机制造商(大疆、3D RoboticsParrot)合作以证明大量的(de)无人机可以在拥挤空域安全地(dì)共存。

NASA同空间(jiān)技术公(gōng)司Exelis已经联手组(zǔ)成团队开发无人机空中交通(tōng)管制系统的原型产品(pǐn)。

在多旋翼的潜在新技术(shù)发展进程中,各(gè)个技(jì)术是相互耦合依存的,比(bǐ)如芯片、传感器(qì)和(hé)算法等等。这些技术将(jiāng)构成无人机(多旋翼)的生态环境这种情(qíng)况下无(wú)人机(多旋翼)的发展可能被其中某项技术(shù)的发展引领,存在着各种可能性,很(hěn)多是我(wǒ)们目前无法想象到的。同样,在(zài)无人机(多旋翼)发展(zhǎn)带动的技术也(yě)会促进相关行业技术(shù)的发展,解(jiě)决(jué)各种实际(jì)问题(tí)。

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