动力技术
①新型电(diàn)池(chí)。2015年,来(lái)自加(jiā)拿大蒙特利尔的(de)EnergyOr技术有(yǒu)限公(gōng)司采用燃料电(diàn)池的四旋翼进行了2小时(shí)12分(fèn)钟续航飞行。2015年(nián)4月6日,科学权威期(qī)刊《自(zì)然》网(wǎng)络版刊登(dēng)了一篇报道,一种铝电(diàn)池仅需60秒便能让手机电力“满(mǎn)血(xuè)复活”。此外,石墨(mò)烯、铝空气(qì)、纳(nà)米点这三项电池(chí)技术将成(chéng)为未(wèi)来(lái)电池世界的三大奇兵。这些新的(de)电池技术有着十分迫切的(de)需(xū)求,首先(xiān)会被应用到手(shǒu)机和电动汽车,随后可配备(bèi)多旋翼。
②混合动力。2015年,美国初创公(gōng)司(sī)Top Flight Technologies开(kāi)发出混合动力六旋翼无(wú)人机(jī)。它仅需要1加仑(约合3.78升)汽油便可以飞行(háng)两(liǎng)个(gè)半(bàn)小时(shí)(可飞行约160公(gōng)里),最高(gāo)负重达20磅(约合9公斤)。
③地面供电(diàn)。它(tā)采用地面供电,通(tōng)过电缆将电能源源不断(duàn)输送给多旋翼,例如Skysapience公(gōng)司的Hoverlite。
④无线充电。来自德(dé)国柏林的(de)初创公(gōng)司 SkySense在无人机户外充电方面提供了(le)一种解决(jué)方(fāng)案,他们(men)研发出一(yī)块可(kě)以为无人机进行无线充(chōng)电的平板。SkySense的最大特点是可以进行远程控制,无人机的“降落(luò)—充电—起(qǐ)飞”全过程可以(yǐ)独立实现,不需要人为进行现场(chǎng)干预和(hé)辅助。如果能(néng)够缩短充电时(shí)间,那么无线充电技术将会极大地(dì)帮助(zhù)多旋翼进行长途飞行。
导(dǎo)航技术
定位是导航中(zhōng)的关(guān)键技术,目前该(gāi)领(lǐng)域发展迅速。
①GPS载波相(xiàng)位定位(wèi)。来自美(měi)国的(de)Swift Navigation公司基于该(gāi)项(xiàng)技术(shù)开发的Piksi是一(yī)个低耗电(diàn)、高性能的具备RTK功能的厘米级的GPS接收器。它的小型化、高更新率和低能耗(hào)的特点使得它非常适(shì)合集成到自动驾驶飞行器和便(biàn)携的测量设备(bèi)里。由日(rì)本东京海洋大学开(kāi)发的RTKLIB开源(yuán)项(xiàng)目(mù)(http://www.rtklib.com/)也在积极推动RTK技术发展。
②多信息源(yuán)定位。英国军方BAE最近公(gōng)布了他们(men)研发的名为(wéi)NAVSOP(Navigation via Signals of Opportunity)技术。该(gāi)技(jì)术将利用包(bāo)括TV、收音机、WiFi等信息进行定位,弥补GPS 的(de)不足。
③UWB (Ultra Wideband,超(chāo)宽带)无线定位。UWB信号具(jù)有低成(chéng)本、抗多径干扰、穿(chuān)透(tòu)能力强的优势,因此(cǐ)适用(yòng)于(yú)静止或者(zhě)移动物(wù)体(tǐ)以及人的定位跟(gēn)踪,提供十分精确的定(dìng)位(wèi)精度,静态(tài)精(jīng)度(dù)可达(dá)10厘米(mǐ)。通过(guò)与惯性(xìng)导航传感器融合,UWB可以提供(gòng)更高的精度、更强的鲁棒性。
对于多旋(xuán)翼无人(rén)机,在飞行过程中(zhōng),快速且准确(què)地获(huò)取自身速(sù)度能有效地(dì)提高(gāo)多旋翼控制(zhì)的稳(wěn)定性(xìng)(提高阻尼),从而(ér)达(dá)到更(gèng)好的悬停和操控效果,因(yīn)此测速工作起到了十(shí)分重要的作用。比较(jiào)精确(què)的测(cè)速方案是通(tōng)过“视觉(光流)+超声波(bō)+惯导”的融合(hé)。Ar.Drone是最早采用该(gāi)项技术的多旋翼(yì)飞行器,它极大地(dì)提升了飞行(háng)器的可操控性。PX4自驾(jià)仪开源项目提供(gòng)了开源的光流传(chuán)感器PX4Flow。该传(chuán)感器可以帮助多旋翼在无GPS情况下(xià)实现精确(què)悬停。
为了使多旋翼完成更好的飞行,避障技术无疑能够为(wéi)其提供(gòng)更(gèng)加稳定的导航性(xìng)能。
①深度相(xiàng)机避障技术。它的原理是先对场景投影结构光,然后(hòu)分析红外传感器接收的(de)反(fǎn)光得(dé)到深度信息。微软在2010年推(tuī)出了深度相机Kinect。然而Kinect体积还(hái)是较大,并且(qiě)在(zài)两米之外才能准确地识别用户(hù)手(shǒu)势。2014年,芯片厂(chǎng)商英特尔推出RealSense传感器(qì),体积更小,使用距离更短。在2015年CES美国消费电子(zǐ)展上,英特尔把RealSense技术(shù)也应用到了(le)无(wú)人机上(shàng),以用于感知周围环(huán)境,进而自主避障。
②声呐系统避障(zhàng)技术。Panoptes公(gōng)司拟推出(chū)Bumper4避障系统。它由指向多个方向的超(chāo)声波传感器组成,通过(guò)测量多个方向的距离来判断障碍。
③“视觉+忆阻器(qì)”避障技术(shù)。美国 “Bio Inspired”公司期望利用视觉和忆(yì)阻器(具有短期记忆效(xiào)果的电阻器)使系统具备(bèi)识别和短期记(jì)忆功能,从而使无人(rén)机拥(yōng)有避障(zhàng)的能力(lì)。
④双目视(shì)觉避障技(jì)术。美国的Skydio公司采用两(liǎng)个普通的摄像(xiàng)头(tóu)充当无人(rén)机的(de)“眼睛”并研发出识别障碍软件,从而使多(duō)旋翼无(wú)人机能够具备识别障(zhàng)碍的能力(lì),进而实现自我导航。
⑤微小型雷达。Echodyne公司利用一台四轴无人机展(zhǎn)示了(le)它的小型电子扫描雷达。它可追踪地面(miàn)上的某个人,或是在飞(fēi)行(háng)中(zhōng)躲(duǒ)避障碍物,不过目前它仍(réng)然处于原型阶段。他(tā)们试图将这款雷(léi)达的尺(chǐ)寸缩小(xiǎo)到只(zhī)有一台iphoness6 Plus大小,且重量不超过1磅。
无(wú)人机通常(cháng)利用被跟踪者身上放置(zhì)的(de)GPS装置进行(háng)定位和(hé)跟踪。这种方式会在(zài)某种程(chéng)度上影响用户体(tǐ)验。除此之外,在没有GPS信号的情况下,该方(fāng)式就会失效。而(ér)且,对于非自愿(yuàn)携(xié)带GPS设备的用(yòng)户,该方式也(yě)是(shì)行不通的。
新的技术完全可以从视觉和雷达角度出发。视觉跟踪技(jì)术方面,3D Robotics公(gōng)司推出开源飞(fēi)控应用Tower,它能够使飞行器跟(gēn)随用户,并将用户保持在(zài)摄像头中心。OpenCV开源软件也(yě)同样有很(hěn)多跟(gēn)踪算法供飞行器开发。此外,采用小型电子扫描雷达也能够(gòu)实现新式(shì)的跟踪模式。
交互技术
①手势控制(zhì)技术。在CES 2014的展(zhǎn)场上,工作人员演示(shì)了利用MYO手势控制臂带来控制AR.Drone 2.0四旋翼。用户只要将臂带戴在其中一只手上,并以两只手指击响便可启(qǐ)动并控制(zhì)该(gāi)飞行(háng)器。智能手机(jī)、手环(huán)、手表、戒指等内(nèi)置惯性传感(gǎn)器的设备也可以(yǐ)识(shí)别操作者的手势(shì),用于(yú)控(kòng)制多(duō)旋(xuán)翼。
②脑机(jī)接口。它(tā)是指(zhǐ)在人脑与计算机等外部设备之间建立直接(jiē)的连接(jiē)通路。通过(guò)对(duì)于脑电信(xìn)息的分析解读,将其进(jìn)一步转化为相应(yīng)的动作,就像是在用“意念(niàn)”操控(kòng)物体。多(duō)家机构对该技术也(yě)展开了研究。布朗大学与犹(yóu)他州Blackrock Microsystems公司的研究(jiū)员将(jiāng)此无线装置商业(yè)化,他(tā)们将其粘(zhān)附在人类头骨上,并通过无线电(diàn)发送(sòng)由人脑植入设备收集(jí)的(de)意识命令;Emotiv公司的EPOC可以检测8种行为(wéi)现象,识别(bié)出7种表(biǎo)情(qíng),从而使残(cán)障人士具备控制飞(fēi)行器(qì)的能力;浙江(jiāng)大学CCNT实验室(shì)的研究人员演(yǎn)示了FlyingBuddy2系统—即用大脑控制四旋翼无人飞行器;葡萄牙里斯本的无人机公司Tekever推出了一种依靠脑电波(bō)操控的无人飞机。
通信技术
该项(xiàng)技术有助于信息(xī)共享,适用于交通(tōng)管理或自身监(jiān)控等,比如(rú)将数据备份到云(yún)端进行(háng)云计算等(děng)。
①4G/5G通信(xìn)技术(shù)。2013年6月17日,北京4G联(lián)盟联(lián)合无人机联盟组织召开了4G联(lián)盟(méng)与无人机联盟交流研讨会,旨在加强北京(jīng)4G联盟和无人(rén)机(jī)联盟之间技(jì)术交流,寻找无人机机载载(zǎi)荷与4G设备(bèi)仪器的聚焦,促进北(běi)京(jīng)市(shì)信(xìn)息产业发展。2015年,中国移动开(kāi)发(fā)4G“超级空战队”设备,能(néng)支持航(háng)拍影(yǐng)像即拍(pāi)即传。
②WiFi通信技术。2013年,德(dé)国的卡尔斯鲁(lǔ)厄(è)理工学院(yuàn)开发出了(le)一项新的无线广域网技术,打破了最快的WiFi网络速度纪录,它可(kě)以让1公里以外的用户每秒钟下(xià)载40GB大(dà)小的数据。由于这种设备的传输距离比普通WiFi路由器的(de)覆盖范围要广(guǎng)得多,因此(cǐ)这(zhè)种(zhǒng)设备很适(shì)合无人机航拍图传或光纤布放不方便的(de)农村(cūn)地(dì)区应用。
芯片技术
①在2015年CES上(shàng),高通和英特尔(ěr)展示了功(gōng)能更为(wéi)丰富的多轴飞行器。例(lì)如,高(gāo)通在CES上展示的(de)Snapdragon Cargo无(wú)人机是基于高通Snapdragon芯片开发(fā)出来(lái)的(de)飞行控制器。它具备(bèi)无线(xiàn)通信、传(chuán)感器集成和空间定(dìng)位等(děng)功能。英(yīng)特尔CEO Brian Krzanich也亲自在CES上演示了他们的无人(rén)机,采用了四核的(de)英(yīng)特尔凌动(Atom)处理器的PCI-express定制卡(kǎ)。此外,活跃在机器人市场(chǎng)的欧洲处理器厂商XMOS也表示已(yǐ)经进(jìn)入无人机领域。
②3D Robotics发表声明与(yǔ)英特尔共同合作开发Edison芯(xīn)片,这是一种新型微(wēi)型(xíng)处理芯片。虽然(rán)它只有(yǒu)一个硬币的大小,却具有个人电(diàn)脑一样的处理(lǐ)能力。
③目前,包括IBM在内的多家科技公司都在模(mó)拟大脑(nǎo),开(kāi)发(fā)神经元芯片。而一旦“神经形态”芯片(piàn)被应(yīng)用于(yú)无人机,自主反应、自动识别将(jiāng)会变得轻而易举(jǔ)。
④未来飞行器上的MEMS产品会向(xiàng)集成化方向发展,例如三轴加速度(dù)与(yǔ)三轴陀螺仪结合而成的(de)集成产品(pǐn)。手机芯片公司推出无线多合(hé)一芯片后,又推出了(le)手机市(shì)场的(de)定位与(yǔ)导(dǎo)航芯片。新一代定位芯片,将满足可穿戴与无人(rén)机等差异(yì)化需求。不仅如此,新芯片内(nèi)部(bù)还会直接集成控制算法。
⑤为(wéi)了让机(jī)器人应用能够更好地感知环境,高通研究院正在(zài)开发(fā)一款(kuǎn)机(jī)器视觉研究(jiū)软件开(kāi)发工(gōng)具包(SDK),其中包含至关重要的计(jì)算机视觉技术(shù),比如:视觉(jiào)惯性测程、视觉同步定位和绘图立体相机景深。对于可穿戴设备和无人机等新兴领域的定(dìng)位(wèi)需求,他们需要(yào)更准确、更小尺寸或(huò)是(shì)更快速的(de)定位,甚至室内导航功能(néng),同时这些领域的(de)需求并(bìng)不要求(qiú)集(jí)成其他(tā)无线功能(néng),这给传统(tǒng)的定位芯片厂家又带(dài)来了新的商机。
平台技(jì)术
①“Dronecode”无人机(jī)开源(yuán)系统。2014年10月,著名计算机开源系统(tǒng)公司Linux推出了名为(wéi)“Dronecode”的无人机(jī)开源系统合(hé)作项目,将3D Robotics、英特尔、高通、百(bǎi)度等科(kē)技巨(jù)头纳入项目组(zǔ),旨在为无人机开发者提供所需要(yào)的(de)资源、工具和(hé)技术支持,加快无人机和机器人领域的(de)发展。
②Ubuntu 15.04操作系(xì)统。Ubuntu 15.04的物联(lián)网版本是Ubuntu目前最(zuì)小且最安全的版本,它十分精简,适合开发者、科(kē)技专业人士(shì)使用,能够在无人(rén)机(jī)等领域中(zhōng)使用。
③Airware企业级(jí)无人机系(xì)统(tǒng)。Airware公司旨在通过标(biāo)准化的无人(rén)机软(ruǎn)件系统,帮(bāng)助企业(yè)迅速、高效地完成商用无人(rén)飞行(háng)器(qì)的部署及管理。该系(xì)统已于2015年4月16日正(zhèng)式发布(bù),通过硬件与(yǔ)软件的(de)结合,Airware成功地实现了在单个软件(jiàn)平台上统一管理多个不同型号、不同品牌无人(rén)机的目标。目前(qián),Airware产品已获(huò)得两家合(hé)作伙伴的采纳,分别为通用(yòng)电气(qì)(也(yě)同时是(shì)Airware的投资者)和Infinigy。
④一(yī)家名为Percepto的创业团队(duì)在Indiegogo上发起了(le)一(yī)个同名开源项目,它是一个可以安装在现有无人机之上的计算机(jī)视觉组件,目标是搭建一个集硬件、驱动(dòng)、算法、安全、机(jī)身控(kòng)制于一体的平台,让更多的开发者在此平台上为(wéi)无人机开发应用。
空管技术
①2014年,Airware计划在NASA加州基(jī)地针对(duì)不同类型的无人机(四旋翼、直升机、固定翼(yì)飞机)展开(kāi)一(yī)系列的飞行和(hé)实验(yàn)室测试,最快可能会在今年开(kāi)始该项目。测(cè)试第一阶段的目(mù)标是理解不同的飞行器(qì)对空管(guǎn)系统的(de)响应方式。
②初创公司(sī)Skyward正在研发无人(rén)机(jī)交通控制系统,这套(tào)系统使数千无人(rén)机在城市上空飞行而不会(huì)互相碰撞。Skyward正(zhèng)在(zài)跟FAA和全球三(sān)大无人(rén)机制造(zào)商(大疆、3D Robotics、Parrot)合作(zuò)以证明大量的(de)无人机可以在拥挤空域安全(quán)地共(gòng)存。
③NASA同空间技术公司Exelis已经联手组成(chéng)团队(duì)开发无人机空中交通管制(zhì)系统(tǒng)的原型产(chǎn)品。
在多旋翼的潜在新技(jì)术发(fā)展进程中,各个技(jì)术是相互耦合依(yī)存的(de),比如芯片、传感器和算法等等(děng)。这些技术将构成无人机(多(duō)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(néng)被其(qí)中某项技术的发展(zhǎn)引(yǐn)领,存在着各种可能性,很多是我们目前(qián)无法想象到的。同样,在(zài)无人机(jī)(多旋翼)发展带(dài)动的技术(shù)也会促进相关行业(yè)技术的发展,解(jiě)决各种实际问题。

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